构建质量体系实现智慧管理

文｜芦辰

随着BIM技术和智慧水务概念的推广及发展，三维协同设计在水利工程领域也得到越来越广泛的应用。在传统二维设计阶段，设计成品为二维CAD图纸，针对二维图纸有一系列的设计标准和制图规定来保证二维图纸的设计质量。进入三维协同设计阶段后，设计成品主要是三维模型，模型的质量就代表了设计质量，也直接决定了由三维模型生成的二维图纸的质量。一方面模型的造型、结构、位置、颜色、图层等信息，对模型的质量有较大的影响；另一方面从目前的计算机软、硬件技术水平来说，需要在模型精度和数据量之间找到一个合适的平衡点。

随着北京市水利规划设计研究院三维协同设计的不断推广和深入，建立了三维协同设计模型质量管理标准，该标准直接指导三维协同设计过程，使设计模型满足设计出图需要和三维成品展示需要，具备实际的可操作性。同时随着三维协同设计模型质量管理标准的建立和不断调整完善，逐步建立北京市水利规划设计研究院的三维协同设计质量管理体系和三维协同设计生产管理体系，为北京市水利规划设计研究院的信息化建设和实现工程项目全生命周期管理服务的目标保驾护航。

模型标准化定义

模型的标准化包含了三个层次的内容：

首先是建模环境的标准化。唯一且共享的工作空间使模型的图层、标注、字体、断面库、切图规则及图框等设计元素是统一且标准的；管道数据库和设备数据库提供了标准、统一的模型库，保证不同的设计人员绘制出的三维模型在风格上是一致的，模型的工程属性和外形尺寸都是准确的。在专业内部和专业间协同工作时使得相关的模型及数据是一致的，也便于管理员维护软件后台环境和数据库。

其次是模型文件的组织模式标准化。模型文件的组织模式涉及了工程项目中单项工程的划分、专业内部的设计内容划分及模型分装、总装的方式。在协同平台上，按照标准规则建立的设计文档体系可以直观的反映出项目的工作内容和协同的组织形式，同时也便于管理员针对不同模型的层级和设计人员的权限做出相应的设置。

第三是建模过程的标准化。建模过程包括了在MicroStation软件平台的建模和第三方软件建模，以及不同格式的模型互相导入的过程。MicroStation软件平台主要包括 了 AECOsim Building Designer（ 水 工、工艺、建筑、结构、电气、自动化专业）、OpenPlant Modeler（工艺、管道、给排水、暖通专业）、Raceway and Cable Management（电气、自动化专业）和GEOPAK（总图、测绘专业）等软件。第三方软件主要用来建立景观模型，所建模型需按一定规则导入MicroStation软件平台上进行模型布置工作。通过一系列标准化的建模过程，保证了所建模型的质量和建模效率，为模型的通用性和重用性提供保障，在设计方案调整、设计成品展示和设计过程管理方面提供有力支持。北京市水利规划设计研究院在三维协同设计导航项目阶段，已形成了若干标准建模方法指南，在随后的三维协同设计过程中，设计人员均按照文档中的方法建立模型。

模型质量控制

质量管理的基础要素是过程控制，过程控制能够对产品质量的源头进行控制。过程控制是以预防为主的生产管理方法，是稳定产品质量的有效手段，在生产过程中通过生产团队过程控制意识的培养，对关键过程的重点监控，及时有效地处理发现的质量问题，能实现质量不断提高的目的。同理，三维协同设计的产品即三维模型的质量与模型建立的过程密切相关，要求设计人员在设计过程中遵循一定的设计规范和设计方法，通过控制设计过程保证设计成品即三维模型的质量。具体控制过程包含以下要素：

标准建模环境

工作空间：这是三维协同设计的重要组成部分，其中规定了图层、线型、字体、标注和种子文件等基础设计信息，使不同专业设计文件的风格保持一致，避免出现字体、线型等不统一的问题，另外工作空间中保存了出图图框、楼层管理器、渲染动画等信息。基于一个公用且唯一的工作空间绘制三维模型，是保证模型质量的重要前提。

数据库：目前北京市水利规划设计研究院初步建立了基于Microsoft SQL Server数据库管理软件的三维模型元件库，元件库中存储了管道、管件、阀门等元件的参数信息以及水闸、水泵等设备类三维模型和门、窗、栏杆等元件。同时针对北京市水利规划设计研究院部分河道、湿地整治项目，还建立了各类景观三维模型库。该元件库在应用软件级别上，还建立了次一级元件库，例如在OpenPlant软件平台配套的数据库就有CataLog数据库和Spec等级库两个概念，CataLog数据库是院级的三维管道基础数据库，有且只有一个权威版本，其数据存储于院级三维模型元件库中。绘制管道模型时，需要使用的基于Access数据库的Spec等级库，就是根据不同项目的需求由基础元件库生成的新的数据库。

协同平台：软件提供了一个协同工作平台，从三维建模的角度来看，给设计人员提供一个设计文件存储空间和相关专业的设计文件浏览功能。这就要求设计人员把自己专业的设计文件保存在协同工作平台的对应位置，同时设计参考文件也应该仅从协同工作平台上选取。同时，随着三维协同设计的经验逐步丰富，工作空间和数据库均应在协同工作平台上存储和管理，使协同工作平台真正成为标准化建模工作的环境平台。

标准模型组织

北京市水利规划设计研究院通过三维协同设计导航项目总结出了一套关于文件夹、DGN文件、设计文件中的model命名规则，采用了关系型数据库的定义方式，定义了命名元素，所有命名规则中出现的字段均由命名元素中选取，通过确定的排列组合形成了对应的名称。以北京市水利规划设计研究院三维协同设计导航项目为例，其中高效沉淀池单项工程的水工专业设计模型所在的DGN文件命名方式为：

文件命名规则：

专业序号+专业代码_单项工程序号+单项工程名称代码_设计文件名称设计文件名称：

02水工_03高效沉淀池_水池结构模型.dgn

02水工_03高效沉淀池_结构配筋模型.dgn

各专业统一坐标系。统一模型的定位基准主要用于专业内的定位配合以及与其他专业之间的定位配合，确保最终模型分装以及总装的统一性和准确性，关系到项目后期的碰撞检测、设计检视以及出图，是项目实施初期各专业需要重点把握的内容。

定位基准方式。各个单项工程的轴网1轴与A轴交点定位在ACS原点位置，所有工程师在设计模型时都参考同一个轴网，由于不同模型相对于ACS原点的空间位置不同，在做专业汇总和单项分装时模型会自动装配在一起，设计人员仅需调整参考文件的嵌套层级即可，不需要移动参考文件的位置。项目总装也可以在项目启动前期完成工作，随着模型文件逐步建立，在项目总装文件中即可实时看到项目的整体进度。专业负责人应检查模型文件和专业汇总，确保模型放在正确的位置上。

以北京市水利规划设计研究院进行三维协同设计导航项目通州水厂项目为例，涉及到了13个专业，16个单项工程，这些设计模型需要经过专业汇总、单项分装和项目总装三级模型拼装，需要对相关的参考和汇总操作进行规范，才能保证整体三维模型的正确布置。

首先，专业汇总时，汇总文件中应仅出现本专业绘制的模型，在绘制模型时参考的各类文件都不应在汇总文件中出现。其次，在做单项分装及项目总装时，根据需要添加参考文件，对于参考文件本身不应该进行任何操作，并严禁把参考文件与主文件合并或把参考文件复制到设计文件中。最后，为保证各专业嵌套参考层级数一致，若有专业的汇总嵌套层级较低时，则按照最大层级原则（专业汇总时，某专业需要达到的最大的嵌套层级数）添加一个汇总文件进行参考（若采用多DGN文件且每个文件中仅有单个model的形式，则另外说明，不在本次讨论中体现）。设计模型汇总规则，见图1。

模型的装配按如下层级进行：第一级别专业设计模型（模型文件）参考嵌套层级为0（无嵌套）；第二级别专业汇总模型（专业内，将本专业文件参考至专业汇总）参考嵌套层级为1；第三级别单项分装模型（区域内，将专业汇总文件参考至单项分装）参考嵌套层级为2；第四级别项目总装模型（总装，将单项分装文件参考至总装模型）参考嵌套层级为3。

参考控制。专业负责人应明确每一个设计文件的设计内容和参考方式，监督并检查设计文件内部的汇总，做好第二级别的专业汇总。保证汇总文件中不会出现重复的参考文件和多余的图形、构造线等元素，同时检查模型所在的图层与模型是否对应。另外应严禁修改被参考的文件，无论是轴网还是模型文件。

模型在三维空间中的布置。模型定位既包括模型本身在三维空间中的定位是否与设计要求一致即模型定位，也包括模型本身与其他模型之间的相互位置关系是否冲突即模型干涉这两方面的内容。

模型定位以轴网模型为定位基准，轴网模型中的1轴与A轴交点定位在ACS原点位置，所有工程师在设计模型时都参考同一个轴网模型，区域坐标原点相对固定，不可轻易变更。布置模型时需准确捕捉模型的关键点，此时模型关键点的捕捉是否正确主要取决于模型创建时的绘制方法是否标准，通过精确绘图功能或绘制辅助线放置模型，模型放置后应删除辅助线。建立梁、柱、板等模型时应进行必要的回切、开洞操作；建立墙体时应注意墙体的拐角和墙体封闭处的处理，以及墙体相对于梁、柱、板的回切。

模型干涉。模型布置时一方面要参考轴网模型定位，一方面也要参考其他模型进行定位布置。由于在三维设计阶段，所有模型是按照物体的实际安装状态进行组装，这就要求布置模型时也要注意模型与模型之间的嵌入安装和模型开孔等模型之间细部的匹配，否则在做模型的碰撞检查时，无法判断发生碰撞的两个模型之间是真正碰撞还是由于表面相接出现的伪碰撞。

模型与DGN文件的对应。设计人员应仅在本专业DGN文件的model中绘制模型，在汇总model、专业汇总DGN文件、单项分装DGN文件及项目总装DGN文件中均不绘制任何二维或三维模型。协同设计过程中，为防止模型重复布置或缺失，某一专业绘制的任何模型应由设计人员布置在本专业的DGN文件中。有些情况下，属于A专业的模型由B专业设计，则应由A专业进行模型的布置，此类问题在项目开始前应编写项目专业设计指导书设定模型的划分及布置规则。

图1 设计模型汇总规则

标准建模方法

半参数化建模。利用软件自带的功能模块通过输入外形尺寸和工程属性等参数，自动生成三维模型，主要包括门、窗、楼梯、梁、柱、楼板、墙体、电缆桥架及部分设备。由于模型是通过软件预设的函数自动生成，模型样式不能随意修改，因此针对此类模型，在建模时应核实要输入的参数信息并准确输入，模型生成后应检查模型的外形、样式和属性是否正确，同时每个模型都应放置在预设好的对应的图层上。如果建立参数化模型时需要使用辅助线，应在绘制辅助线时将辅助线设置成构造线的样式，便于模型修改。

另外有部分模型是在建模之前需要将参数预先设置，如管道数据库和梁柱断面库。数据库和断面库应由专业人员配置和维护，其他设计人员在建模时不能对数据库或断面库进行操作，若需进行更改，则按照已制定的数据库及工作空间配置的工作流程提交需求。

自定义建模方法。软件自带的功能模块通常不能满足设计过程的全部需求，在目前的水利工程设计领域的三维协同设计过程中，自定义的模型占到相当大的比例，例如一些非标混凝土构件和水闸等模型。

自定义构件。与参数化建模类似，但需要在软件中提前设置模型的外形和工程属性，详细的操作方法需要根据实际需要临时研究，目前不作为主要的自定义建模方法。

三维实体造型。根据二维图纸绘制三维模型，或直接绘制大概的三维模型再进行精确修改。此类模型的外形尺寸要求准确；其中设备类模型应先导入项目级元件库中，再由元件库中调用该设备并进行布置；需要连接管道的设备，应提前预留管嘴的空间位置；模型应放置在对应的图层上。

随着模型元件库的逐渐丰富，应针对每一类设备建立标准的建模流程文档，以保证同一类设备的建模方式是相同的，便于模型修改和批量创建设备模型，减少人为因素造成的模型差异，同时为参数化自定义设备建模的二次软件开发提供资料。另外模型既有三维模型，也包括二维模型，每建立一个自定义设备，应同时绘制模型的二维平、立、剖面图样，使二维图纸和三维模型建立统一的联系。

第三方模型导入。如为了提高渲染效果而增加的模型，包括使用U3D、RPC、树木单元等，或者是设备厂家提供的三维模型。此类模型需要根据三维实体造型的要求，对模型进行二次加工，然后制作成设备单元，并将对应的属性信息添加入元件库中。

标准设计协同

设计过程中可以参考二维图纸或其他设计人员的三维模型，设计人员仅能在本人的DGN文件的非汇总model中进行参考操作，可以对被参考的文件进行移动、复制、缩放、旋转和镜像操作，禁止对被参考文件进行交换、激活和合并到主文件的操作。

参考是将特定路径的模型，与激活模型一同显示。三维设计过程中，协同设计主要体现在设计人员之间可以及时准确的获得相关设计信息，参考使得专业间即时协同成为可能。用户参考其他模型时，激活模型中参考的部分会随着参考模型的修改而即时更新。由于各专业协同建模时采用了互相参考的方式在平台协同工作，因此被参考模型的修改就需要有标准的工作流程来规范，否则会出现被参考模型被随意更改，而参考其他专业模型进行设计的专业人员就会根据参考模型不停修改自己的设计，这样做不仅会浪费设计人员大量的精力和时间，也会造成模型版本的不统一，降低工作效率。

协同参考的一般原则为，主承专业需要建立确定的轴网模型，使其他专业有一个标准共用的定位基点；各专业在建立模型后需要经过三级检查，确定模型不会变更，然后向相关专业发布模型，并记录模型版本信息；发布模型的专业需要将ProjectWise平台上的模型文件更新并通知相关专业，相关专业在本专业激活的模型文件中重新加载被参考的模型文件，以便看到发布的模型，至此完成了一次即时协同的工作流程；被参考模型修改后，三维绘图软件会提示参考文件已修改，设计人员自行加载即可；设计人员应根据工作情况随时打开参考模块，检查被参考文件是否更新。

随着BIM技术在水利工程中的应用和发展，三维协同设计工程设计水平和设计质量的提升起到了较大的促进作用，其中三维模型作为三维协同设计中最基本的设计元素，其设计质量直接影响了整个设计的质量。本文从三维建模的后台环境定制、三维模型的拼装组织方式和三维模型绘制三个方面探讨了控制三维模型质量的方法和要素，提供了一些管理三维模型质量的手段。这些仅仅是针对三维建模本身的质量控制探讨，在实际设计过程中，还应该结合三维协同设计特有的碰撞检查功能和基于三维模型的设计、校核、审查流程，共同把控好每个三维协同设计项目的三维模型质量。使基于三维模型产生的二维图纸、材料清册等内容达到甚至超越二维设计阶段的设计质量和设计深度，真正的发挥出三维协同设计的优势。

三维协同设计是工程设计领域的技术革新，也是设计理念和工作方式的全面升级。三维协同设计平台的建设是一个系统工程，三维模型的质量管理属于三维标准体系中的一个组成部分，推广和应用三维协同设计不仅需要建立标准文件，更需要通过软件二次开发和项目级平台定制等手段，体现出相对于二维设计阶段的工具升级和流程更新。