变曲率弧形成排管线BIM优化方法研究

杜 旭 王小淘 薛 橙

陕西建工第一建设集团有限公司 陕西 西安 710068

近年来，越来越多的建筑设计因功能要求或新颖造型将主体结构设计成弧形结构方式，安装专业的管线为配合主体结构，也要随空间设计成弧形。弧形管线无论是现场施工、BIM深化设计、预制加工都难于一般管道。本文基于实际项目弧形管线的深化设计与现场施工，试用了多种方法对弧形管线进行建模、深化设计，根据各种方法对比，总结出一套变曲率弧形成排管线高效优化的方法。该方法成本低、效率高、定位准确，为弧形管线预制拼装提供了基础保障[1-4]。

1 工程概况

西安国际足球中心项目位于沣东新城中央商务区内，西安新中心新轴线东侧，复兴大道以东，科源一路以西，科统三路以北，科统四路以南。

本项目为EPC工程，用地规模约186 667 m2，总建筑面积25.12万 m2，包含1座60 000座专业足球场，2块国际标准室外训练场，结构形式为框架-钢结构，地下1层，地上6层，其中，地上部分建筑面积16.19万 m2，地下建筑面积8.93万 m2；总建筑高度63.9 m。西安国际足球中心是2023年亚足联中国亚洲杯主场馆之一，是符合亚足联标准的现代化专业足球场（图1）。

图1 西安国际足球中心项目效果图

本项目因场馆外形影响，大部分走廊为弧形结构，弧形由多个曲率半径拟合而成，机电管线繁多，给BIM深化设计带来很大困难（图2）。

图2 项目弧度为多个曲率半径拟合而成

2 弧形管道优化流程

弧形结构管线安装中，常用的方法是：根据机电专业设计图纸，在现场放样弧形曲率半径等参数，管线煨弯或通过管件调整直管段角度形成弧形管线。但这在变曲率与管线数量繁多的情况下并不适用，需要优先使用BIM技术对复杂弧形管线进行综合排布，使同一区域的管线与结构空间曲率半径一致，排布整齐美观。

经过在西安国际足球中心项目的实践，变曲率弧形多管线优化流程为：

1）根据图纸创建三维模型。先根据设计院二维图纸创建各专业三维模型，此时弧形管线创建仅保证管线系统、材质、尺寸、连接方式设置正确，路由建模完整，为下一步方案排布打下基础（图3）。

图3 全专业弧形管线建模

2）确定管综排布方案。三维模型创建完毕即可进行方案排布，以一个弧形走廊为例，截出管线最密集部位剖面进行预排，以主梁底高度为上限高度，净空要求高度为下限高度排布管线，排布时按照施工规范和避让原则，结合各管线走向调整管线顺序，预排出排布方案（图4）。

图4 剖面预排布

3）弧形管线确定曲率半径。确定排布方案后，就可按照剖面中管线位置确定各管线的曲率半径拟合路径。创建满足项目需求的弧形管道辅助建模族，通过调整族参数，可快速完成成排弧形管线曲率调整，使同一位置管线弧度统一，确保现场施工成果整齐美观（图5）。

图5 弧形管道成排排布

4）综合支架设计。弧形管线调整完后，进行碰撞检测，验证预排方案是否可行，调整预排方案，得到优化排布方案。以管线剖面设计支吊架形式，以弧形管线弯曲位置定位支吊架位置，创建支架模型（图6）。

图6 弧形管线支吊架布置

5）调整支管位置。支架模型创建后，再次进行检测，消除支架与各管线支管间的碰撞，确定支管开口位置。

6）绘制弧形管段加工图。确定弧形管线曲率半径和支管开口位置后，就可对管线精确分段，绘制弧形管段加工图。加工图中对各管段进行编号，标注各管段系统、管径、长度、弯曲半径等加工参数，各专业根据加工图加工弧形管段。

7）支吊架和管线安装。最后现场按照BIM深化图纸进行施工，保证各专业管线同一位置与弧形结构弧度一致，成排成线，施工一次成优（图7）。

图7 西安国际足球中心弧形管线现场照片

3 创建弧形管道的方法对比

电缆桥架、风管的弯头建模与加工不受角度和管件限制，在此主要讨论弧形管道的建模方法。利用Revit软件建模，因软件底层架构原因，不支持创建弧形管道和大于175°的管道弯头，这就限制了三维管线综合在弧形管道方面的应用。通过项目应用经验，在此列举几种变通的方法，并对建模效率、问题及成果影响进行分析。

3.1 创建“弧形管段”族替代弧形管道

通过创建专门的“弧形管段”族来替代弧形管道，利用放样方法可很快创建出所需弧度的族，并可通过参数化控制管道尺寸，如图8所示，此时弧长L=2πRarcsin(l/2R)/180，其中：R为弧形半径；l为弧形管段对应弦长，为可调参数。

图8 “弧形管段”族和参数设置

优点：模型与采用煨弯施工的实际管道一致，可快速计算出每段弧形管段的大致长度。

缺点：无法添加管道连接件，无法连接支管，改变曲率半径需单独调整每个管段的弧度，不利于管综调整，无法分段，出加工图较困难。

适用于弧形部分机电管线简单、曲率半径单一的位置，可快速排布出管综方案，避免多次调整弧形管段。

3.2 利用软管功能替代弧形管道

利用Revit软件中的软管功能，可画任意弧度管道，如图9所示，弧长L＝软管长度。

图9 用软管功能绘制弧形管段

优点：建模快速，弧形，可与其他直管段连接。

缺点：无法添加管道连接件，无法连接支管，通过弧形顶点确定弧度且弧度调整不精确，不能调整标高，不利于管综调整，达不到加工图精度。

适用于弧形部分机电管线简单、需要快速出效果图等精度要求不高的模型成果。

3.3 管道＋软管混合替代弧形管道

利用直管段＋软管结合，小于175°的弯用弯头管件连接，大于175°的弯利用软管连接，如图10所示。

图10 用直管段＋软管结合创建弧形部分模型

优点：模型与通过管件调整直管段角度形成弧形管线施工的实际管道方式相同，可精确生成加工图；可添加连接件、阀门；可连接支管；可改变曲率半径；控制同排风管、电缆桥架、管道在同一位置弯曲；有利于管综调整。

缺点：与煨弯施工实际管道不同，建模效率有降低。

在西安国际足球中心项目中，主要选用第3种弧形管道建模方法：现场大部分采用通过管件调整直管段形成弧形的方法施工，有利于精确绘制加工图；采用此方法建模，弧形管段和其他管段可连接，可保持系统完整；适用于机电管线复杂项目，可高效调整模型进行管线综合排布，改变标高、平移管道等操作；对于局部采用煨弯施工的部位，也可通过CAD软件快速转换为相应加工图纸。

4 提高管线综合排布效率的方法研究

在管线综合排布时，如何快速地将同一区域各专业管线曲率半径调整一致也是难点之一。下面提供2种方法，能够满足不同情况下弧形区域快速调整成排管线要求。

4.1 弧形区域曲率不变

弧形区域曲率不变，为一个圆形的一部分，曲率半径即圆形半径，可采用同心圆分段辅助线族，快速调整管线统一曲率半径，同一分段长度和位置。辅助线族制作方法如下：采用内接多边形替代圆形，设置族的半径和分段数量来控制圆弧拆分的精细度，如图11所示。其中，半径R、管段分割n、角度α为可调参数，可得出圆心到管线中心偏移量h＝R·cos(180°/n)；L弦＝2R·sin(180°/n)；L弧＝2πR/n。对于成排弧形管线，复制多根内接多边形，通过参数调整每根辅助线的间距，用以辅助快速定位。

图11 内接多边形辅助原理和组合弧形辅助线族

将辅助族载入项目中，找到项目弧形结构圆心，与辅助族圆心对齐。根据排布好的剖面定位管线中心到圆心的距离，设置辅助族的半径h和偏移量参数。考虑实际施工的每段管道长度和角度，设置族的半径和分段数量。创建好的弧形管线按弯曲位置批量打断，将管线中心与辅助线对齐后连接每段管段，从而快速完成成排弧形管线的调整。

此建模排布方法优点为：弧形结构的项目通用，不需要其他软件辅助，难度和成本低；可根据实际情况快速分段，获得统一的弯头角度，不建模型也可辅助现场快速提取弧形管段工程量；建立模型效率较高，模型精度可达到LOD400，可导出每段直管段长度、个数、弯头角度等，有助于之后的工厂化预制加工快速出图。

适用范围：适用于曲率不变的弧形结构中。

4.2 弧形区域为不同曲率的弧形拟合而成

弧形区域为多个不同曲率的弧形拟合而成的项目，可拆分多个同心圆拟合出所需弧度辅助线，再复制多个，通过设置偏移参数组合成成排管线弧形辅助线。管段拆分位置需考虑拟合情况提前确定。

5 绘制弧形管段加工图

机电模型管线综合排布完成后，根据管线剖面设计综合支架形式，以弧形管线弯曲位置、梁柱位置确定支吊架位置，创建支架模型。

支架模型创建后，再次进行碰撞检测，消除支管与支架的碰撞，综合弧形管线弯曲位置、管线末端位置，优化支管开口位置。确定了弧形管线曲率半径和支管开口位置后，就可对管线精确分段，绘制弧形管段加工图。加工图绘制步骤如下：

1）根据管线综合排布方案优化后模型，确定各弧形管线曲率半径拟合点。不同管材、规格、曲率半径的管线分别出具单独的加工图纸。

2）综合考虑弧形管段长度、曲率半径变化处、各类阀门安装位置、支管位置、梁柱分布情况、各管线材料情况，以及管线综合支架位置，确定各系统管线分割位置和支架数量，进行综合管线分段。分割时从美观角度考虑，需保证同一弧度区域内各管线分割位置在一个剖面位置上。同一曲率半径的管线分割出的标准节数量最大化，可有效提高弧形管段加工效率。

3）按照弧形管段分割位置，绘制各专业加工详图，明确风管、管道、桥架的分段长度、曲率半径等详细参数信息并编码，出具各管线弧形部分加工图。弧形辅助线可直接作为该弧形管线的中心定位线，导出至加工图中。各系统管段按加工图制定详细的批量预加工清单。

采用煨弯工艺加工的弧形管道，加工图需标明弧形管段的曲率半径R、端点直线长度、弦高、编码等参数。使用3.1节方法创建的弧形管道可直接作为弧形管线中心定位线，导出至加工图中。使用3.3节方法创建的弧形管道，需在CAD中将近似圆多边形转化为曲率半径不变的弧形管道后，再进行后续的绘制和标注。

风管、桥架和利用管件形成弧度的管道，需在管件、阀门、管段拼接点以及其他设备连接处，适当扩充外接直线段长度，保证连接处在直管段进行安装。需在加工图中标明各专业管段长度、管件尺寸和角度、标记定位尺寸、编码等参数。

6 结语

Revit软件作为现今BIM技术应用最普及的软件，仅利用建模手法和辅助类族来弥补软件弧形管线功能上的缺失，有助于在有弧形结构的项目中推广，提高弧形管线的综合排布效率和管线加工精确度，同时提高了工厂化预制的预制率，实际施工中的弧形管段安装质量和美观度，缩短工期。这是缩减成本、创造经济价值的综合体现。