基于ProjectWise（PW）的全生命周期管理

 

　　-500m口径射电望远镜(FAST)

 

　　刘占省，甘明，徐瑞龙，朱忠义，杨波，

 

　　卫启星，王杨，李华峰，马锦姝，崔建华，张琳，徐金蓓，李斌

 

　　（北京市建筑工程研究院有限责任公司BIM技术中心，北京100039）

 

 

　　随着BIM（Building Information Molding）技术和计算机技术的发展，三维模型、施工模拟、绿色设计、协同工作等等，一些新兴概念越来越多的走入我们的生活，也越来越多的应用到我们的生活实践中。同时BIM技术在大型复杂结构的应用也越来越多，其优越性也随着结构的复杂程度和繁琐程度的增加被体现得淋漓尽致。本文将依托Bentley公司的相关软件基于协同工作平台PW对我国九大科技基础设施之一的FAST项目进行设计、施工、生态分析和运维的全生命周期过程管理。为其他应用Bentley相关产品的设计人员提供简单的参考，进而推进BIM在中国的发展。

 

　　关键词：BIM；Bentley；三位模拟；全生命周期；PW；FAST

 

 

　　光和广播电视信号都是以光速传播的电磁波，区别只在波长。千百年来人类只是通过可见光波段观测宇宙，而实际上天体的辐射覆盖整个电磁波段。与通讯用微波天线相似，射电天文望远镜通常由三个主要部分构成：汇聚电磁波的反射面、收集信号的接收机以及指向装置。

 

　　为实现跨越式发展，中国天文界提出建造世界最大的单口径射电望远镜--500米口径球面射电天文望远镜。它具有3项自主创新：利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址；洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面；采用轻型索拖动机构和并联机器人，实现望远镜接收机的高精度定位。全新的设计思路，加之得天独厚的台址优势，FAST突破了望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。

 

　　由于FAST项目工程量巨大，因此包括以下难点：

 

　　1) 本工程覆盖面极大。FAST的天线口径长达500米，约为30个标准足球场大；FAST索网结构由6670根主索和2225根下拉索构成，仅索盘就重达216吨；反射面由4600个安装在索网上的反射面单元构成。建成后将是国际上最大的单口径望远镜。与号称“地面最大的机器”德国波恩100米望远镜相比，其灵敏度提高约10倍。与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪十大工程之首的美国Arecibo 300米望远镜相比，FAST灵敏度高2.25倍。本项目由1994年7月FAST工程概念提出到2011年3月正式开工，再到预计2016年9月竣工，历时达23年。

 

　　2) 设计工作量大，设计难度高。FAST按照平面划分为5个相同的区域，每个区域各含445个不同的主索连接节点，仅节点深化设计共445种。

 

　　3) 加工精度要求高。445种节点，每种节点板的数十多个尺寸需达到1mm的精度。

 

　　4) 施工难度大，安装精度要求高。对于定长索必须确定误差为±10mm。采用高精度全站仪反复测量拉索边界构件，必须将误差控制在1mm。

 

　　5) 协同工作数据量大，专业间和上下游间数据交换难，项目监测点极多，监测构件极其复杂。该项目业主方：中国科学院国家天文台，设计方：北京市建筑设计研究院有限公司，施工方：北京市建筑工程研究院有限公司，构件制造方：中航工业贵州云马飞机制造厂。项目涉及方可以说是天南地北，因而数据快速、准确的交换变的非常重要。在监测与管理阶段，要求对整个项目进行，拉索施工监造，结构设计，精度算量，方案制定，施工深化设计，施工进度控制，施工成本控制，施工安全控制，健康监测，以及全寿命周期进行相应的控制与管理。

 

　　1、 项目流程规则

 

　　图1  BIM项目流程规则

 

　　基于项目的以上诸多难点，并结合BIM相关运行流程以及Bentley软件的相关特点，本文针对FAST项目制定流程规则。如图1。

 

　　整个BIM-FAST项目由项目总负责人统筹和协调。项目总负责人下属五个部门分别为：设计部门、施工部门、生态部门、运维部门和PW部门。每个部门由一个部门负责人统筹工作。最终以保证BIM模型的精确、顺利完成，进而提高工作效率，缩短工期，达到节约成本的目的。

 

　　2、 PW系统

 

　　PW系统由与各部门对接的PW子系统和PW云服务系统组成，该系统主要负责各部门内和各部门间信息及数据的交流和传递。它是整个FAST-BIM项目运作的平台，该系统能否正常运作直接影响FAST的工程进度和工程可靠性。因此针对该问题本文专门配备PW部门，该部门主要工作是结合其他部门上报的权限特点，并结合PW软件特点制定PW管理权限规则和维护PW系统的正常运作。PW部门为负责人制，由负责人向其他四个部门派驻PW子系统维护人员。如图2。

 

　　图2  PW系统权限设置

 

　　PW管理平台，通过数据接口从不同软件中对FAST项目的关键信息予以收集、更新、管理和应用。使得BIM信息能够在各专业之间和上下游之间传递顺畅。

 

　　通过PW将设计阶段的BIM模型交付给下游制造单位，直接用于二维深化制造图的生成和构件的数控加工。

 

　　通过PW将设计阶段的BIM模型交付给下游施工单位，为施工阶段的管理和成本控制提供的坚实可靠的基础。BIM模型延续到施工阶段，信息不断完善，充分发挥了BIM的价值。

 

　　利用PW平台协同设计。PW为我们提供了一个多专业、多终端同时协同工作的环境，在设计过程中即时了解相关专业、方案的设计意图，使设计方可以以灵活、主动的方式去完成设计过程，从而极大的提高了工作效率。本项目设计前后历时3年，近200名设计人员参与，完成了馈源系统、格构圈梁系统、索系统和反射面系统的三维设计工作，完成的主要成果有：馈源塔，馈源舱，格构柱，圈梁，索网，索盘、反射面方案的三维固化模型、二维切图、三维设计图册、三维汇报视频等。PW的设计产品流程管理，帮助规范设计流程。

 

　　3、 PW-设计阶段

 

　　对于设计阶段主要由设计部门完成，该部门主要工作是完成设计及深化设计。设计部门为负责人制，由负责人分配项目设计任务，完成时间等。针对该项目特点，本文将设计部门分为：圈梁专业、索专业、反射面专业和馈源系统专业。这样，部门内不同专业间可在平台子系统上按照工作权限进行数据完整交流，大大提高了设计及深化设计的工作效率，同时为下游提供信息模型及相关设计数据。

 

　　通过与PW平台的结合使原本需要5年的科研设计，在使用了ABD三维设计模块后，设计时间缩短为3年，并将设计错误率减少了90%，同时设计深度增加了50%。

 

　　3.1  设计

 

　　通过AECOsim Building Designer（ABD）主要完成FAST模型的精确设计及搭建任务，对施工精度的控制提供了坚实的基础。如图3。

 

　　图3  ABD-FAST设计模型

 

　　在搭建过程中：

 

　　1) 通过ABD的精确绘图功能完成了FAST的高精度建模要求；

 

　　2) 通过ABD的图层功能完成了对FAST的分层分专业建模；

 

　　3) 通过ABD的参照功能完成了对FAST的不同专业模型的拼接；

 

　　4) 通过ABD的整体模型进行材料统计和图纸输出；

 

　　5) 通过对ABD和ProjectWise的联合使用创建了BIM数据库。

 

　　3.2  深化设计

 

　　通过Prosteel主要完成FAST复杂节点的深化设计及制造指导任务。如图4。

 

　　a Prosteel索盘深化设计                   b 深化后的索盘渲染图

 

　　图4  复杂节点深化设计

 

　　Prosteel和BIM参数化技术实现了索网节点的优化及深化设计，节约成本400余万，获得良好的经济效益。

 

　　通过Prosteel可以快速、精确的为制造方创建索网、索盘节点三维模型图和二维制造图，以完成其的精细加工。

 

　　4、 PW-施工阶段

 

　　对于施工阶段主要由施工部门完成，该部门主要工作是完成施工方案的制定和最终方案的确定，同时渲染相关施工4-D视频以指导实际施工（包括复杂节点的安装过程视频）。施工部门为负责人制，由负责人分配项目施工任务，完成时间等。针对该项目特点，本文将施工部门分为：圈梁专业、索专业、反射面专业和馈源系统专业。由不同专业根据实际工程复杂程度制定施工方案，然后在PW子系统上进行FAST施工方案整合并结合每个施工方案出施工动画，讨论比选以确定最终的施工方案和施工视频。这样，便可大大提高了施工方案制定和实际施工的工作效率。如图5。

 

　　图5  施工模拟

 

　　通过Navigator主要完成FAST的复杂工艺施工模拟，场地布置，碰撞检测和成本控制。

 

　　1) Navigator的动态施工模拟在施工方案讨论与比选方面提供了强有力地保证，清晰直观地展示了复杂施工工艺的详细流程；

 

　　2) Navigator的场地布置功能，在项目台址贵州喀斯特地区显得尤为重要，它为工程场地的合理布局和顺利进行提供了可靠的依据；

 

　　3) Navigator碰撞检查，快速帮助设计团队找到500多个设计异常点，通过Navigator软件对这些碰撞点进行了批注和处理；

 

　　4) Navigator精细的成本控制，大大节省了项目不必要的开支。

 

　　5、 PW-生态分析

 

　　对于生态分析主要由生态部门完成，该部门主要工作是完成绿色施工和生态保护方案的制定和比选。生态部门为负责人制，由负责人分配生态分析任务，完成时间等。针对项目特点，本文将生态部门分为：绿色施工和生态保护。绿色施工主要是结合FAST施工特点尽量做到对环境的保护和减少对环境的污染，生态保护主要是针对FAST建设完成后对与自然和谐相处的分析和FAST周边的绿化问题。如图6。

 

　　图6  FAST周边绿化

 

　　FAST台址选定在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地，直径大约800米。大窝凼洼地的山梁最高为东南侧山头，标高1201m，洼地的最低点标高841m，最大相对高差达360m。非常符合FAST的地形要求，本项目充分利用大窝凼洼地，既保证了对环境的零破坏，又节约了500余万的地形开挖成本。如图7。

 

　　a FAST地形点云                         b FAST地形模拟

 

　　图7  FAST台址

 

　　该过程主要通过MicroStation完成模型和地形的精确链接，以形成FAST总模型，再结合Navigitor对施工过程中环境进行最大可能的优化。当整体模型施工完毕，结合FAST模型特点在其周围合理种植植被并由MicroStation分析。同时渲染出相应的照片级图片和漫游动画。

 

　　6、 PW-运维阶段

 

　　运维阶段主要由运维部门完成，该部门主要工作是完成FAST运行和维护。运维部门为负责人制，由负责人分配项目运行任务，制定维护周期等。针对FAST的运维阶段，本文结合PW软件特点基于第三方软件开发了基于BIM的运维管理平台，并成功与PW完成对接。如图8。

 

　　图8  FAST运维管理平台

 

　　图9  FAST健康监测

 

　　通过将开发的基于BIM的运维管理平台与PW的对接，成功的实现了对FAST的健康监测。如图9。健康监测的内容是：在结构的使用寿命内，利用无损伤的监测方式获得结构内部信息，达到检测结构损伤或者退化的目的。主要用于对FAST工程的长期、结构全寿命监测，可以提供结构在复杂荷载（台风、暴雪、地震）作用下，结构的安全度，保证结构的安全，延长结构的使用寿命。有了健康监测，使FAST的安全运营性提高了90%。同时，PW中的权限管理使业主方、设计方、施工方及制造方中的各个专业之间及上下游之间各司其职，各负其责。这又使FAST建造的安全性提高了90%。

 

 

　　本文主要基于PW并结合Bentley相关软件和其他第三方软件完成了对FAST的全生命周期BIM模拟，为实际工程节约资金大约2000余万，缩短工期大约3年。在应用软件的过程中，切身体会到Bentley软件在三位精确制图中的强大之处，尤其是PW协同工作平台，为工程的顺利进行提供了不可磨灭的功劳。

 

　　在对PW的应用中，本文总结其应用特点为：

 

　　1) 管理环境中的组织灵活性。高效创建、管理正在进行的工作--相关人员通过基础设施工具和工作流方案，快速可靠地加快工作进程。

 

　　2) 企业价值最大化。通过影响深远的交付成果，以更为连贯、及时、有预见性的方式帮助项目相关人员和整个企业系统掌握信息。

 

　　3) 及时可行的参与。通过意见同步，在所有相关设计师的工作环境中采取“封闭式”回馈的处理方式，加快有效地解决问题。

 

　　通过对本文关于FAST项目的叙述，希望能为相关工程技术人员提供有益的参考和借鉴，从而更好地为工程项目服务，产生更大的经济和社会效益，从而更好的推动BIM在中国的发展。

 

 

　　[1] 刘占省，王泽强，张桐睿，徐瑞龙.BIM技术的全寿命周期一体化应用研究[J].施工技术.2013,43(28):91-85.

 

　　[2] 张建平,李丁,林佳瑞,颜钢文.BIM在工程施工中的应用[J].施工技术. 2012,16:117-118.

 

　　[3] 汤红卫.基于GIS的农村电网规划方法的研究[D].北京:华北电力大学,2009.

 

　　[4] 2012年Be创新奖基础设施优秀项目选集[C],2012.