隨著光電、半導(dǎo)體、制藥、醫(yī)療、航空航天及精密制造等各類需求潔凈環(huán)境的行業(yè)的發(fā)展，潔凈室結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，潔凈等級(jí)要求也越來(lái)越高，風(fēng)、水、氣、電及其他各種特殊管線、設(shè)備組織越來(lái)越復(fù)雜，需要協(xié)同的設(shè)計(jì)施工等單位越來(lái)越多，各種設(shè)備管線的碰撞及各施工單位施工過(guò)程碰撞越來(lái)越多，需要無(wú)塵車間技術(shù)人員提高對(duì)工程組件和施工過(guò)程的預(yù)知能力。三維設(shè)計(jì)及可視化設(shè)計(jì)為此提供了條件，為解決設(shè)計(jì)中所面臨的問(wèn)題提供了可能。

三維設(shè)計(jì)集成工程項(xiàng)目中各種相關(guān)的信息與數(shù)據(jù)，提供了可視化的思路，將設(shè)計(jì)圖紙中線條式的構(gòu)件以三維立體實(shí)物的形式展現(xiàn)出來(lái)。設(shè)計(jì)師通過(guò)建立三維模型，并依據(jù)模型存儲(chǔ)了包括：平面圖、立面圖和剖面圖、表格、文字說(shuō)明及材料清單等所有的相關(guān)信息。這些信息全部根據(jù)模型生成，并隨著模型的改變而調(diào)整。可視化的模型使結(jié)構(gòu)直觀模擬成為可能，使碰撞檢查及優(yōu)化效率更高。目前三維設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)及機(jī)械、飛機(jī)、汽車、造船業(yè)、建筑等多個(gè)行業(yè)中廣泛應(yīng)用。尤其是建筑業(yè)，近幾年發(fā)展迅速，BIM即是以三維數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)的建筑信息模型，現(xiàn)已在全球范圍內(nèi)得到建筑業(yè)界的廣泛認(rèn)可。國(guó)內(nèi)，涌現(xiàn)出一大批相關(guān)三維數(shù)字技術(shù)軟件，并各有專長(zhǎng)，在建筑設(shè)計(jì)施工中應(yīng)用也已經(jīng)如火如荼，如深圳灣體育中心，深圳平安大廈，上海巨無(wú)霸上海中心等大型樓宇場(chǎng)館均使用了BIM技術(shù)，工業(yè)園區(qū)建筑也在逐步引入BIM，如正在建設(shè)的深圳灣科技生態(tài)園。潔凈行業(yè)與建筑緊密聯(lián)系，在設(shè)計(jì)施工中也應(yīng)當(dāng)根據(jù)行業(yè)的特點(diǎn)引入三維設(shè)計(jì)技術(shù)，提高無(wú)塵車間設(shè)計(jì)施工水平。

1 三維設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用價(jià)值

1.1 可視化設(shè)計(jì)

基于三維設(shè)計(jì)軟件的三維潔凈室系統(tǒng)模型，通過(guò)三維效果圖、虛擬漫游、虛擬施工、虛擬剖切等手段將隔離系統(tǒng)、送回風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)水，蒸汽、純水、純氣、電器管線及潔凈設(shè)備、過(guò)濾末端、照明直觀展示給工程設(shè)計(jì)人員、施工人員及業(yè)主（圖1）。

可視化模型

圖1 可視化模型

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

三維建模過(guò)程即是參數(shù)化設(shè)計(jì)，將潔凈室構(gòu)件、設(shè)備，包括管線以及外部建筑通過(guò)參數(shù)屬性定義，并通過(guò)這些屬性自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析，對(duì)三維模型參數(shù)修改、調(diào)整達(dá)到細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)精確設(shè)計(jì)的目的和模型驅(qū)動(dòng)的作用。結(jié)合可視化效果圖，工程圖紙將工程信息準(zhǔn)確傳達(dá)到工程技術(shù)人員及項(xiàng)目管理人員。

1.3 關(guān)聯(lián)修改

在無(wú)塵車間項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，工程圖各個(gè)視圖與三維模型參數(shù)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)中或者評(píng)審過(guò)程中增加、刪除或者修改三維特征時(shí)，各個(gè)視圖全部自動(dòng)更新，提高設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)變更效率，減少漏畫(huà)、少畫(huà)等工程圖失誤發(fā)生(圖2)。

自動(dòng)生成的關(guān)聯(lián)性工程圖

圖2 自動(dòng)生成的關(guān)聯(lián)性工程圖

1.4 協(xié)同設(shè)計(jì)

無(wú)塵車間涉及到暖通空調(diào)、給排水、建筑、電氣、自動(dòng)控制、機(jī)械、結(jié)構(gòu)等多個(gè)專業(yè)。工程設(shè)計(jì)中，尤其是大型潔凈項(xiàng)目中，各專業(yè)技術(shù)人員需要各自開(kāi)展工作，同步進(jìn)行，而各專業(yè)人員對(duì)其他專業(yè)知識(shí)了解有限，造成溝通不暢，協(xié)同困難（圖3）。在參數(shù)化三維設(shè)計(jì)中，各專業(yè)設(shè)計(jì)僅需基于相同的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、多團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，輔以實(shí)時(shí)協(xié)同與階段性的控制點(diǎn)協(xié)同，三維校審等方法，及時(shí)解決各種錯(cuò)漏及碰撞，提高無(wú)塵車間的設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)速度。

圖3 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

1.5 設(shè)計(jì)成果性能分析

三維設(shè)計(jì)是參數(shù)化設(shè)計(jì)，模型構(gòu)建完成后可以利用設(shè)計(jì)平臺(tái)自身的分析功能進(jìn)行基本的參數(shù)分析，對(duì)于一些特殊的模擬，如：CFD對(duì)潔凈室氣流組織模擬、熱傳導(dǎo)與熱流組織模擬?？梢岳迷O(shè)計(jì)平臺(tái)的格式轉(zhuǎn)換工具，將三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化為適合分析平臺(tái)或軟件認(rèn)可的格式，再在轉(zhuǎn)換格式的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改調(diào)整即可對(duì)模型進(jìn)行功能分析與調(diào)試，無(wú)需二次建立三維邊界。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)成果參數(shù)分析，指導(dǎo)送回風(fēng)、照明、設(shè)備及出入口等結(jié)構(gòu)布局，為潔凈度、氣流速度、氣流組織等功能參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，消除使用過(guò)程中可能存在的隱患，實(shí)現(xiàn)建造成果可控。

1.6 三維設(shè)計(jì)交付

三維設(shè)計(jì)帶來(lái)了直觀的可視化三維模型、準(zhǔn)確的二維表達(dá)的工程圖紙和詳盡的自動(dòng)生成的包含功能參數(shù)及性能特點(diǎn)的物料清單，使設(shè)計(jì)成果交付更加直觀、詳盡，成為無(wú)塵車間設(shè)計(jì)交付或者設(shè)計(jì)交底的新模式。

2 三維設(shè)計(jì)在無(wú)塵車間中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 設(shè)計(jì)階段工作重點(diǎn)提前

隨著無(wú)塵車間技術(shù)的發(fā)展與管理水平的提高，無(wú)塵車間項(xiàng)目管理與其他項(xiàng)目管理一樣將由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，要求設(shè)計(jì)文件更加詳細(xì)、準(zhǔn)確，要求工程設(shè)備及配件更加精密，促進(jìn)潔凈室施工模式向裝配模式轉(zhuǎn)變。裝配模式致使無(wú)塵車間項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、施工過(guò)程所占用工期比例改變。以某無(wú)塵車間項(xiàng)目為例，二維設(shè)計(jì)方式和三維設(shè)計(jì)方式各階段占用的工期如圖4。

各階段用時(shí)比例對(duì)比

圖4 各階段用時(shí)比例對(duì)比

從圖4可看出，二維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，花費(fèi)大量的時(shí)間在制圖、清單編制和協(xié)調(diào)上，而與項(xiàng)目質(zhì)量關(guān)系密切的方案比選、專業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)等重要部分卻花費(fèi)的時(shí)間比較少。三維設(shè)計(jì)由于可以自動(dòng)生成各種工程圖紙和清單，提高了無(wú)塵車間項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員有更多的時(shí)間用在三維模型及方案的比選，專業(yè)設(shè)計(jì)、優(yōu)化及協(xié)同上，詳細(xì)的三維模型設(shè)計(jì)及優(yōu)化協(xié)同的結(jié)果也促進(jìn)潔凈室構(gòu)件尺寸更加精密，參數(shù)化的構(gòu)件設(shè)計(jì)圖紙更適宜于工程構(gòu)件工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、縮短現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，工程構(gòu)件的產(chǎn)品化生產(chǎn)進(jìn)一步促進(jìn)裝配式施工模式發(fā)展。

2.2 虛擬裝配促使現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)易化，提高質(zhì)量

與二維設(shè)計(jì)相比，三維設(shè)計(jì)中，潔凈室構(gòu)件通過(guò)參數(shù)化三維數(shù)據(jù)展現(xiàn)，工程計(jì)算以三維建模相融合自動(dòng)更新，數(shù)據(jù)信息完整，傳遞過(guò)程無(wú)信息損失，可以進(jìn)行校核計(jì)算及模擬，并且可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)調(diào)整后的三維設(shè)計(jì)成果與實(shí)物構(gòu)件一致?？蛇M(jìn)行虛擬裝配施工，使無(wú)塵車間從3D設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向4D施工。

潔凈室虛擬施工即先試，后建。即在開(kāi)工之前，基于虛擬環(huán)境，模擬、分析、檢測(cè)設(shè)計(jì)結(jié)果與施工組織設(shè)計(jì)方案的可行性，進(jìn)而優(yōu)化和調(diào)整，獲得最佳方案。因此虛擬施工不僅僅是一個(gè)設(shè)計(jì)繪圖過(guò)程，而是設(shè)計(jì)方案、成果比選過(guò)程。在潔凈室虛擬施工中，除了虛擬的所有潔凈室原型構(gòu)件外，還需要通過(guò)三維可視化平臺(tái)創(chuàng)造一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)施工環(huán)境，資源模型及過(guò)程模型，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程有效可視化模擬。通過(guò)原型構(gòu)件的模擬施工，減少各系統(tǒng)間結(jié)構(gòu)碰撞與工期碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與施工方案，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度與設(shè)計(jì)精確度，提高施工精度和無(wú)塵車間質(zhì)量。

2.3 施工成本優(yōu)化

在無(wú)塵車間中，工程的規(guī)模及復(fù)雜程度一般沒(méi)有大型建筑工程大，所以不會(huì)建立工期．成本數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)復(fù)雜的迭代過(guò)程優(yōu)化成本。在無(wú)塵車間中，可通過(guò)三維設(shè)計(jì)與施工技術(shù)將工程項(xiàng)目分部、分段，通過(guò)三維可視化模型，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，構(gòu)件材料更加精確（圖1）。模擬過(guò)程對(duì)施工方案優(yōu)化以使施工組織更加合理、有序。通過(guò)提高人、材、機(jī)綜合配備能力和提高施工管理能力來(lái)降低損耗和成本。

3 三維技術(shù)在無(wú)塵車間中的應(yīng)用

目前三維設(shè)計(jì)平臺(tái)及軟件較多，包括各種建筑BIM軟件，如Autodesk的Revit等；機(jī)械類的如Pro-e，Solidworks的三維工程軟件等。但結(jié)合無(wú)塵車間裝配式施工的特點(diǎn)，建筑BIM軟件、機(jī)械類的軟件都有欠缺，這也是為什么無(wú)塵車間行業(yè)在三維設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面發(fā)展緩慢的原因。以下以某項(xiàng)目Solidworks模型為例介紹無(wú)塵車間三維設(shè)計(jì)及應(yīng)用過(guò)程。

步驟1，虛擬現(xiàn)實(shí)：對(duì)外部環(huán)境，如建筑等建模，也是設(shè)計(jì)師對(duì)環(huán)境的立體認(rèn)識(shí)，也可以由其他BIM軟件轉(zhuǎn)換外部現(xiàn)實(shí)環(huán)境載入。

步驟2，建立基準(zhǔn)面模型：根據(jù)建筑網(wǎng)格及虛擬現(xiàn)實(shí)模型，潔凈室的主要構(gòu)件等高線建立基準(zhǔn)面，方便后期各類組件裝配、定位，以及在方案設(shè)計(jì)，施工圖毆計(jì)，施工等階段組件替換，模型調(diào)整、修改。

步驟3，潔凈室平面規(guī)劃。

步驟4，三維模型創(chuàng)建（圖5）。

潔凈室模型創(chuàng)建流程

圖5 潔凈室模型創(chuàng)建流程

步驟5，虛擬碰撞檢查（圖6）。

潔凈工程模型虛擬碰撞檢查流程

圖6 潔凈工程模型虛擬碰撞檢查流程

步驟6，模型系統(tǒng)整體調(diào)試、分析。

步驟7，虛擬施工及調(diào)整（圖7）。

虛擬施工流程圖

圖7 虛擬施工流程圖

步驟8，總平面圖，各系統(tǒng)詳圖轉(zhuǎn)換，物料清單生成（如圖2）。

步驟9，組件詳圖轉(zhuǎn)換。

步驟10，組件生產(chǎn)。

步驟11，工程現(xiàn)場(chǎng)裝配施工。

步驟12，三維交付。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，BIM技術(shù)在建筑行業(yè)逐漸被廣人世計(jì)、施工人員接受并運(yùn)用，也是工程技術(shù)發(fā)展的方向。但無(wú)塵車間中較少應(yīng)用到，在無(wú)塵車間設(shè)計(jì)和施工中引入并應(yīng)用三維設(shè)計(jì)技術(shù)及4D/5D技術(shù)，創(chuàng)建潔凈室信息模型，使?jié)崈羰以谠O(shè)計(jì)建造過(guò)程更加高效，在整個(gè)運(yùn)行壽命期內(nèi)更加節(jié)能、綠色、環(huán)保。