水處理工程BIM正向設計方法探討

王曉杰，孫建升，張怡芳，杜愷忻，李 旭，張 欣

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津300074)

0 引 言

城市基礎設施的建筑信息模型(BIM)是城市信息模型(CIM)的組件，隨著智慧城市、智慧園區(qū)、智慧工程、智慧建筑等建設的深入發(fā)展，“BIM+GIS+物聯(lián)網+云技術”已經成為智慧城市建設基礎技術架構，BIM 已成為智慧城市數(shù)據(jù)的重要來源，是智慧城市建設中數(shù)據(jù)層核心組成部分[1-2]。

水處理工程作為城市基礎設施的組成部分，其智慧工程建設同樣以 BIM 數(shù)據(jù)為基礎，通過深層感知全方位地獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進而將數(shù)據(jù)關聯(lián)、共享、分析、融合、應用，形成智慧工程。

1 水處理工程設計中BIM應用現(xiàn)狀

2015年，住建部正式印發(fā)《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》對部分建設項目提出應用BIM 技術的強制要求。雖然政府和建筑各參與方都認識到作為建筑行業(yè)數(shù)字信息技術核心的BIM技術應用在建筑行業(yè)轉型升級過程中的重要性，但大多數(shù)企業(yè)應用 BIM 技術的項目并不多，僅有 7.99%的建筑企業(yè)有多于 50個項目應用 BIM 技術，而 46.65%的建筑企業(yè)應用BIM技術的項目少于10個[3]。

水處理行業(yè)的 BIM 應用復雜度較高，BIM 應用難度較大，水處理工程項目的 BIM 應用數(shù)量比例與建筑行業(yè)相比較低。但經過多年探索和經驗積累，BIM 技術在水處理工程設計中的應用也取得了一定成果。目前，已有水廠將 BIM 用于規(guī)劃階段、設計階段及施工階段，有些項目實現(xiàn)了 BIM 技術在水廠中的全生命周期應用，例如：姜天凌等[4]、徐亞男等[5]根據(jù)項目經驗，以實際項目為例介紹了ArchiCAD軟件在污水處理廠設計中的應用；林晨等[6]基于 Bentley軟件平臺將BIM技術全專業(yè)地用于通州水廠三維設計；李璐等[7]實現(xiàn)了 BIM 技術在改良 AAO 工藝大型水廠的全過程應用。

2 水處理工程設計中BIM正向設計方法

2.1 正向設計與“翻模”

設計圖紙采用二維 CAD完成之后，根據(jù)二維CAD圖紙建立BIM模型，稱之為“翻模”。BIM正向設計是相對于“翻模”建立 BIM 模型而形成的一個概念。二維CAD設計圖紙修改后，需要對BIM模型進行相應的修改，如果需要在模型中添加屬性數(shù)據(jù)，則需手動輸入屬性數(shù)據(jù)。“翻模”建立的 BIM 模型和 CAD設計圖紙沒有聯(lián)動，兩者獨立存在，BIM 模型是獨立于二維設計圖紙的一種三維表達方式。

相對于“翻模”，直接通過三維設計軟件建立BIM模型一般屬于BIM正向設計。根據(jù)常規(guī)設計流程，BIM 正向設計通常在一套設計系統(tǒng)上進行，先有概念設計和方案設計，然后進行BIM設計，最后剖切BIM 模型生成二維設計圖紙，上述設計不依賴于二維設計圖紙。

從設計流程來看，對于有模型需求的項目。直接進行 BIM 正向設計避免了“翻模”工作之前的二維設計重復工作，直接由BIM形成二維設計圖紙，理論上 BIM 正向設計效率會高一些。但在實際的項目設計中，由于人員技術參差不齊、組織制度不完善、缺乏完善的建模標準及軟、硬件條件受限等原因，可能會造成 BIM 正向設計總用時超出二維設計加“翻模”設計總用時的狀況。因而“翻模”具有特殊的存在的意義，是在目前二維設計普遍成熟，部分設計項目存在BIM設計需求時，先完成二維設計圖紙，再附加進行三維模型設計。

“翻模”是特定設計環(huán)境背景下的特殊產物，盡管具有合理的存在性，但從理論角度，在數(shù)字化社會大背景下，當數(shù)字城市、智慧城市成為普遍城市基礎設施的數(shù)字化組件，當建筑信息模型(BIM)成為智慧城市建設中數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)核心組成部分時，理論上直接進行 BIM 正向設計相對于“翻模”具備更高的設計效率。

2.2 設計流程探討

以水處理工程設計為例，項目經過工藝方案設計，提出工藝專業(yè)設計條件圖、總圖后，建筑專業(yè)根據(jù)工藝條件圖進行深化設計，提出符合本專業(yè)要求的設計條件圖，而后結構專業(yè)進行結構計算、復核，提出結構尺寸與結構布置要求。上述過程基本確定了各專業(yè)最終設計方案，而后各專業(yè)根據(jù)最終設計方案，分別進行本專業(yè)的施工圖設計。在 BIM 正向設計中，按照上述設計流程會出現(xiàn)一系列新情況。

2.2.1 各專業(yè)條件圖的提圖形式

按照 BIM 正向設計概念，二維施工圖應當由BIM 模型剖切形成，并具有聯(lián)動關系。但不能認為任意階段的設計圖都需要由 BIM 模型提供，各專業(yè)的條件圖則根據(jù)項目設計狀況，既可采用三維設計模型作為設計條件圖，也可以按照二維設計模式，以二維設計圖作為專業(yè)條件圖。

水處理工程設計較常規(guī)的民用建筑工程設計規(guī)律性弱，目前市場上適用于水處理工程設計的三維設計平臺軟件在設計功能等方面尚存在完善空間，其中，修改模型的效率尤其有待提高。目前，在三維設計平臺軟件上修改三維模型往往需要耗費較多的設計工時，甚至修改模型的時間和重新建模時間相當。因此，采用設計效率相對較高的二維設計圖紙為主要的設計條件圖比較符合當前的BIM設計環(huán)境。

2.2.2 BIM建模開始時間點

從水處理工程設計流程可知，只有當結構專業(yè)進行結構計算、復核后，工藝、建筑等專業(yè)條件圖才具有相對可靠的確定性。鑒于當前 BIM 設計環(huán)境下修改三維模型的難度較大，建議 BIM 建模的時間點自結構專業(yè)計算、復核確定之后開始，以避免進行較大規(guī)模的模型修改。

2.2.3 BIM建模的專業(yè)分工

在當前的設計環(huán)境條件下，結構專業(yè)的計算具有較多可應用的國產化設計計算軟件，一般通過軟件建立力學計算分析模型，例如常采用PKPM系列軟件、YJK設計計算軟件等建立結構分析模型，進而進行分析計算，并在計算模型中調整構件的幾何尺寸及結構布置，滿足結構專業(yè)的設計需要。

PKPM 系列軟件、YJK設計計算軟件都具有將計算模型轉換為常用格式的 BIM 模型功能， 釆例如用YJK-Revit軟件可以將YJK計算模型甚至是三維配筋模型直接輸出到 Revit設計平臺，從而實現(xiàn)主要梁、板、柱的建模，無需通過Revit重新進行結構建模(主體結構部分建模)，大幅提升了 BIM 正向設計建模效率。上述的PKPM系列軟件、YJK設計計算軟件的計算建模工作在目前的設計環(huán)境下是進行項目設計必不可少的一項工作，通過接口軟件迅速將計算模型轉換為 BIM 模型，轉換工作基本由接口軟件自動進行。因此，建議一般情況下結構主體的建模工作由結構專業(yè)人員完成，這與傳統(tǒng)的二維設計圖紙由工藝專業(yè)先行繪制有所區(qū)別。

2.3 標準制定與標準應用

根據(jù)一般的水處理工程二維或三維設計標準，其中僅圖層設置就多達1000多項，可以說圖層、線型、顏色、字體等設置是一項繁瑣的工作，在設計過程中執(zhí)行復雜的設計標準將會降低設計效率，標準的落實將遇到較大阻力。為此，直接將標準植入到軟件里，將大多數(shù)可以由軟件自動設置的標準化工作由軟件自動執(zhí)行，在實現(xiàn)標準化應用的同時提升設計效率，這樣實施標準化的阻力將大幅減小。

在水處理工程 BIM 推廣之前，先行制定統(tǒng)一的設計標準，并將設計標準定制到設計軟件之中。一般的標準化軟件定制工作主要包含如下幾個方面。

2.3.1 統(tǒng)一字體、文字設置

目前主流的BIM設計平臺為通用類型的可定制開發(fā)的三維設計平臺，但距離單個用戶的具體需求存在一些細節(jié)上的差距，一般應結合用戶需求，自行定制開發(fā)適應性較強且具有個性化的統(tǒng)一字型文件，數(shù)量一般控制在 3～5個。字型文件應具有多種符號，且具有可擴展性能，滿足不斷增多的個性化需求。

字型文件設置后，宜進一步統(tǒng)一字體設置，統(tǒng)一常用設計文字高度，并通過軟件實現(xiàn)文字快速編輯以及特殊符號書寫等。

2.3.2 圖層及線型

在推廣BIM正向設計之前，應統(tǒng)一圖層設置，規(guī)定每一類型構件、實體所應用的圖層，并開發(fā)構件、實體的智能建模功能，讓用戶自覺使用能夠提高效率的建模功能，自覺實現(xiàn)圖層標準化、線型標準化、構件標準化。

2.3.3 尺寸標注

尺寸標注標準化功能是繼文字標準化功能后的另一項重要標準化設置工作，在水處理工程項目設計中，首先統(tǒng)一尺寸標注基本設置，且通過軟件自動設置，無需設計人自行設置尺寸標注樣式。然后，開發(fā)尺寸標注功能，實現(xiàn)常規(guī)構件的辨別，實現(xiàn)多層次自動化尺寸標注，實現(xiàn)豎向尺寸及標高自動標注等。上述尺寸標注功能可以批量實現(xiàn)尺寸標準化標注，提升設計效率，使得尺寸標注工作由軟件定制完成。

2.3.4 符號及標記

水處理工程的BIM正向設計一般也需要繪制部分二維設計圖紙，與普通的二維 CAD設計一樣，需要使用大量符號及標記。在 BIM 正向設計推廣之前，應統(tǒng)一各種符號，建立常用符號庫或開發(fā)符號庫的繪制軟件，開發(fā)常用符號庫的調用功能。常用符號一般包括“圖名”“剖切”“索引”“對稱”“標高”“水面”和“地面”等。

2.4 設計平臺軟件與應用生態(tài)

目前使用較多的水處理工程BIM平臺軟件分為國產平臺軟件與國外平臺軟件，國外設計平臺軟件主要有Revit、Bentley、ArchiCAD、Catia等，國產設計平臺軟件主要有 PKPM-BIM 協(xié)同設計系統(tǒng)、YJK結構軟件、理正軟件、鴻業(yè)軟件、天正設計軟件等。

目前，各個BIM設計平臺均有自己的特點，但大多存在通用性與專業(yè)性之間的矛盾，難以做到采用一個設計平臺就很好地滿足BIM設計的多方面功能需求和效率要求。因此，在 BIM 設計平臺的選擇上需要著眼于專業(yè)或者行業(yè)的設計功能需求，同時也要立足于長遠打算，考察設計平臺的應用生態(tài)，做好長期使用、開發(fā)的準備，以長遠的目光選擇所需要的設計平臺。

一是需要關注所選擇的設計平臺的接口功能。在目前的 BIM 設計環(huán)境下，充分利用好國內外已有的常用軟件，提高設計效率，利用具有接口功能的軟件，或者自行研發(fā)具有行業(yè)優(yōu)勢的設計軟件接口，提升BIM設計效率。

二是需要關注所選擇設計平臺的二次開發(fā)功能。如字體、圖層、線型、符號等設置都需要利用設計平臺開放的二次開發(fā)接口實現(xiàn)；其他的編輯與修改、構件參數(shù)化等復雜設計功能也需要由二次開發(fā)實現(xiàn)。

三是需要關注軟件升級與培訓。軟件具有使用周期，且需要經常進行升級以提升使用性能，因此需要不定期開展某些軟件的培訓。

2.5 提升BIM正向設計效率的途徑

2.5.1 多平臺互通技術

BIM 設計平臺選定之后，需要考慮與常用設計軟件的圖形接口問題。目前二維設計軟件使用較多的是基于 AutoDesk公司的 AutoCAD設計軟件，常用的專業(yè)設計軟件大多與 AutoCAD實現(xiàn)無縫對接，圖形轉化技術成熟可靠。因此一般首先需要考慮與AutoCAD的圖形接口技術問題，充分利用已有的設計成果，提升設計效率。

以Bentley三維設計平臺為例，Bentley的.dgn圖形文件與 AutoCAD的.dwg圖形文件基本上能實現(xiàn)無縫對接，但目前Bentley設計平臺軟件與PKPM系列設計軟件的圖形接口文件還不具備，可以使用MicroStation或 OpenBuildings Designer(OBD)提供的開發(fā)平臺，采用 Visual Studio進行二次開發(fā)，實現(xiàn)圖形接口功能；或者通過開發(fā) AutoCAD的三維實體功能，間接實現(xiàn)模型轉換，從而實現(xiàn)圖形接口對接的功能。

2.5.2 2dTo3d接口技術

在二維 CAD設計階段，設計創(chuàng)意、設計條件圖從二維設計圖開始，當需要進行BIM設計時，由于二維設計技術比較成熟，效率較高，初期設計仍然可以從二維設計圖開始。開發(fā)由二維設計圖紙參數(shù)化建模的2dTo3d接口技術可實現(xiàn)半自動建立三維模型。

通過2dTo3d接口技術可以實現(xiàn)由柱表及柱平法圖生成三維柱模型圖、三維柱配筋圖，如圖1所示。

圖1 平法柱表生成柱三維配筋模型Fig.1 3D reinforcement model of column generated by column table

由梁平法圖可生成三維梁模型圖、三維梁配筋圖，由池壁平法表及平法圖生成三維池壁模型圖、三維池壁配筋圖，如圖2所示。

圖2 平法池壁表生成三維池壁模型Fig.2 Three-dimensional pool wall model generated by pool wall table

通過2dTo3d接口技術還可以由平面圖形生成渠道、設備基礎、集水坑、排水溝等構件模型。2dTo3d接口技術利用二維設計成果自動化生成三維設計模型，可有效提升三維設計效率。

2.5.3 建立建模標準規(guī)范

模型是 BIM 技術的基礎，而模型的建立則要有建模標準進行約束。在 BIM 正向設計的過程中，建立一套完善的模型標準規(guī)范至關重要。建模標準可以規(guī)定模型拆分、命名規(guī)范、建模精度及建模深度等內容，直接影響模型的質量。表 1為我公司模型標準規(guī)范中規(guī)定的水處理工程土建模型二、三維表達樣式。

表1 水處理工程土建模型二、三維表達樣式標準規(guī)范Tab.1 Standard specification for two- and threedimensional expression style of civil engineering model of water treatment engineering

2.5.4 參數(shù)化圖庫開發(fā)

以Bentley設計平臺為例，OBD軟件自帶的水工藝圖庫內容較少且僅遵循國外標準，并不能滿足市政水廠類項目的設計要求。因此，有必要進行水工藝圖庫的開發(fā)與擴充，方便設計人員在設計過程中直接調用，提高建模效率。可以使用 OBD提供的參數(shù)化功能建立單元(Cell)庫，隨著參數(shù)化Cell庫與繪制參數(shù)化實體的工具不斷累積，可有效提升 BIM 設計建模效率。圖 3為基于 OBD軟件開發(fā)的參數(shù)化靠壁圓閘門。

圖3 基于OBD軟件開發(fā)的參數(shù)化靠壁圓閘門Fig.3 Parameterized round gate by wall based on OBD software

2.5.5 批量參數(shù)化整體建模

以 Bentley設計平臺為例，可以開發(fā)基于 OBD軟件的參數(shù)化水處理單體。根據(jù)單體計算書的關鍵參數(shù)設置參數(shù)輸入界面，供設計人員輸入，通過數(shù)據(jù)讀取在 OBD軟件平臺上整體生成水處理單體模型，實現(xiàn)復雜模型的整體參數(shù)化建模。圖 4為基于 OBD軟件開發(fā)的粗格柵、進水泵房參數(shù)輸入界面及生成的模型。

圖4 粗格柵、進水泵房參數(shù)輸入界面及生成的模型Fig.4 Input interface of coarse grid and inlet pump room parameters and generated model

3 結 論

①水處理工程作為城市基礎設施的組成部分，其BIM 數(shù)據(jù)是智慧城市數(shù)據(jù)的重要來源，BIM 正向設計將隨著智慧城市的普及運用而成為未來的設計方向。

②當前設計大環(huán)境背景下，BIM 正向設計存在眾多需要解決的問題，如BIM設計效率較低、軟件功能不完善、產出不明確等，提升設計效率是促進 BIM正向設計的第一要務。

③理論上，相較于“翻模”，直接進行 BIM 正向設計具備更高的設計效率。但在當前設計環(huán)境下，需要正確認識正向設計與“翻模”各自的運用場景，并逐步用BIM正向設計取代“翻模”。

④根據(jù)水處理工程運用的設計計算軟件現(xiàn)狀，建議前期認真規(guī)劃 BIM 設計流程，確定各專業(yè)條件圖的提圖形式，慎重選擇BIM建模開始時間點，合理進行BIM建模的專業(yè)分工。

⑤在水處理工程 BIM 技術推廣之前，先行制定統(tǒng)一的設計標準，并將設計標準化定制到設計軟件之中。主要完成字體、文字、圖層及線型、尺寸標注及索引、符號及標記的標準、參數(shù)生成。

⑥在BIM設計平臺的選擇上需要著眼于專業(yè)或行業(yè)的設計功能需求，同時也要立足于長遠打算，考察設計平臺的應用生態(tài)，做好長期使用、二次開發(fā)的準備。

⑦在目前設計環(huán)境下，盡可能地利用多平臺互通技術、2dTo3d接口技術、建立建模標準規(guī)范、參數(shù)化圖庫開發(fā)及批量整體參數(shù)化建模技術等，提升 BIM正向設計效率。

BIM 是智慧城市的基礎數(shù)據(jù)，是“第四次工業(yè)革命”大背景下人工智能技術、計算機信息技術應用的場景之一，BIM 設計在未來具有重要的應用價值。水處理工程BIM設計在當前設計條件下，以標準化、智能化等技術為手段，從“實踐”“需求”“研發(fā)”和“落實”入手，提升 BIM 正向設計效率與設計水平，提升BIM設計價值，推進BIM正向設計發(fā)展。