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(shè)計研究總院有限公司 天津300074)

0 引 言

城市基礎(chǔ)設(shè)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(shè)的深入發(fā)展，“BIM+GIS+物聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)”已經(jīng)成為智慧城市建設(shè)基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)，BIM 已成為智慧城市數(shù)據(jù)的重要來源，是智慧城市建設(shè)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(chǔ)設(shè)施的組成部分，其智慧工程建設(shè)同樣以 BIM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(guān)聯(lián)、共享、分析、融合、應(yīng)用，形成智慧工程。

1 水處理工程設(shè)計中BIM應(yīng)用現(xiàn)狀

2015年，住建部正式印發(fā)《關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》對部分建設(shè)項目提出應(yīng)用BIM 技術(shù)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(shù)核心的BIM技術(shù)應(yīng)用在建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中的重要性，但大多數(shù)企業(yè)應(yīng)用 BIM 技術(shù)的項目并不多，僅有 7.99%的建筑企業(yè)有多于 50個項目應(yīng)用 BIM 技術(shù)，而 46.65%的建筑企業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)的項目少于10個[3]。

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

2 水處理工程設(shè)計中BIM正向設(shè)計方法

2.1 正向設(shè)計與“翻?！?/h3>

設(shè)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?！?。BIM正向設(shè)計是相對于“翻?！苯?BIM 模型而形成的一個概念。二維CAD設(shè)計圖紙修改后，需要對BIM模型進行相應(yīng)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)?！胺！苯⒌?BIM 模型和 CAD設(shè)計圖紙沒有聯(lián)動，兩者獨立存在，BIM 模型是獨立于二維設(shè)計圖紙的一種三維表達方式。

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

從設(shè)計流程來看，對于有模型需求的項目。直接進行 BIM 正向設(shè)計避免了“翻?！惫ぷ髦暗亩S設(shè)計重復(fù)工作，直接由BIM形成二維設(shè)計圖紙，理論上 BIM 正向設(shè)計效率會高一些。但在實際的項目設(shè)計中，由于人員技術(shù)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(shè)計總用時超出二維設(shè)計加“翻?！痹O(shè)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(shè)計普遍成熟，部分設(shè)計項目存在BIM設(shè)計需求時，先完成二維設(shè)計圖紙，再附加進行三維模型設(shè)計。

“翻?！笔翘囟ㄔO(shè)計環(huán)境背景下的特殊產(chǎn)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(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化組件，當建筑信息模型(BIM)成為智慧城市建設(shè)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(shè)計相對于“翻模”具備更高的設(shè)計效率。

2.2 設(shè)計流程探討

以水處理工程設(shè)計為例，項目經(jīng)過工藝方案設(shè)計，提出工藝專業(yè)設(shè)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(shè)計，提出符合本專業(yè)要求的設(shè)計條件圖，而后結(jié)構(gòu)專業(yè)進行結(jié)構(gòu)計算、復(fù)核，提出結(jié)構(gòu)尺寸與結(jié)構(gòu)布置要求。上述過程基本確定了各專業(yè)最終設(shè)計方案，而后各專業(yè)根據(jù)最終設(shè)計方案，分別進行本專業(yè)的施工圖設(shè)計。在 BIM 正向設(shè)計中，按照上述設(shè)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(shè)計概念，二維施工圖應(yīng)當由BIM 模型剖切形成，并具有聯(lián)動關(guān)系。但不能認為任意階段的設(shè)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(shè)計狀況，既可采用三維設(shè)計模型作為設(shè)計條件圖，也可以按照二維設(shè)計模式，以二維設(shè)計圖作為專業(yè)條件圖。

水處理工程設(shè)計較常規(guī)的民用建筑工程設(shè)計規(guī)律性弱，目前市場上適用于水處理工程設(shè)計的三維設(shè)計平臺軟件在設(shè)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(shè)計平臺軟件上修改三維模型往往需要耗費較多的設(shè)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(shè)計效率相對較高的二維設(shè)計圖紙為主要的設(shè)計條件圖比較符合當前的BIM設(shè)計環(huán)境。

2.2.2 BIM建模開始時間點

從水處理工程設(shè)計流程可知，只有當結(jié)構(gòu)專業(yè)進行結(jié)構(gòu)計算、復(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)專業(yè)計算、復(fù)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(shè)計環(huán)境條件下，結(jié)構(gòu)專業(yè)的計算具有較多可應(yīng)用的國產(chǎn)化設(shè)計計算軟件，一般通過軟件建立力學(xué)計算分析模型，例如常采用PKPM系列軟件、YJK設(shè)計計算軟件等建立結(jié)構(gòu)分析模型，進而進行分析計算，并在計算模型中調(diào)整構(gòu)件的幾何尺寸及結(jié)構(gòu)布置，滿足結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計需要。

PKPM 系列軟件、YJK設(shè)計計算軟件都具有將計算模型轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)建模(主體結(jié)構(gòu)部分建模)，大幅提升了 BIM 正向設(shè)計建模效率。上述的PKPM系列軟件、YJK設(shè)計計算軟件的計算建模工作在目前的設(shè)計環(huán)境下是進行項目設(shè)計必不可少的一項工作，通過接口軟件迅速將計算模型轉(zhuǎn)換為 BIM 模型，轉(zhuǎn)換工作基本由接口軟件自動進行。因此，建議一般情況下結(jié)構(gòu)主體的建模工作由結(jié)構(gòu)專業(yè)人員完成，這與傳統(tǒng)的二維設(shè)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(yīng)用

根據(jù)一般的水處理工程二維或三維設(shè)計標準，其中僅圖層設(shè)置就多達1000多項，可以說圖層、線型、顏色、字體等設(shè)置是一項繁瑣的工作，在設(shè)計過程中執(zhí)行復(fù)雜的設(shè)計標準將會降低設(shè)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(shè)置的標準化工作由軟件自動執(zhí)行，在實現(xiàn)標準化應(yīng)用的同時提升設(shè)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(shè)計標準，并將設(shè)計標準定制到設(shè)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(shè)置

目前主流的BIM設(shè)計平臺為通用類型的可定制開發(fā)的三維設(shè)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(yīng)結(jié)合用戶需求，自行定制開發(fā)適應(yīng)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(yīng)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(shè)置后，宜進一步統(tǒng)一字體設(shè)置，統(tǒng)一常用設(shè)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(shè)計之前，應(yīng)統(tǒng)一圖層設(shè)置，規(guī)定每一類型構(gòu)件、實體所應(yīng)用的圖層，并開發(fā)構(gòu)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(gòu)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(shè)置工作，在水處理工程項目設(shè)計中，首先統(tǒng)一尺寸標注基本設(shè)置，且通過軟件自動設(shè)置，無需設(shè)計人自行設(shè)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(gòu)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(shè)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(shè)計一般也需要繪制部分二維設(shè)計圖紙，與普通的二維 CAD設(shè)計一樣，需要使用大量符號及標記。在 BIM 正向設(shè)計推廣之前，應(yīng)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(diào)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(shè)計平臺軟件與應(yīng)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(chǎn)平臺軟件與國外平臺軟件，國外設(shè)計平臺軟件主要有Revit、Bentley、ArchiCAD、Catia等，國產(chǎn)設(shè)計平臺軟件主要有 PKPM-BIM 協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)、YJK結(jié)構(gòu)軟件、理正軟件、鴻業(yè)軟件、天正設(shè)計軟件等。

目前，各個BIM設(shè)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(shè)計平臺就很好地滿足BIM設(shè)計的多方面功能需求和效率要求。因此，在 BIM 設(shè)計平臺的選擇上需要著眼于專業(yè)或者行業(yè)的設(shè)計功能需求，同時也要立足于長遠打算，考察設(shè)計平臺的應(yīng)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(shè)計平臺。

一是需要關(guān)注所選擇的設(shè)計平臺的接口功能。在目前的 BIM 設(shè)計環(huán)境下，充分利用好國內(nèi)外已有的常用軟件，提高設(shè)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(shè)計軟件接口，提升BIM設(shè)計效率。

二是需要關(guān)注所選擇設(shè)計平臺的二次開發(fā)功能。如字體、圖層、線型、符號等設(shè)置都需要利用設(shè)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(gòu)件參數(shù)化等復(fù)雜設(shè)計功能也需要由二次開發(fā)實現(xiàn)。

三是需要關(guān)注軟件升級與培訓(xùn)。軟件具有使用周期，且需要經(jīng)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(xùn)。

2.5 提升BIM正向設(shè)計效率的途徑

2.5.1 多平臺互通技術(shù)

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

以Bentley三維設(shè)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(shè)計平臺軟件與PKPM系列設(shè)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(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)圖形接口對接的功能。

2.5.2 2dTo3d接口技術(shù)

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

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

2.5.3 建立建模標準規(guī)范

模型是 BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)，而模型的建立則要有建模標準進行約束。在 BIM 正向設(shè)計的過程中，建立一套完善的模型標準規(guī)范至關(guān)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(nèi)容，直接影響模型的質(zhì)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(shè)計平臺為例，OBD軟件自帶的水工藝圖庫內(nèi)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(shè)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(shè)計人員在設(shè)計過程中直接調(diào)用，提高建模效率?？梢允褂?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(shè)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(shè)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(guān)鍵參數(shù)設(shè)置參數(shù)輸入界面，供設(shè)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(fù)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(jié) 論

①水處理工程作為城市基礎(chǔ)設(shè)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(shè)計將隨著智慧城市的普及運用而成為未來的設(shè)計方向。

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

③理論上，相較于“翻?！?，直接進行 BIM 正向設(shè)計具備更高的設(shè)計效率。但在當前設(shè)計環(huán)境下，需要正確認識正向設(shè)計與“翻?！备髯缘倪\用場景，并逐步用BIM正向設(shè)計取代“翻模”。

④根據(jù)水處理工程運用的設(shè)計計算軟件現(xiàn)狀，建議前期認真規(guī)劃 BIM 設(shè)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(shù)推廣之前，先行制定統(tǒng)一的設(shè)計標準，并將設(shè)計標準化定制到設(shè)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(shè)計平臺的選擇上需要著眼于專業(yè)或行業(yè)的設(shè)計功能需求，同時也要立足于長遠打算，考察設(shè)計平臺的應(yīng)用生態(tài)，做好長期使用、二次開發(fā)的準備。

⑦在目前設(shè)計環(huán)境下，盡可能地利用多平臺互通技術(shù)、2dTo3d接口技術(shù)、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(shù)等，提升 BIM正向設(shè)計效率。

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