沈辰楠 馬文新 龔美 張慶維 劉云慧

摘? 要：文章以ArchiCAD為BIM設計平臺，對各類污水廠單體模型進行模塊化設計。針對污水處理構筑物開發(fā)出了一套參數(shù)化建模插件，插件內置相關專業(yè)計算公式，用戶可通過輸入基礎工藝參數(shù)一鍵快速生成滿足投標及初設深度的BIM模型，需要修改設計方案時可對該模型進行二次編輯，通過剖切模型生成的二維圖紙將同步改變。該組參數(shù)化建模插件可以有效幫助設計人員提升工作效率，減少重復性的建模工作。

關鍵詞：BIM設計;給排水工藝構筑物;參數(shù)化;二次開發(fā);ArchiCAD

中圖分類號：TP311 ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）16-0079-04

Application and Secondary Development of BIM Technology in

Sewage Plant Design

——Based on the ArchiCAD Platform

SHEN Chennan， MA Wenxin， GONG Mei， ZHANG Qingwei， LIU Yunhui

（North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin? 300074， China）

Abstract： In this paper， ArchiCAD is used as the BIM design platform to carry out modular design for all kinds of sewage plant monomer models. A set of parametric modeling plug-ins for sewage treatment structures is developed. The plug-ins has built-in related professional calculation formulas. Users can one-click quickly generate BIM model that meets the requirements of bidding and preliminary design stage by entering the basic process parameters. When the design scheme needs to be modified， the model can be edited twice. The 2D drawings generated by cutting the model will be changed synchronously. This group of parametric modeling plug-ins can effectively help designers improve work efficiency and reduce repetitive modeling work.

Keywords： BIM design; water supply and drainage process structure; parameterization; secondary development; ArchiCAD

0? 引? 言

近年來，BIM技術應用較為廣泛，在可視化展示、協(xié)同設計、出圖等方面有著明顯優(yōu)勢，利用BIM技術進行施工指導有利于不同專業(yè)間的協(xié)同設計與復雜工程的順利進行。然而搭建BIM模型的工作量較大，搭建過程占用了大量時間，而且在調整設計方案時往往會產(chǎn)生一些重復性工作，增加了設計人員的負擔[1-3]。目前市面上鮮有針對污水廠構筑物的輔助設計工具，給相關設計工作帶來了困難。因此，快速建模成為提高BIM設計效率的重中之重。

本研究選取構筑物較為復雜的污水處理廠項目，采用ArchiCAD為BIM三維設計平臺，將各類工藝構筑物進行參數(shù)化編程，開發(fā)出的系列插件可在輸入工藝參數(shù)后快速生成能夠滿足投標及初設深度的構筑物模型，實現(xiàn)快速建模以提高設計人員的工作效率;同時，生成的模型也易于二次編輯，方便水工藝設計圖的修改。該系列插件的使用一方面減少了重復性的建模工作，另一方面可以滿足不同設計階段的深化要求。

1? 相關理論和開發(fā)工具

軟件二次開發(fā)是指：在不改變原有軟件內核的前提下，借助軟件提供的應用程序編程接口，在原有軟件基礎上進行定制修改或者功能的擴展，從而實現(xiàn)該軟件最初沒有的功能。

應用程序編程接口（Application Programming Interface， API）是由一組預先定義的函數(shù)組成，它使得計算機軟件之間可以進行相互通信，開發(fā)人員通過API函數(shù)可以輕松完成二次開發(fā)工作，不需要訪問源碼，也不必理解內部工作機制的細節(jié)。

本文開發(fā)工作基于ArchiCAD軟件，ArchiCAD是Graphisoft公司的旗艦產(chǎn)品，也是目前主流的三維建筑設計軟件之一。

本文使用的開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio 2010，它是微軟公司推出的集成開發(fā)環(huán)境，適用于Windows平臺上的應用程序開發(fā)，支持C/C++、MFC、C#等程序的編譯和測試。本文中的設計基于C/C++語言，根據(jù)ArchiCAD提供的API和開發(fā)項目模板進行二次開發(fā)。

此外，還用到ArchiCAD提供的官方二次開發(fā)工具包API Dev. KIT，安裝成功后，開發(fā)包根目錄中包括API參考文檔、類型實例演示、頭文件文件夾以及各種功能靜態(tài)庫等參考文件和資源。

2? 需求分析

開發(fā)工作應該遵循市政工程設計人員在水工藝設計中的工作流程，通過與市政工程設計人員溝通，明確了池體BIM設計工作流程為：

（1）確定池體類型。

（2）書寫計算書。

（3）生成池體模型。

（4）局部修改加工。

（5）放入項目總圖。

（6）出圖、標注。

（7）設計完成。

通過上述對池體BIM設計工作流程的分析，可以得出兩個功能需求：計算書界面功能和生成池體模型功能。

2.1? 計算書界面功能

針對污水廠中不同種類的池體，應該設計相應樣式的計算書。計算書界面包括兩部分內容：池體建模所需要的幾何參數(shù)，符合設計流程和規(guī)范的設計參數(shù)[4，5]。

2.2? 生成池體模型功能

在實際工程設計中，池體的具體樣式會根據(jù)實際業(yè)務需求發(fā)生改變，這就要求系統(tǒng)生成的池體模型不能是一個不能修改的對象，而應該是根據(jù)設計人員的設計需求可以任意修改的模型元素組。因此池體模型的每個元素都必須是以墻、梁、板、柱為基礎的通用組件，方便設計人員在池體模型生成后進行修改和算量統(tǒng)計工作。

3? 開發(fā)流程

基于ArchiCAD平臺，編寫典型的給排水構筑物參數(shù)化插件。針對每種構筑物，我們設計了相應的插件界面，通過在界面上設置所需參數(shù)即可快速地生成滿足需求的模型。

基于C/C++語言，對給排水構筑物建模，進行API開發(fā)。主要開發(fā)任務包括：池體主程序、模態(tài)對話框及回調函數(shù)、工具庫等。

程序的設計入口ArchiCAD的撤銷?；卣{池體主程序。主程序首先調用模態(tài)對話框，利用主界面的回調函數(shù)對輸入的數(shù)據(jù)進行計算整合，生成后臺數(shù)據(jù)結構后將其傳遞給功能API及GDL，自動搭建池體構筑物模型。

綜上所述，給排水構筑物地生成過程大致分為四個步驟：

（1）處理主界面設計數(shù)據(jù)。

（2）調用回調函數(shù)。

（3）調用靜態(tài)庫函數(shù)及設備GDL。

（4）生成給排水構筑物。

給排水構筑物參數(shù)化插件工作流程圖如圖1所示。

后臺通過模態(tài)對話框回調函數(shù)調用專業(yè)設計人員在界面中填寫的數(shù)據(jù)，在后臺計算校核后將數(shù)據(jù)回傳給主界面，再由后臺將主界面數(shù)據(jù)轉換成程序可識別的數(shù)據(jù)結構供靜態(tài)庫功能API調用，用于放置相應構件，此過程實現(xiàn)了給排水構筑物模型的搭建，其中的數(shù)據(jù)流如圖2所示。

4? 參數(shù)化氧化溝插件開發(fā)

插件界面采用列表和分頁相結合的形式設計。每個分頁面中使用了輸入框、選擇框、文本框和按鈕等窗體控件。

每個插件界面在后臺都有自己相應的回調函數(shù)?；卣{函數(shù)實時監(jiān)控操作系統(tǒng)的消息隊列，從消息隊列中，獲取有效操作，并把設計人員通過界面輸入的參數(shù)存入內存之中，同時在后臺對數(shù)據(jù)進行存儲、計算、提取，等待后續(xù)模型生成模塊的調用。

4.1? 編程計算書及界面設計

4.1.1? 污泥計算界面

污泥計算的計算書：

（1）污泥回流濃度：

污泥指數(shù)SVI（單位：m3/d）的系數(shù)r一般取1.2，則Xr= mg/L。

（2）污泥回流比R：

混合液污泥濃度X（單位：mg/L）取2 500～4 000，則 R= 。

4.1.2? 好氧區(qū)有效容積計算界面

好氧區(qū)有效容積V1計算書：

設計流量Q（單位：m3/d），污泥產(chǎn)率系數(shù)Y（單位：kgMLSS/kgBOD5）取0.3～0.6，進水BOD5濃度S0（單位：mg/L），出水BOD5濃度Se（單位：mg/L），全系數(shù)F取1.5～3，硝化菌比生長速率μ=d -1，則：設計污泥齡θc0=，好氧區(qū)有效容積V1= m3。

4.1.3? 缺氧區(qū)有效容積計算界面

缺氧區(qū)有效容積V2計算書：

進水總凱氏氮濃度N0（單位：mg/L），出水總氮濃度Ne（單位：mg/L），脫氮速率Kde（單位：kg NO3-N/kg MLSS·d），MLSS中MLVSS占比y取0～1，則缺氧區(qū)有效容積：，其中? kg MLVSS/d。

4.1.4? 平面尺寸計算界面

平面尺寸的計算書：

共設組，每組格（4，6，8）;有效水深h（單位：m）宜3.5～4.5，超高h1（單位：m），溝寬度B（單位：m），池壁厚度A（單位：m），池中線長度：

（1）

（2）

聯(lián)立（1）（2）解得L直段，至此已獲得全部所需參數(shù)，構建起完整模型。

校核：

水力停留時間=h（參考值8～16），BOD5污泥負荷 kg BOD5/kg MLSS·d（參考值0.05～0.15），其中污泥計算與好氧區(qū)有效容積的界面設計圖如圖3、圖4所示。

4.2? 模型生成

以1組6格奧貝爾氧化溝為例，通過校核反饋，合理填寫、修改工藝參數(shù)，選擇圖層并放置于操作平面，自動生成相應的氧化溝模板模型，模型由墻、梁、板、柱等基本元素構成，可獨立修改調整，便于后期深化設計。

4.2.1? 平面視圖

模型生成后可進行后期加工，調整局部尺寸。

4.2.2? 剖面視圖

通過在平面視圖界面上添加剖面線，即可自動生成對應位置的剖切面。通過調整、添加文字標注與尺寸標注，可以滿足方案階段至初設階段的設計要求。

4.2.3? 模型視圖

在平面操作界面上任意圈取局部，可打開相應位置的三維軸測視角。

輸入基礎尺寸參數(shù)，驅動生成了奧貝爾氧化溝，初步實現(xiàn)了建模目標，滿足了預期要求。該插件生成的模型不是一個整體的GSM對象，它由墻、梁、板、柱等基本構件元素組成，可根據(jù)設計要求進行再次編輯。

其中，模型軸測視圖和模型平面視圖分別如圖5所示。

5? 應用效果

采用ArchiCAD軟件進行池體建模時，首先確定構筑物類型，然后編寫計算書確定池體尺寸結構，最后應用BIM工具繪制池體的三維模型。污水廠內部單體繁多，結構復雜，難免出現(xiàn)專業(yè)或管道間的碰撞問題，此時需要設計人員切換到三維視角，進一步調整模型。模型中的每個部件彼此之間都是獨立的，且單體模型中的構件數(shù)量繁多，當類似項目中需要設計同種工藝的單體時，借用以往設計的模型比較困難，需要修改多個部件，工作量十分繁重，設計人員往往會放棄修改以往的項目，重新進行設計。

采用本文中開發(fā)的水處理構筑物參數(shù)化插件進行池體設計時，設計人員只需根據(jù)設計需求在軟件計算書界面中填寫所需參數(shù)，即可一鍵生成池體BIM模型，操作既簡單又快捷。除此之外，模型可進行再次編輯，深化其應用。本文開發(fā)的參數(shù)化插件在招投標及初設階段幫助設計人員減少了大量重復性的建模工作，減輕了負擔，提高了工作效率。

6? 結 論

本文中開發(fā)的水處理構筑物參數(shù)化插件可以減少重復性的建模工作。通過對各類水工藝構筑物進行參數(shù)化編程，在界面輸入所需工藝參數(shù)，即可一鍵生成滿足投標及初設深度要求的構筑物模型，實現(xiàn)了快速建模，減輕了設計人員的工作負擔，使其將更多精力用于池體設計上面，而不是模型修改上。由于生成的模型支持再次編輯，允許設計人員在其他設計階段對模型進行調整，即可滿足深度要求，不必花費時間重新建模。這樣可以充分發(fā)揮三維設計在各設計階段的應用，有助于三維設計的推廣。

參數(shù)化水工藝構筑物插件的開發(fā)，幫助我院開辟了一條快速建模的道路，借助污水廠項目的實施，充分發(fā)揮了三維設計的優(yōu)勢，加快了BIM技術的推廣，有效地提升了我院在設計企業(yè)中的核心競爭力。

參考文獻：

[1] 張新蘭，李顏強，李文江.積極推進BIM設計技術在市政工程中的應用 [J].中國給水排水，2013，29（8）：63-67.

[2] 姜天凌，蘇杰，李志超，等.三維設計軟件在污水處理廠施工圖設計中的應用 [J].中國給水排水，2015，31（8）：65-69.

[3] 徐亞男，劉純甫，馬放，等.BIM技術在污水處理廠設計中的應用 [J].中國給水排水，2016，32（8）：55-58.

[4] 姜天凌，徐亞男，沈辰楠，等.BIM參數(shù)化技術在污水處理廠三維設計中的應用 [J].給水排水，2020，56（A1）：235-237.

[5] 崔玉川，劉振江，張紹怡，等.城市污水處理設施設計計算：第2版 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

作者簡介：沈辰楠（1988.12—），男，漢族，浙江紹興人，工程師，碩士學位，研究方向：計算機科學與技術;馬文新（1992.12 —），女，漢族，河北唐山人，工程師，碩士研究生，研究方向：計算機與信息化;龔美（1994.09—），女，漢族，河北保定人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：計算機與信息化;張慶維（1984.10—），男，漢族，天津人，助理工程師，本科，研究方向：計算機與信息化;劉云慧（1997.01—），女，滿族，天津人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：市政給水排水。