水处理工程BIM正向设计方法探讨

王晓杰，孙建升，张怡芳，杜恺忻，李 旭，张 欣

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300074)

0 引 言

城市基础设施的建筑信息模型(BIM)是城市信息模型(CIM)的组件，随着智慧城市、智慧园区、智慧工程、智慧建筑等建设的深入发展，“BIM+GIS+物联网+云技术”已经成为智慧城市建设基础技术架构，BIM 已成为智慧城市数据的重要来源，是智慧城市建设中数据层核心组成部分[1-2]。

水处理工程作为城市基础设施的组成部分，其智慧工程建设同样以 BIM 数据为基础，通过深层感知全方位地获取系统数据，进而将数据关联、共享、分析、融合、应用，形成智慧工程。

1 水处理工程设计中BIM应用现状

2015年，住建部正式印发《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》对部分建设项目提出应用BIM 技术的强制要求。虽然政府和建筑各参与方都认识到作为建筑行业数字信息技术核心的BIM技术应用在建筑行业转型升级过程中的重要性，但大多数企业应用 BIM 技术的项目并不多，仅有 7.99%的建筑企业有多于 50个项目应用 BIM 技术，而 46.65%的建筑企业应用BIM技术的项目少于10个[3]。

水处理行业的 BIM 应用复杂度较高，BIM 应用难度较大，水处理工程项目的 BIM 应用数量比例与建筑行业相比较低。但经过多年探索和经验积累，BIM 技术在水处理工程设计中的应用也取得了一定成果。目前，已有水厂将 BIM 用于规划阶段、设计阶段及施工阶段，有些项目实现了 BIM 技术在水厂中的全生命周期应用，例如：姜天凌等[4]、徐亚男等[5]根据项目经验，以实际项目为例介绍了ArchiCAD软件在污水处理厂设计中的应用；林晨等[6]基于 Bentley软件平台将BIM技术全专业地用于通州水厂三维设计；李璐等[7]实现了 BIM 技术在改良 AAO 工艺大型水厂的全过程应用。

2 水处理工程设计中BIM正向设计方法

2.1 正向设计与“翻模”

设计图纸采用二维 CAD完成之后，根据二维CAD图纸建立BIM模型，称之为“翻模”。BIM正向设计是相对于“翻模”建立 BIM 模型而形成的一个概念。二维CAD设计图纸修改后，需要对BIM模型进行相应的修改，如果需要在模型中添加属性数据，则需手动输入属性数据。“翻模”建立的 BIM 模型和 CAD设计图纸没有联动，两者独立存在，BIM 模型是独立于二维设计图纸的一种三维表达方式。

相对于“翻模”，直接通过三维设计软件建立BIM模型一般属于BIM正向设计。根据常规设计流程，BIM 正向设计通常在一套设计系统上进行，先有概念设计和方案设计，然后进行BIM设计，最后剖切BIM 模型生成二维设计图纸，上述设计不依赖于二维设计图纸。

从设计流程来看，对于有模型需求的项目。直接进行 BIM 正向设计避免了“翻模”工作之前的二维设计重复工作，直接由BIM形成二维设计图纸，理论上 BIM 正向设计效率会高一些。但在实际的项目设计中，由于人员技术参差不齐、组织制度不完善、缺乏完善的建模标准及软、硬件条件受限等原因，可能会造成 BIM 正向设计总用时超出二维设计加“翻模”设计总用时的状况。因而“翻模”具有特殊的存在的意义，是在目前二维设计普遍成熟，部分设计项目存在BIM设计需求时，先完成二维设计图纸，再附加进行三维模型设计。

“翻模”是特定设计环境背景下的特殊产物，尽管具有合理的存在性，但从理论角度，在数字化社会大背景下，当数字城市、智慧城市成为普遍城市基础设施的数字化组件，当建筑信息模型(BIM)成为智慧城市建设中数据层的数据核心组成部分时，理论上直接进行 BIM 正向设计相对于“翻模”具备更高的设计效率。

2.2 设计流程探讨

以水处理工程设计为例，项目经过工艺方案设计，提出工艺专业设计条件图、总图后，建筑专业根据工艺条件图进行深化设计，提出符合本专业要求的设计条件图，而后结构专业进行结构计算、复核，提出结构尺寸与结构布置要求。上述过程基本确定了各专业最终设计方案，而后各专业根据最终设计方案，分别进行本专业的施工图设计。在 BIM 正向设计中，按照上述设计流程会出现一系列新情况。

2.2.1 各专业条件图的提图形式

按照 BIM 正向设计概念，二维施工图应当由BIM 模型剖切形成，并具有联动关系。但不能认为任意阶段的设计图都需要由 BIM 模型提供，各专业的条件图则根据项目设计状况，既可采用三维设计模型作为设计条件图，也可以按照二维设计模式，以二维设计图作为专业条件图。

水处理工程设计较常规的民用建筑工程设计规律性弱，目前市场上适用于水处理工程设计的三维设计平台软件在设计功能等方面尚存在完善空间，其中，修改模型的效率尤其有待提高。目前，在三维设计平台软件上修改三维模型往往需要耗费较多的设计工时，甚至修改模型的时间和重新建模时间相当。因此，采用设计效率相对较高的二维设计图纸为主要的设计条件图比较符合当前的BIM设计环境。

2.2.2 BIM建模开始时间点

从水处理工程设计流程可知，只有当结构专业进行结构计算、复核后，工艺、建筑等专业条件图才具有相对可靠的确定性。鉴于当前 BIM 设计环境下修改三维模型的难度较大，建议 BIM 建模的时间点自结构专业计算、复核确定之后开始，以避免进行较大规模的模型修改。

2.2.3 BIM建模的专业分工

在当前的设计环境条件下，结构专业的计算具有较多可应用的国产化设计计算软件，一般通过软件建立力学计算分析模型，例如常采用PKPM系列软件、YJK设计计算软件等建立结构分析模型，进而进行分析计算，并在计算模型中调整构件的几何尺寸及结构布置，满足结构专业的设计需要。

PKPM 系列软件、YJK设计计算软件都具有将计算模型转换为常用格式的 BIM 模型功能， 釆例如用YJK-Revit软件可以将YJK计算模型甚至是三维配筋模型直接输出到 Revit设计平台，从而实现主要梁、板、柱的建模，无需通过Revit重新进行结构建模(主体结构部分建模)，大幅提升了 BIM 正向设计建模效率。上述的PKPM系列软件、YJK设计计算软件的计算建模工作在目前的设计环境下是进行项目设计必不可少的一项工作，通过接口软件迅速将计算模型转换为 BIM 模型，转换工作基本由接口软件自动进行。因此，建议一般情况下结构主体的建模工作由结构专业人员完成，这与传统的二维设计图纸由工艺专业先行绘制有所区别。

2.3 标准制定与标准应用

根据一般的水处理工程二维或三维设计标准，其中仅图层设置就多达1000多项，可以说图层、线型、颜色、字体等设置是一项繁琐的工作，在设计过程中执行复杂的设计标准将会降低设计效率，标准的落实将遇到较大阻力。为此，直接将标准植入到软件里，将大多数可以由软件自动设置的标准化工作由软件自动执行，在实现标准化应用的同时提升设计效率，这样实施标准化的阻力将大幅减小。

在水处理工程 BIM 推广之前，先行制定统一的设计标准，并将设计标准定制到设计软件之中。一般的标准化软件定制工作主要包含如下几个方面。

2.3.1 统一字体、文字设置

目前主流的BIM设计平台为通用类型的可定制开发的三维设计平台，但距离单个用户的具体需求存在一些细节上的差距，一般应结合用户需求，自行定制开发适应性较强且具有个性化的统一字型文件，数量一般控制在 3～5个。字型文件应具有多种符号，且具有可扩展性能，满足不断增多的个性化需求。

字型文件设置后，宜进一步统一字体设置，统一常用设计文字高度，并通过软件实现文字快速编辑以及特殊符号书写等。

2.3.2 图层及线型

在推广BIM正向设计之前，应统一图层设置，规定每一类型构件、实体所应用的图层，并开发构件、实体的智能建模功能，让用户自觉使用能够提高效率的建模功能，自觉实现图层标准化、线型标准化、构件标准化。

2.3.3 尺寸标注

尺寸标注标准化功能是继文字标准化功能后的另一项重要标准化设置工作，在水处理工程项目设计中，首先统一尺寸标注基本设置，且通过软件自动设置，无需设计人自行设置尺寸标注样式。然后，开发尺寸标注功能，实现常规构件的辨别，实现多层次自动化尺寸标注，实现竖向尺寸及标高自动标注等。上述尺寸标注功能可以批量实现尺寸标准化标注，提升设计效率，使得尺寸标注工作由软件定制完成。

2.3.4 符号及标记

水处理工程的BIM正向设计一般也需要绘制部分二维设计图纸，与普通的二维 CAD设计一样，需要使用大量符号及标记。在 BIM 正向设计推广之前，应统一各种符号，建立常用符号库或开发符号库的绘制软件，开发常用符号库的调用功能。常用符号一般包括“图名”“剖切”“索引”“对称”“标高”“水面”和“地面”等。

2.4 设计平台软件与应用生态

目前使用较多的水处理工程BIM平台软件分为国产平台软件与国外平台软件，国外设计平台软件主要有Revit、Bentley、ArchiCAD、Catia等，国产设计平台软件主要有 PKPM-BIM 协同设计系统、YJK结构软件、理正软件、鸿业软件、天正设计软件等。

目前，各个BIM设计平台均有自己的特点，但大多存在通用性与专业性之间的矛盾，难以做到采用一个设计平台就很好地满足BIM设计的多方面功能需求和效率要求。因此，在 BIM 设计平台的选择上需要着眼于专业或者行业的设计功能需求，同时也要立足于长远打算，考察设计平台的应用生态，做好长期使用、开发的准备，以长远的目光选择所需要的设计平台。

一是需要关注所选择的设计平台的接口功能。在目前的 BIM 设计环境下，充分利用好国内外已有的常用软件，提高设计效率，利用具有接口功能的软件，或者自行研发具有行业优势的设计软件接口，提升BIM设计效率。

二是需要关注所选择设计平台的二次开发功能。如字体、图层、线型、符号等设置都需要利用设计平台开放的二次开发接口实现；其他的编辑与修改、构件参数化等复杂设计功能也需要由二次开发实现。

三是需要关注软件升级与培训。软件具有使用周期，且需要经常进行升级以提升使用性能，因此需要不定期开展某些软件的培训。

2.5 提升BIM正向设计效率的途径

2.5.1 多平台互通技术

BIM 设计平台选定之后，需要考虑与常用设计软件的图形接口问题。目前二维设计软件使用较多的是基于 AutoDesk公司的 AutoCAD设计软件，常用的专业设计软件大多与 AutoCAD实现无缝对接，图形转化技术成熟可靠。因此一般首先需要考虑与AutoCAD的图形接口技术问题，充分利用已有的设计成果，提升设计效率。

以Bentley三维设计平台为例，Bentley的.dgn图形文件与 AutoCAD的.dwg图形文件基本上能实现无缝对接，但目前Bentley设计平台软件与PKPM系列设计软件的图形接口文件还不具备，可以使用MicroStation或 OpenBuildings Designer(OBD)提供的开发平台，采用 Visual Studio进行二次开发，实现图形接口功能；或者通过开发 AutoCAD的三维实体功能，间接实现模型转换，从而实现图形接口对接的功能。

2.5.2 2dTo3d接口技术

在二维 CAD设计阶段，设计创意、设计条件图从二维设计图开始，当需要进行BIM设计时，由于二维设计技术比较成熟，效率较高，初期设计仍然可以从二维设计图开始。开发由二维设计图纸参数化建模的2dTo3d接口技术可实现半自动建立三维模型。

通过2dTo3d接口技术可以实现由柱表及柱平法图生成三维柱模型图、三维柱配筋图，如图1所示。

图1 平法柱表生成柱三维配筋模型Fig.1 3D reinforcement model of column generated by column table

由梁平法图可生成三维梁模型图、三维梁配筋图，由池壁平法表及平法图生成三维池壁模型图、三维池壁配筋图，如图2所示。

图2 平法池壁表生成三维池壁模型Fig.2 Three-dimensional pool wall model generated by pool wall table

通过2dTo3d接口技术还可以由平面图形生成渠道、设备基础、集水坑、排水沟等构件模型。2dTo3d接口技术利用二维设计成果自动化生成三维设计模型，可有效提升三维设计效率。

2.5.3 建立建模标准规范

模型是 BIM 技术的基础，而模型的建立则要有建模标准进行约束。在 BIM 正向设计的过程中，建立一套完善的模型标准规范至关重要。建模标准可以规定模型拆分、命名规范、建模精度及建模深度等内容，直接影响模型的质量。表 1为我公司模型标准规范中规定的水处理工程土建模型二、三维表达样式。

表1 水处理工程土建模型二、三维表达样式标准规范Tab.1 Standard specification for two- and threedimensional expression style of civil engineering model of water treatment engineering

2.5.4 参数化图库开发

以Bentley设计平台为例，OBD软件自带的水工艺图库内容较少且仅遵循国外标准，并不能满足市政水厂类项目的设计要求。因此，有必要进行水工艺图库的开发与扩充，方便设计人员在设计过程中直接调用，提高建模效率。可以使用 OBD提供的参数化功能建立单元(Cell)库，随着参数化Cell库与绘制参数化实体的工具不断累积，可有效提升 BIM 设计建模效率。图 3为基于 OBD软件开发的参数化靠壁圆闸门。

图3 基于OBD软件开发的参数化靠壁圆闸门Fig.3 Parameterized round gate by wall based on OBD software

2.5.5 批量参数化整体建模

以 Bentley设计平台为例，可以开发基于 OBD软件的参数化水处理单体。根据单体计算书的关键参数设置参数输入界面，供设计人员输入，通过数据读取在 OBD软件平台上整体生成水处理单体模型，实现复杂模型的整体参数化建模。图 4为基于 OBD软件开发的粗格栅、进水泵房参数输入界面及生成的模型。

图4 粗格栅、进水泵房参数输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 结 论

①水处理工程作为城市基础设施的组成部分，其BIM 数据是智慧城市数据的重要来源，BIM 正向设计将随着智慧城市的普及运用而成为未来的设计方向。

②当前设计大环境背景下，BIM 正向设计存在众多需要解决的问题，如BIM设计效率较低、软件功能不完善、产出不明确等，提升设计效率是促进 BIM正向设计的第一要务。

③理论上，相较于“翻模”，直接进行 BIM 正向设计具备更高的设计效率。但在当前设计环境下，需要正确认识正向设计与“翻模”各自的运用场景，并逐步用BIM正向设计取代“翻模”。

④根据水处理工程运用的设计计算软件现状，建议前期认真规划 BIM 设计流程，确定各专业条件图的提图形式，慎重选择BIM建模开始时间点，合理进行BIM建模的专业分工。

⑤在水处理工程 BIM 技术推广之前，先行制定统一的设计标准，并将设计标准化定制到设计软件之中。主要完成字体、文字、图层及线型、尺寸标注及索引、符号及标记的标准、参数生成。

⑥在BIM设计平台的选择上需要着眼于专业或行业的设计功能需求，同时也要立足于长远打算，考察设计平台的应用生态，做好长期使用、二次开发的准备。

⑦在目前设计环境下，尽可能地利用多平台互通技术、2dTo3d接口技术、建立建模标准规范、参数化图库开发及批量整体参数化建模技术等，提升 BIM正向设计效率。

BIM 是智慧城市的基础数据，是“第四次工业革命”大背景下人工智能技术、计算机信息技术应用的场景之一，BIM 设计在未来具有重要的应用价值。水处理工程BIM设计在当前设计条件下，以标准化、智能化等技术为手段，从“实践”“需求”“研发”和“落实”入手，提升 BIM 正向设计效率与设计水平，提升BIM设计价值，推进BIM正向设计发展。