BIM 技术在虾子河污水处理厂设计中的应用

江 帅， 史 峰

（湖南惟创环境科技有限公司成都分公司， 成都 610095）

0 引言

二维设计对于复杂的地下污水处理厂来说，存在很多不足之处，无法发现空间错综复杂的设计问题。三维设计这个新兴产物在建筑业的应用，引起了设计行业的广泛关注，三维模式的设计能够更直观地表达，并且模型包含数据，引发了很多设计者对于三维设计的探索。本着能以更高的效率，更优质的设计质量为初衷，对地下污水处理厂进行三维可视化设计。

1 项目概况

虾子河污水处理及再生水回用工程位于遵义市红花岗区朱家湾路名城小学西南侧，工程选址总用地面积31 亩，箱体平面尺寸（51.18～96.18）×（57.40～77.40）m，主体深度13.3m，设计总规模5.0 万m3/d，出水水质满足国家一级A 标准。虾子河污水厂效果图如图1 所示。

图1 污水厂效果图

本工程包括污水处理厂工程内的构筑物、建筑物、管线、设备购置、工艺安装、电气、仪表、自动化控制等工程、进出水管网工程以及红线内道路工程等。

本项目设计深度为施工图设计深度，本着环境友好、土地集约，污水处理厂采用全地下式双层加盖的形式，工艺流程图如图2 所示。

图2 工艺流程图

工艺单体部分全部位于地下，构筑物形式复杂多样，水渠管道空间关系繁琐紧密，回流处理形式灵活多变；结构柱网密集，梁空间升降关系复杂；再加上工艺管线及设备数量种类繁多，预留洞口、预埋件数量多，定位精度要求高[1]，使得传统的二维设计容易出现设计问题。为了解决问题，本项目采用BIM 三维可视化设计、建模、参数化族、管道综合优化、出图、统计、交互式成果输出的方式，深入探索三维设计在市政行业中的应用[2]。

本项目模型深度达到Lod350，包括机电管道、管道连接附件、参数化工艺设备族、设备参数、混凝土构件具体构造、混凝土标号、构件材料等信息。箱体模型中还包括机电设备、支吊架、楼梯、栏杆、消火栓、盖板等构件。模型深度选取依据是为了使每个细节在设计中都合理体现，从而达到优化设计的效果。

2 BIM 软件的选择

BIM 是Building Information Modeling[3]的简写，中文意思为建筑信息模型，重点是Information。采用BIM 的方式是从另一种思维角度进行设计，相对于传统二维设计而言，BIM 设计所涉及的软件有所差异。所以选取能承载模型信息的设计软件为主，它的优点主要凸显在可视化、协调性、优化性、模拟性以及可出图性等五大特性[4]。

项目采用Autodesk 平台软件：Revit、Navisworks，是现阶段主流的设计软件，设计模式同传统二维模式相似，且信息成果能与大部分软件共享，达到一模通用的效果。辅助设计软件有Twinmotion、Fuzor、CAD 等，计算方面配合一系列的软件如PKPM 等。本工程主要采用Revit 软件进行设计、优化、统计、出图。

3 BIM 技术实施路线

本项目BIM 工作设计流程，专业之间配合的实施路线如图3 所示。

图3 设计工作流程

经过以上技术路线，将流程通过工作集的形式拆分给相应的专业。各专业设计在各自模型中修改，再通过同步的形式整合在同一个中心文件。其他专业通过对中心文件的访问，能第一时间了解到项目进度，以及模型修改及变动的地方。轴网、标高系统统一由一个专业负责创建，其他专业通过加载链接轴网，保证所有专业在同一套轴网以及标高系统中进行设计。

4 工艺单体设计

地下污水厂箱体设计，包含了不同工艺的污水处理单体，而每一个单体构筑物中，又包含了工艺、结构、建筑、暖通、电气、自控、消防等多个专业的设计，各专业之间协同设计。本项目主要拆分为预处理系统（粗格栅、提升泵房、细格栅及精细格栅）、生化处理系统、深度处理及回用系统（高效沉淀池、活性砂滤池、紫外线消毒渠、巴式计量槽、尾水泵房）。每个单体中各专业的设计工作，都基于同一个中心文件，以及同一个模型进行设计，使每个信息都能第一时间传达给其他相关专业，实现信息实时互通。

4.1 项目样板

启动设计之前，首先要定制项目样板，统一化的项目样板能规范不同设计人员对于同一种构件的表达形式以及出图样式，同时也是拼接模型能够高度统一的前提。一套完整的项目样板是需要积累的，对每个构件的尺寸、命名、材质、系统都进行明确的规定。根据本公司制定的《Revit 标准化手册》（如图4 所示），对每个构件进行详细的约定，确保不同设计人员设计样式的一致性。

图4 Revit 标准化手册

项目样板文件一般由项目经理或者BIM 负责人根据标准化手册统一建立，并根据后期项目的需求进行定期的维护与更新。其主要包含以下内容：（1）项目信息。（2）基本设置：包括项目参数、单位、线宽线样式、构件材质、图层设置。（3）项目样板：包括三维试图样板、平面出图样板、剖面样板、大样图样板、视图比例、视图详细程度、构件可见性、规程显隐。（4）项目基点定位、项目总体轴网定位（每个工艺单体，每个专业设计人员使用同一个轴网坐标，方便后期模型整合与碰撞检查）。（5）企业化项目族库（族的积累，污水厂中的门窗、大样以及工艺设备的参数化族进行分门别类）。（6）视图样板设置（样板设置分为土建视图样板、工艺视图样板、协同视图样板，样板间的切换能够满足各专业间设计的实际需求）。（7）机电、工艺管道系统创建（不同颜色代表不同功能的管道，以专业为大类进行区分（如图5 所示），设置专业可见性，隐藏不需要表达的专业）。

图5 机电专业管线颜色分类

4.2 项目协同

采用协同工作的设计模式。建立中心文件，每个工艺单体部分分专业（工艺、结构、建筑、暖通及电预控）开展工作，各个专业的设计人员以不同子工作集的形式进行各自的设计任务，各自的设计模型的更新与修改以同步的方式整合到中心文件中，形成工艺单体模型。以高效沉淀池为例，工作集划分如图6 所示。

图6 工作集划分

各个专业确保设计信息的实时更新并同步[5]，使参与设计的各专业人员能第一时间掌握模型的最新情况，提前预留空间位置或避开构筑物占据的空间，避免产生与本专业的设计碰撞问题。

4.3 参数化族库

基于Revit 的软件自带的族，如梁、板、柱、墙、栏杆等，提供了供使用功能的基本需求，为了适应项目的要求，需要修改其中的属性（命名规则、材料、统计运算法则、可见性规则）。污水厂中的设备都是非标准化的族，需要通过创建族文件进行建立。族的创建方式采用参数化集成族（嵌套族），比如能够通用的小族像电机、螺丝、连接件等，以参数的方式驱动每一块构件的尺寸形状，使其能够通过数据来改变，提高重复利用率，节省时间。

通过对各个不同项目族的收集以及优化，创建参数化设备族库。族的形式为嵌套族，其优点是可以用参数驱动更加复杂的设备，使设备的大小形体能够满足模型精度以及平面、剖面直接出图。部分参数化工艺设备族如图7 所示。

图7 参数化工艺设备族

4.4 参数化工艺单体设计

在工艺设计中，对于通用的工艺单体部分，建立单独的全局参数模型。对于池体的长、宽、高，以及池壁构筑物墙体的厚度，均输入对应的参数或者修改对应的族进行联动。池底标高、渠道标高、顶板标高等信息，通过建立标高层进行关联。过水、引水等构筑物的定位关联在辅助参考平面，参考平面与池壁的关系采用参数驱动。

工艺设计时，根据工艺对污水处理量的要求，输入设计水量，挂接计算公式，输出工艺单体的长、宽、高，以及所涉及到的渠道等一系列过水、引水等构筑物的尺寸及定位数值，如图8 所示。

图8 参数计算表

将得到的数据结果，挂接到模型对应的全局参数中，模型则根据参数调整到相应的尺寸，并在此基础上进行深化设计。设定好所有的全局参数，确保每个参数对模型的驱动无误，输入计算得到的数据结果，使得工艺单体尺寸调整完毕。在得到的单体模型上，添加参数化设备、洞口、盖板以及所需的工艺管道等构件，最后上传同步到中心文件中，为辅助专业设计提供承载信息的模型。

4.5 辅助专业单体模型设计

工艺各部分单体尺寸初步确定后，进行单体预拼装，确定每个单体的相对位置、标高关系，在满足工艺流程的前提下，以保证渠道的水流导向正确，各工艺区配合衔接得当。预留单体构筑物间的走道及走廊等公共区域，明确操作层的功能分区。在Revit 中，使用模板中设定好的基本族，建立完善箱体中其它部位所需的墙体结构，板体加盖结构等。（1）结构专业：结合工艺箱体的总平面图，布置结构基础以及结构柱网。各单体的结构设计人员，根据总体柱网布置，完善工艺单体中的墙、梁、板等其它结构构件。箱体覆土层和工艺池体间的公共区域的梁板，由总图人员负责。结构信息导入软件PKPM 进行计算，将结果返给各单体及总图人员，修改并优化各个结构构件的尺寸大小，以满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，更新Revit 结构构件并同步中心文件。（2）建筑设计：根据箱体总体布局，建筑考虑消防分区，设置消防楼梯疏散通道，布置公共区域及操作层的功能分区，满足箱体使用需求及相关的设计规范，使用墙、楼梯、栏杆、门窗等族，构建建筑模型，更新Revit 建筑模型并同步中心文件。（3）暖通设计：根据使用要求，对箱体中的设备用房、楼梯间、消防分区以及公共区域设置通风防排烟系统，对有除臭等特殊要求的区域设计除臭系统。用模板里的系统族在对应的标高进行设计，避开结构、工艺设备等构件。更新Revit 暖通模型并同步中心文件。（4）水、电气、自控、消防等专业，根据各自专业的规范要求以及使用合理性要求进行三维可视化设计，可链接暖通等其他专业，避让结构构件以及尺寸较大的管道或桥架。完成设计后进行模型同步，更新中心文件。

4.6 箱体模型整合与优化

中心文件链接所有专业的模型，包括工艺、结构、建筑、暖通、水、电气、自控、消防，如图9 所示。

图9 高效沉淀池模型

各专业设计人员通过Revit 软件，勾选需要碰撞检查的专业（硬碰撞），发现并修改问题。例如建筑、结构专业之间的碰撞，检查门窗，洞口是否与结构构件出现碰撞，发现问题并及时修改反应在模型中，同步使其他专业也能第一时间获得修改信息。各设计人员在自己的工作权限内完善模型，涉及到多专业之间的修改时，组织沟通讨论，得出最优解决方案。

硬碰撞用软件检查，软碰撞[2]用浏览漫游方式检查。将整体模型轻量化导入Navisworks 中（使模型轻量化），通过漫游的形式，检查设计不合理之处。例如使用空间净空不满足要求，管道影响通行，没有足够的检修空间等问题。

综合各专业管线：水管、风管、桥架、工艺管道，将管线合理排布；综合支吊架，提升净高与整洁度。优化后的模型如图10、11 所示。

图10 负一层箱体剖面

图11 负二层箱体剖面

4.7 出图

污水厂空间布局复杂，需大量平面、立面、剖面图才能将各区域的构造表达清楚。传统的二维画法效率低且错误率高。利用Revit 实体模型，可快速准确地生成平、立、剖面图以及局部大样图，节约设计、校核的工作时间。模型可在软件中进行实时关联，修改一处，对应图纸随即自动修改，进一步提升工作效率，如图12 所示。

图12 Revit 出图

4.8 工程量统计

Revit 模型承载了构件的基本信息，由于这种特殊性质，软件能够直接对模型的体积、面积、长度以及数量等信息进行工程量提取。以机电管线为例，软件可直接提取管线的管件及管道长度等信息，如图13 所示。

图13 设备管道统计表

4.9 虚拟漫游模型应用交付

模型通过插件，导出轻量化fbx 文件，再将文件导入漫游软件中。修改模型中的材质、环境光等参数，使模型在箱体中浏览更接近现实，并生成文件交付。箱体负二层公共区域的漫游视角，如图14 所示。

图14 漫游视角

5 成果与问题分析

三维设计，优点颇多，仍有不足。

（1）前期工作量大。准备一套完整的标准，以及标准模板，需要多个项目和工程经验的累积。图层的设置、剖切面形式的表达、线宽线形的选择，都要与当前的设计标准统一，设置标准模板步骤繁琐。

（2）族库短缺。Autodesk 公司的软件，族的使用方式对于国内设计者不太友好，因此族的收集与创建不可或缺。此外，根据商家提供的不同参数，族尺寸可发生变化。参数化的设备族只能解决一部分因尺寸大小而改变的问题，但无法应对外形或者工艺的改变。

目前外网有个解决思路可以借鉴（如图15 所示），各商家对于自己的产品出一套族，族格式涵盖目前主流的三维软件，用户可通过下载使用。此思路能减少重复的工作量，且参数的透明也利于客户的选择。

图15 Bimobject 族与下载界面

（3）图面表达的问题。Revit 在三维表达上功能比较完善，但在二维表达上仍有所欠缺。管线的管道附件，平面表达时是以图例的形式，否则不满足出图要求。建筑、结构图上有些表达方式，通过直接出图的形式也不完全正确，需要处理。修改细节的工作量不容忽视。可以通过导出CAD 格式，再进行细微调整后出平面图、立面图、剖面图。大样图的短板也存在，Revit 中没有太多图例，导致一些大样图还是需要CAD 来辅助。

（4）结构有关钢筋的出图问题。想直接在Revit 中链接结构的计算结果，生成钢筋信息，目前的技术还不太成熟，不能直接承接计算结果并赋予在模型中，这部分工作量要是通过人工手动输入完成，或者通过第三方插件进行识别，识别率当然也是各有千秋。所以结构还是得通过Revit 导出，得到的CAD 模板图再进行配筋出图。希望以后的软件在数据共享中能够实现互通。

6 结束语

BIM 技术在虾子河污水处理厂中的应用，参数化族库的建立、工艺单体的参数化设计、专业间的协同与优化、碰撞检查、三维可视化浏览、工程量统计以及出图等方面都具有其独特的亮点，相对于传统的二维设计来说，有其不可匹敌的优势。正因为如此，BIM 技术才被业内人士肯定，并逐渐研究及推广。

但是国内BIM 技术还处在发展上升阶段，一方面在于其对人才的要求比较高，对于设计员来说，要换一种模式进行设计，接受起来还是需要一段时间，如同当年手绘转CAD 电脑制图，也经历了漫长的过渡；对于建设方来说，怎样用好BIM 也需要进行有针对性的培训。另一方面，对于软件的更新迭代要求比较高，许多功能需要程序员来开发实现，这也是现在国内五花八门的第三方插件崛起的原因，软件自带的功能已经不能满足设计师对新兴领域的探索。

现在很多政策的利好以及国内高校陆续开展BIM 课程，来以此刺激BIM 行业的发展。相信通过政策以及BIMer[3]的不断努力，BIM 技术将会得到更进一步的突破，相信以后BIM 会更好地服务于市政和建筑行业领域。