BIM技術(shù)在污水廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與二次開發(fā)

沈辰楠 馬文新 龔美 張慶維 劉云慧

摘? 要：文章以ArchiCAD為BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)各類污水廠單體模型進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。針對(duì)污水處理構(gòu)筑物開發(fā)出了一套參數(shù)化建模插件，插件內(nèi)置相關(guān)專業(yè)計(jì)算公式，用戶可通過輸入基礎(chǔ)工藝參數(shù)一鍵快速生成滿足投標(biāo)及初設(shè)深度的BIM模型，需要修改設(shè)計(jì)方案時(shí)可對(duì)該模型進(jìn)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(shè)計(jì)人員提升工作效率，減少重復(fù)性的建模工作。

關(guān)鍵詞：BIM設(shè)計(jì);給排水工藝構(gòu)筑物;參數(shù)化;二次開發(fā);ArchiCAD

中圖分類號(hào)：TP311 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)應(yīng)用較為廣泛，在可視化展示、協(xié)同設(shè)計(jì)、出圖等方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工指導(dǎo)有利于不同專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)與復(fù)雜工程的順利進(jìn)行。然而搭建BIM模型的工作量較大，搭建過程占用了大量時(shí)間，而且在調(diào)整設(shè)計(jì)方案時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一些重復(fù)性工作，增加了設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)[1-3]。目前市面上鮮有針對(duì)污水廠構(gòu)筑物的輔助設(shè)計(jì)工具，給相關(guān)設(shè)計(jì)工作帶來了困難。因此，快速建模成為提高BIM設(shè)計(jì)效率的重中之重。

本研究選取構(gòu)筑物較為復(fù)雜的污水處理廠項(xiàng)目，采用ArchiCAD為BIM三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，將各類工藝構(gòu)筑物進(jìn)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(biāo)及初設(shè)深度的構(gòu)筑物模型，實(shí)現(xiàn)快速建模以提高設(shè)計(jì)人員的工作效率;同時(shí)，生成的模型也易于二次編輯，方便水工藝設(shè)計(jì)圖的修改。該系列插件的使用一方面減少了重復(fù)性的建模工作，另一方面可以滿足不同設(shè)計(jì)階段的深化要求。

1? 相關(guān)理論和開發(fā)工具

軟件二次開發(fā)是指：在不改變?cè)熊浖?nèi)核的前提下，借助軟件提供的應(yīng)用程序編程接口，在原有軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行定制修改或者功能的擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)該軟件最初沒有的功能。

應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface， API）是由一組預(yù)先定義的函數(shù)組成，它使得計(jì)算機(jī)軟件之間可以進(jìn)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(nèi)部工作機(jī)制的細(xì)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(shè)計(jì)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(tái)上的應(yīng)用程序開發(fā)，支持C/C++、MFC、C#等程序的編譯和測(cè)試。本文中的設(shè)計(jì)基于C/C++語(yǔ)言，根據(jù)ArchiCAD提供的API和開發(fā)項(xiàng)目模板進(jìn)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(shí)例演示、頭文件文件夾以及各種功能靜態(tài)庫(kù)等參考文件和資源。

2? 需求分析

開發(fā)工作應(yīng)該遵循市政工程設(shè)計(jì)人員在水工藝設(shè)計(jì)中的工作流程，通過與市政工程設(shè)計(jì)人員溝通，明確了池體BIM設(shè)計(jì)工作流程為：

（1）確定池體類型。

（2）書寫計(jì)算書。

（3）生成池體模型。

（4）局部修改加工。

（5）放入項(xiàng)目總圖。

（6）出圖、標(biāo)注。

（7）設(shè)計(jì)完成。

通過上述對(duì)池體BIM設(shè)計(jì)工作流程的分析，可以得出兩個(gè)功能需求：計(jì)算書界面功能和生成池體模型功能。

2.1? 計(jì)算書界面功能

針對(duì)污水廠中不同種類的池體，應(yīng)該設(shè)計(jì)相應(yīng)樣式的計(jì)算書。計(jì)算書界面包括兩部分內(nèi)容：池體建模所需要的幾何參數(shù)，符合設(shè)計(jì)流程和規(guī)范的設(shè)計(jì)參數(shù)[4，5]。

2.2? 生成池體模型功能

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，池體的具體樣式會(huì)根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)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(gè)不能修改的對(duì)象，而應(yīng)該是根據(jù)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)需求可以任意修改的模型元素組。因此池體模型的每個(gè)元素都必須是以墻、梁、板、柱為基礎(chǔ)的通用組件，方便設(shè)計(jì)人員在池體模型生成后進(jìn)行修改和算量統(tǒng)計(jì)工作。

3? 開發(fā)流程

基于ArchiCAD平臺(tái)，編寫典型的給排水構(gòu)筑物參數(shù)化插件。針對(duì)每種構(gòu)筑物，我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的插件界面，通過在界面上設(shè)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(yǔ)言，對(duì)給排水構(gòu)筑物建模，進(jìn)行API開發(fā)。主要開發(fā)任務(wù)包括：池體主程序、模態(tài)對(duì)話框及回調(diào)函數(shù)、工具庫(kù)等。

程序的設(shè)計(jì)入口ArchiCAD的撤銷?；卣{(diào)池體主程序。主程序首先調(diào)用模態(tài)對(duì)話框，利用主界面的回調(diào)函數(shù)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整合，生成后臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后將其傳遞給功能API及GDL，自動(dòng)搭建池體構(gòu)筑物模型。

綜上所述，給排水構(gòu)筑物地生成過程大致分為四個(gè)步驟：

（1）處理主界面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

（2）調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

（3）調(diào)用靜態(tài)庫(kù)函數(shù)及設(shè)備GDL。

（4）生成給排水構(gòu)筑物。

給排水構(gòu)筑物參數(shù)化插件工作流程圖如圖1所示。

后臺(tái)通過模態(tài)對(duì)話框回調(diào)函數(shù)調(diào)用專業(yè)設(shè)計(jì)人員在界面中填寫的數(shù)據(jù)，在后臺(tái)計(jì)算校核后將數(shù)據(jù)回傳給主界面，再由后臺(tái)將主界面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成程序可識(shí)別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)供靜態(tài)庫(kù)功能API調(diào)用，用于放置相應(yīng)構(gòu)件，此過程實(shí)現(xiàn)了給排水構(gòu)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(yè)相結(jié)合的形式設(shè)計(jì)。每個(gè)分頁(yè)面中使用了輸入框、選擇框、文本框和按鈕等窗體控件。

每個(gè)插件界面在后臺(tái)都有自己相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。回調(diào)函數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控操作系統(tǒng)的消息隊(duì)列，從消息隊(duì)列中，獲取有效操作，并把設(shè)計(jì)人員通過界面輸入的參數(shù)存入內(nèi)存之中，同時(shí)在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算、提取，等待后續(xù)模型生成模塊的調(diào)用。

4.1? 編程計(jì)算書及界面設(shè)計(jì)

4.1.1? 污泥計(jì)算界面

污泥計(jì)算的計(jì)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(jì)算界面

好氧區(qū)有效容積V1計(jì)算書：

設(shè)計(jì)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(jìn)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(zhǎng)速率μ=d -1，則：設(shè)計(jì)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(jì)算界面

缺氧區(qū)有效容積V2計(jì)算書：

進(jìn)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(jì)算界面

平面尺寸的計(jì)算書：

共設(shè)組，每組格（4，6，8）;有效水深h（單位：m）宜3.5～4.5，超高h(yuǎn)1（單位：m），溝寬度B（單位：m），池壁厚度A（單位：m），池中線長(zhǎng)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(gòu)建起完整模型。

校核：

水力停留時(shí)間=h（參考值8～16），BOD5污泥負(fù)荷 kg BOD5/kg MLSS·d（參考值0.05～0.15），其中污泥計(jì)算與好氧區(qū)有效容積的界面設(shè)計(jì)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(dòng)生成相應(yīng)的氧化溝模板模型，模型由墻、梁、板、柱等基本元素構(gòu)成，可獨(dú)立修改調(diào)整，便于后期深化設(shè)計(jì)。

4.2.1? 平面視圖

模型生成后可進(jìn)行后期加工，調(diào)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(dòng)生成對(duì)應(yīng)位置的剖切面。通過調(diào)整、添加文字標(biāo)注與尺寸標(biāo)注，可以滿足方案階段至初設(shè)階段的設(shè)計(jì)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(yīng)位置的三維軸測(cè)視角。

輸入基礎(chǔ)尺寸參數(shù)，驅(qū)動(dòng)生成了奧貝爾氧化溝，初步實(shí)現(xiàn)了建模目標(biāo)，滿足了預(yù)期要求。該插件生成的模型不是一個(gè)整體的GSM對(duì)象，它由墻、梁、板、柱等基本構(gòu)件元素組成，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行再次編輯。

其中，模型軸測(cè)視圖和模型平面視圖分別如圖5所示。

5? 應(yīng)用效果

采用ArchiCAD軟件進(jìn)行池體建模時(shí)，首先確定構(gòu)筑物類型，然后編寫計(jì)算書確定池體尺寸結(jié)構(gòu)，最后應(yīng)用BIM工具繪制池體的三維模型。污水廠內(nèi)部單體繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難免出現(xiàn)專業(yè)或管道間的碰撞問題，此時(shí)需要設(shè)計(jì)人員切換到三維視角，進(jìn)一步調(diào)整模型。模型中的每個(gè)部件彼此之間都是獨(dú)立的，且單體模型中的構(gòu)件數(shù)量繁多，當(dāng)類似項(xiàng)目中需要設(shè)計(jì)同種工藝的單體時(shí)，借用以往設(shè)計(jì)的模型比較困難，需要修改多個(gè)部件，工作量十分繁重，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)放棄修改以往的項(xiàng)目，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

采用本文中開發(fā)的水處理構(gòu)筑物參數(shù)化插件進(jìn)行池體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員只需根據(jù)設(shè)計(jì)需求在軟件計(jì)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(jiǎn)單又快捷。除此之外，模型可進(jìn)行再次編輯，深化其應(yīng)用。本文開發(fā)的參數(shù)化插件在招投標(biāo)及初設(shè)階段幫助設(shè)計(jì)人員減少了大量重復(fù)性的建模工作，減輕了負(fù)擔(dān)，提高了工作效率。

6? 結(jié) 論

本文中開發(fā)的水處理構(gòu)筑物參數(shù)化插件可以減少重復(fù)性的建模工作。通過對(duì)各類水工藝構(gòu)筑物進(jìn)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(biāo)及初設(shè)深度要求的構(gòu)筑物模型，實(shí)現(xiàn)了快速建模，減輕了設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)，使其將更多精力用于池體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員在其他設(shè)計(jì)階段對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，即可滿足深度要求，不必花費(fèi)時(shí)間重新建模。這樣可以充分發(fā)揮三維設(shè)計(jì)在各設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，有助于三維設(shè)計(jì)的推廣。

參數(shù)化水工藝構(gòu)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(xiàng)目的實(shí)施，充分發(fā)揮了三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，加快了BIM技術(shù)的推廣，有效地提升了我院在設(shè)計(jì)企業(yè)中的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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作者簡(jiǎn)介：沈辰楠（1988.12—），男，漢族，浙江紹興人，工程師，碩士學(xué)位，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù);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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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。