BIM 技術在蝦子河污水處理廠設計中的應用

江 帥， 史 峰

（湖南惟創(chuàng)環(huán)境科技有限公司成都分公司， 成都 610095）

0 引言

二維設計對于復雜的地下污水處理廠來說，存在很多不足之處，無法發(fā)現(xiàn)空間錯綜復雜的設計問題。三維設計這個新興產(chǎn)物在建筑業(yè)的應用，引起了設計行業(yè)的廣泛關注，三維模式的設計能夠更直觀地表達，并且模型包含數(shù)據(jù)，引發(fā)了很多設計者對于三維設計的探索。本著能以更高的效率，更優(yōu)質(zhì)的設計質(zhì)量為初衷，對地下污水處理廠進行三維可視化設計。

1 項目概況

蝦子河污水處理及再生水回用工程位于遵義市紅花崗區(qū)朱家灣路名城小學西南側(cè)，工程選址總用地面積31 畝，箱體平面尺寸（51.18～96.18）×（57.40～77.40）m，主體深度13.3m，設計總規(guī)模5.0 萬m3/d，出水水質(zhì)滿足國家一級A 標準。蝦子河污水廠效果圖如圖1 所示。

圖1 污水廠效果圖

本工程包括污水處理廠工程內(nèi)的構(gòu)筑物、建筑物、管線、設備購置、工藝安裝、電氣、儀表、自動化控制等工程、進出水管網(wǎng)工程以及紅線內(nèi)道路工程等。

本項目設計深度為施工圖設計深度，本著環(huán)境友好、土地集約，污水處理廠采用全地下式雙層加蓋的形式，工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 工藝流程圖

工藝單體部分全部位于地下，構(gòu)筑物形式復雜多樣，水渠管道空間關系繁瑣緊密，回流處理形式靈活多變；結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)密集，梁空間升降關系復雜；再加上工藝管線及設備數(shù)量種類繁多，預留洞口、預埋件數(shù)量多，定位精度要求高[1]，使得傳統(tǒng)的二維設計容易出現(xiàn)設計問題。為了解決問題，本項目采用BIM 三維可視化設計、建模、參數(shù)化族、管道綜合優(yōu)化、出圖、統(tǒng)計、交互式成果輸出的方式，深入探索三維設計在市政行業(yè)中的應用[2]。

本項目模型深度達到Lod350，包括機電管道、管道連接附件、參數(shù)化工藝設備族、設備參數(shù)、混凝土構(gòu)件具體構(gòu)造、混凝土標號、構(gòu)件材料等信息。箱體模型中還包括機電設備、支吊架、樓梯、欄桿、消火栓、蓋板等構(gòu)件。模型深度選取依據(jù)是為了使每個細節(jié)在設計中都合理體現(xiàn)，從而達到優(yōu)化設計的效果。

2 BIM 軟件的選擇

BIM 是Building Information Modeling[3]的簡寫，中文意思為建筑信息模型，重點是Information。采用BIM 的方式是從另一種思維角度進行設計，相對于傳統(tǒng)二維設計而言，BIM 設計所涉及的軟件有所差異。所以選取能承載模型信息的設計軟件為主，它的優(yōu)點主要凸顯在可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、模擬性以及可出圖性等五大特性[4]。

項目采用Autodesk 平臺軟件：Revit、Navisworks，是現(xiàn)階段主流的設計軟件，設計模式同傳統(tǒng)二維模式相似，且信息成果能與大部分軟件共享，達到一模通用的效果。輔助設計軟件有Twinmotion、Fuzor、CAD 等，計算方面配合一系列的軟件如PKPM 等。本工程主要采用Revit 軟件進行設計、優(yōu)化、統(tǒng)計、出圖。

3 BIM 技術實施路線

本項目BIM 工作設計流程，專業(yè)之間配合的實施路線如圖3 所示。

圖3 設計工作流程

經(jīng)過以上技術路線，將流程通過工作集的形式拆分給相應的專業(yè)。各專業(yè)設計在各自模型中修改，再通過同步的形式整合在同一個中心文件。其他專業(yè)通過對中心文件的訪問，能第一時間了解到項目進度，以及模型修改及變動的地方。軸網(wǎng)、標高系統(tǒng)統(tǒng)一由一個專業(yè)負責創(chuàng)建，其他專業(yè)通過加載鏈接軸網(wǎng)，保證所有專業(yè)在同一套軸網(wǎng)以及標高系統(tǒng)中進行設計。

4 工藝單體設計

地下污水廠箱體設計，包含了不同工藝的污水處理單體，而每一個單體構(gòu)筑物中，又包含了工藝、結(jié)構(gòu)、建筑、暖通、電氣、自控、消防等多個專業(yè)的設計，各專業(yè)之間協(xié)同設計。本項目主要拆分為預處理系統(tǒng)（粗格柵、提升泵房、細格柵及精細格柵）、生化處理系統(tǒng)、深度處理及回用系統(tǒng)（高效沉淀池、活性砂濾池、紫外線消毒渠、巴式計量槽、尾水泵房）。每個單體中各專業(yè)的設計工作，都基于同一個中心文件，以及同一個模型進行設計，使每個信息都能第一時間傳達給其他相關專業(yè)，實現(xiàn)信息實時互通。

4.1 項目樣板

啟動設計之前，首先要定制項目樣板，統(tǒng)一化的項目樣板能規(guī)范不同設計人員對于同一種構(gòu)件的表達形式以及出圖樣式，同時也是拼接模型能夠高度統(tǒng)一的前提。一套完整的項目樣板是需要積累的，對每個構(gòu)件的尺寸、命名、材質(zhì)、系統(tǒng)都進行明確的規(guī)定。根據(jù)本公司制定的《Revit 標準化手冊》（如圖4 所示），對每個構(gòu)件進行詳細的約定，確保不同設計人員設計樣式的一致性。

圖4 Revit 標準化手冊

項目樣板文件一般由項目經(jīng)理或者BIM 負責人根據(jù)標準化手冊統(tǒng)一建立，并根據(jù)后期項目的需求進行定期的維護與更新。其主要包含以下內(nèi)容：（1）項目信息。（2）基本設置：包括項目參數(shù)、單位、線寬線樣式、構(gòu)件材質(zhì)、圖層設置。（3）項目樣板：包括三維試圖樣板、平面出圖樣板、剖面樣板、大樣圖樣板、視圖比例、視圖詳細程度、構(gòu)件可見性、規(guī)程顯隱。（4）項目基點定位、項目總體軸網(wǎng)定位（每個工藝單體，每個專業(yè)設計人員使用同一個軸網(wǎng)坐標，方便后期模型整合與碰撞檢查）。（5）企業(yè)化項目族庫（族的積累，污水廠中的門窗、大樣以及工藝設備的參數(shù)化族進行分門別類）。（6）視圖樣板設置（樣板設置分為土建視圖樣板、工藝視圖樣板、協(xié)同視圖樣板，樣板間的切換能夠滿足各專業(yè)間設計的實際需求）。（7）機電、工藝管道系統(tǒng)創(chuàng)建（不同顏色代表不同功能的管道，以專業(yè)為大類進行區(qū)分（如圖5 所示），設置專業(yè)可見性，隱藏不需要表達的專業(yè)）。

圖5 機電專業(yè)管線顏色分類

4.2 項目協(xié)同

采用協(xié)同工作的設計模式。建立中心文件，每個工藝單體部分分專業(yè)（工藝、結(jié)構(gòu)、建筑、暖通及電預控）開展工作，各個專業(yè)的設計人員以不同子工作集的形式進行各自的設計任務，各自的設計模型的更新與修改以同步的方式整合到中心文件中，形成工藝單體模型。以高效沉淀池為例，工作集劃分如圖6 所示。

圖6 工作集劃分

各個專業(yè)確保設計信息的實時更新并同步[5]，使參與設計的各專業(yè)人員能第一時間掌握模型的最新情況，提前預留空間位置或避開構(gòu)筑物占據(jù)的空間，避免產(chǎn)生與本專業(yè)的設計碰撞問題。

4.3 參數(shù)化族庫

基于Revit 的軟件自帶的族，如梁、板、柱、墻、欄桿等，提供了供使用功能的基本需求，為了適應項目的要求，需要修改其中的屬性（命名規(guī)則、材料、統(tǒng)計運算法則、可見性規(guī)則）。污水廠中的設備都是非標準化的族，需要通過創(chuàng)建族文件進行建立。族的創(chuàng)建方式采用參數(shù)化集成族（嵌套族），比如能夠通用的小族像電機、螺絲、連接件等，以參數(shù)的方式驅(qū)動每一塊構(gòu)件的尺寸形狀，使其能夠通過數(shù)據(jù)來改變，提高重復利用率，節(jié)省時間。

通過對各個不同項目族的收集以及優(yōu)化，創(chuàng)建參數(shù)化設備族庫。族的形式為嵌套族，其優(yōu)點是可以用參數(shù)驅(qū)動更加復雜的設備，使設備的大小形體能夠滿足模型精度以及平面、剖面直接出圖。部分參數(shù)化工藝設備族如圖7 所示。

圖7 參數(shù)化工藝設備族

4.4 參數(shù)化工藝單體設計

在工藝設計中，對于通用的工藝單體部分，建立單獨的全局參數(shù)模型。對于池體的長、寬、高，以及池壁構(gòu)筑物墻體的厚度，均輸入對應的參數(shù)或者修改對應的族進行聯(lián)動。池底標高、渠道標高、頂板標高等信息，通過建立標高層進行關聯(lián)。過水、引水等構(gòu)筑物的定位關聯(lián)在輔助參考平面，參考平面與池壁的關系采用參數(shù)驅(qū)動。

工藝設計時，根據(jù)工藝對污水處理量的要求，輸入設計水量，掛接計算公式，輸出工藝單體的長、寬、高，以及所涉及到的渠道等一系列過水、引水等構(gòu)筑物的尺寸及定位數(shù)值，如圖8 所示。

圖8 參數(shù)計算表

將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，掛接到模型對應的全局參數(shù)中，模型則根據(jù)參數(shù)調(diào)整到相應的尺寸，并在此基礎上進行深化設計。設定好所有的全局參數(shù)，確保每個參數(shù)對模型的驅(qū)動無誤，輸入計算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，使得工藝單體尺寸調(diào)整完畢。在得到的單體模型上，添加參數(shù)化設備、洞口、蓋板以及所需的工藝管道等構(gòu)件，最后上傳同步到中心文件中，為輔助專業(yè)設計提供承載信息的模型。

4.5 輔助專業(yè)單體模型設計

工藝各部分單體尺寸初步確定后，進行單體預拼裝，確定每個單體的相對位置、標高關系，在滿足工藝流程的前提下，以保證渠道的水流導向正確，各工藝區(qū)配合銜接得當。預留單體構(gòu)筑物間的走道及走廊等公共區(qū)域，明確操作層的功能分區(qū)。在Revit 中，使用模板中設定好的基本族，建立完善箱體中其它部位所需的墻體結(jié)構(gòu)，板體加蓋結(jié)構(gòu)等。（1）結(jié)構(gòu)專業(yè)：結(jié)合工藝箱體的總平面圖，布置結(jié)構(gòu)基礎以及結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)。各單體的結(jié)構(gòu)設計人員，根據(jù)總體柱網(wǎng)布置，完善工藝單體中的墻、梁、板等其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件。箱體覆土層和工藝池體間的公共區(qū)域的梁板，由總圖人員負責。結(jié)構(gòu)信息導入軟件PKPM 進行計算，將結(jié)果返給各單體及總圖人員，修改并優(yōu)化各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸大小，以滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設計要求，更新Revit 結(jié)構(gòu)構(gòu)件并同步中心文件。（2）建筑設計：根據(jù)箱體總體布局，建筑考慮消防分區(qū)，設置消防樓梯疏散通道，布置公共區(qū)域及操作層的功能分區(qū)，滿足箱體使用需求及相關的設計規(guī)范，使用墻、樓梯、欄桿、門窗等族，構(gòu)建建筑模型，更新Revit 建筑模型并同步中心文件。（3）暖通設計：根據(jù)使用要求，對箱體中的設備用房、樓梯間、消防分區(qū)以及公共區(qū)域設置通風防排煙系統(tǒng)，對有除臭等特殊要求的區(qū)域設計除臭系統(tǒng)。用模板里的系統(tǒng)族在對應的標高進行設計，避開結(jié)構(gòu)、工藝設備等構(gòu)件。更新Revit 暖通模型并同步中心文件。（4）水、電氣、自控、消防等專業(yè)，根據(jù)各自專業(yè)的規(guī)范要求以及使用合理性要求進行三維可視化設計，可鏈接暖通等其他專業(yè)，避讓結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及尺寸較大的管道或橋架。完成設計后進行模型同步，更新中心文件。

4.6 箱體模型整合與優(yōu)化

中心文件鏈接所有專業(yè)的模型，包括工藝、結(jié)構(gòu)、建筑、暖通、水、電氣、自控、消防，如圖9 所示。

圖9 高效沉淀池模型

各專業(yè)設計人員通過Revit 軟件，勾選需要碰撞檢查的專業(yè)（硬碰撞），發(fā)現(xiàn)并修改問題。例如建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)之間的碰撞，檢查門窗，洞口是否與結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)碰撞，發(fā)現(xiàn)問題并及時修改反應在模型中，同步使其他專業(yè)也能第一時間獲得修改信息。各設計人員在自己的工作權(quán)限內(nèi)完善模型，涉及到多專業(yè)之間的修改時，組織溝通討論，得出最優(yōu)解決方案。

硬碰撞用軟件檢查，軟碰撞[2]用瀏覽漫游方式檢查。將整體模型輕量化導入Navisworks 中（使模型輕量化），通過漫游的形式，檢查設計不合理之處。例如使用空間凈空不滿足要求，管道影響通行，沒有足夠的檢修空間等問題。

綜合各專業(yè)管線：水管、風管、橋架、工藝管道，將管線合理排布；綜合支吊架，提升凈高與整潔度。優(yōu)化后的模型如圖10、11 所示。

圖10 負一層箱體剖面

圖11 負二層箱體剖面

4.7 出圖

污水廠空間布局復雜，需大量平面、立面、剖面圖才能將各區(qū)域的構(gòu)造表達清楚。傳統(tǒng)的二維畫法效率低且錯誤率高。利用Revit 實體模型，可快速準確地生成平、立、剖面圖以及局部大樣圖，節(jié)約設計、校核的工作時間。模型可在軟件中進行實時關聯(lián)，修改一處，對應圖紙隨即自動修改，進一步提升工作效率，如圖12 所示。

圖12 Revit 出圖

4.8 工程量統(tǒng)計

Revit 模型承載了構(gòu)件的基本信息，由于這種特殊性質(zhì)，軟件能夠直接對模型的體積、面積、長度以及數(shù)量等信息進行工程量提取。以機電管線為例，軟件可直接提取管線的管件及管道長度等信息，如圖13 所示。

圖13 設備管道統(tǒng)計表

4.9 虛擬漫游模型應用交付

模型通過插件，導出輕量化fbx 文件，再將文件導入漫游軟件中。修改模型中的材質(zhì)、環(huán)境光等參數(shù)，使模型在箱體中瀏覽更接近現(xiàn)實，并生成文件交付。箱體負二層公共區(qū)域的漫游視角，如圖14 所示。

圖14 漫游視角

5 成果與問題分析

三維設計，優(yōu)點頗多，仍有不足。

（1）前期工作量大。準備一套完整的標準，以及標準模板，需要多個項目和工程經(jīng)驗的累積。圖層的設置、剖切面形式的表達、線寬線形的選擇，都要與當前的設計標準統(tǒng)一，設置標準模板步驟繁瑣。

（2）族庫短缺。Autodesk 公司的軟件，族的使用方式對于國內(nèi)設計者不太友好，因此族的收集與創(chuàng)建不可或缺。此外，根據(jù)商家提供的不同參數(shù)，族尺寸可發(fā)生變化。參數(shù)化的設備族只能解決一部分因尺寸大小而改變的問題，但無法應對外形或者工藝的改變。

目前外網(wǎng)有個解決思路可以借鑒（如圖15 所示），各商家對于自己的產(chǎn)品出一套族，族格式涵蓋目前主流的三維軟件，用戶可通過下載使用。此思路能減少重復的工作量，且參數(shù)的透明也利于客戶的選擇。

圖15 Bimobject 族與下載界面

（3）圖面表達的問題。Revit 在三維表達上功能比較完善，但在二維表達上仍有所欠缺。管線的管道附件，平面表達時是以圖例的形式，否則不滿足出圖要求。建筑、結(jié)構(gòu)圖上有些表達方式，通過直接出圖的形式也不完全正確，需要處理。修改細節(jié)的工作量不容忽視?？梢酝ㄟ^導出CAD 格式，再進行細微調(diào)整后出平面圖、立面圖、剖面圖。大樣圖的短板也存在，Revit 中沒有太多圖例，導致一些大樣圖還是需要CAD 來輔助。

（4）結(jié)構(gòu)有關鋼筋的出圖問題。想直接在Revit 中鏈接結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，生成鋼筋信息，目前的技術還不太成熟，不能直接承接計算結(jié)果并賦予在模型中，這部分工作量要是通過人工手動輸入完成，或者通過第三方插件進行識別，識別率當然也是各有千秋。所以結(jié)構(gòu)還是得通過Revit 導出，得到的CAD 模板圖再進行配筋出圖。希望以后的軟件在數(shù)據(jù)共享中能夠?qū)崿F(xiàn)互通。

6 結(jié)束語

BIM 技術在蝦子河污水處理廠中的應用，參數(shù)化族庫的建立、工藝單體的參數(shù)化設計、專業(yè)間的協(xié)同與優(yōu)化、碰撞檢查、三維可視化瀏覽、工程量統(tǒng)計以及出圖等方面都具有其獨特的亮點，相對于傳統(tǒng)的二維設計來說，有其不可匹敵的優(yōu)勢。正因為如此，BIM 技術才被業(yè)內(nèi)人士肯定，并逐漸研究及推廣。

但是國內(nèi)BIM 技術還處在發(fā)展上升階段，一方面在于其對人才的要求比較高，對于設計員來說，要換一種模式進行設計，接受起來還是需要一段時間，如同當年手繪轉(zhuǎn)CAD 電腦制圖，也經(jīng)歷了漫長的過渡；對于建設方來說，怎樣用好BIM 也需要進行有針對性的培訓。另一方面，對于軟件的更新迭代要求比較高，許多功能需要程序員來開發(fā)實現(xiàn)，這也是現(xiàn)在國內(nèi)五花八門的第三方插件崛起的原因，軟件自帶的功能已經(jīng)不能滿足設計師對新興領域的探索。

現(xiàn)在很多政策的利好以及國內(nèi)高校陸續(xù)開展BIM 課程，來以此刺激BIM 行業(yè)的發(fā)展。相信通過政策以及BIMer[3]的不斷努力，BIM 技術將會得到更進一步的突破，相信以后BIM 會更好地服務于市政和建筑行業(yè)領域。