基于BIM的水池結構設計分析制圖一體化研究

王培成 鐘俊彬 周文斌 張泰來

1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200082

2.上海水業設計工程有限公司 200082

引言

傳統結構設計方法主要是依靠平面圖紙和計算書，但圖紙與結構計算數據缺少交互，人工修改計算參數或修改圖紙難免出現錯誤，使得當前結構設計存在靈活性缺乏、繁瑣、耗時等問題［1］。如何解決傳統結構設計中的信息混亂、結構優化困難等問題，具有參變性、模擬性、可出圖性的BIM（Building Information Modeling）技術為此提供了思路。BIM技術，是可視化技術、數據技術、網絡技術等在建筑行業的應用與融合，目前已經廣泛應用于碰撞檢查、凈空分析、施工模擬等方面，正顛覆和改變著整個土木領域［2］。盡管已有眾多對BIM三維設計的研究，各大軟件廠商也紛紛推出了一些軟件功能輔助BIM 三維設計，但現階段的主要研究內容在于BIM模型與分析模型的互導［3］，未形成一體化的解決方案，并且主要集中在公路、水利、房建等領域［4，5］，在水池結構BIM三維設計方面研究較少。因此，本文對水池結構BIM 三維設計中的難點進行分析，提供了一種基于BIM的水池結構設計分析制圖一體化的解決方案。

1 BIM三維設計的優勢及技術難點

不同于“翻模設計”和“伴隨設計”［6］，基于BIM的設計是一種基于BIM模型實現設計任務的方式方法，即在三維環境下進行方案設計、構筑物的參數化設計、施工圖出圖，乃至與計算模型結合，同步優化，其基本模式如圖1 所示。

圖1 水池結構設計分析制圖一體化模式Fig.1 Integrated model of pool structure design，analysis and drawing

BIM模型是具有構件信息的三維物理模型，是設計內容的數字化展現，在可視化、協同設計、工程量統計方面有著得天獨厚的優勢，可突破常規結構設計中的諸多限制。然而，BIM 三維設計仍然具有很多技術難點，如建立BIM模型花費精力、BIM 導出的圖紙不符合國內制圖習慣等，這些問題也是現階段BIM三維設計常無法真正用于工程實踐的原因。

1.1 BIM三維設計的優勢

1.三維可視化。水廠中三維空間管線復雜，且調整頻繁。土建內容、電氣自控設備與工藝管線碰撞是水廠設計中的常見問題?；贐IM模型的三維可視化設計能極大避免此類問題的發生，減少返工。

2.協同設計。給水設計常涉及到工藝、建筑、結構、電氣、自控等多個專業。傳統的設計模式是基于二維圖紙進行信息交換與協同，無法保證信息得到實時傳遞。Revit 提供了工作集模式、外部參照模式兩種協作模式，各專業間可即時獲取其他專業的設計信息，從而實現真正意義上的三維協同設計。

3.工程量快速統計。BIM模型不僅僅是三維幾何形體模型，還包括了各構件屬性信息，這就為工程量分類統計提供了基礎條件。工程量的實時快速統計，能將設計師從繁瑣的計算工作中解脫出來，使其專注于概念設計與性能設計，如工藝專業可利用BIM模型快速生成設備明細表，結構專業可從BIM 模型提取工程量用于復核抗浮、計算承載力等。

1.2 BIM三維設計的技術難點

1.BIM 模型建模效率低。BIM 模型是BIM三維設計的基礎條件，完善BIM模型的建立往往需要一定的時間。雖然Revit 構建的BIM 模型本身具有可參變性，但這種參變性程度低且不系統，對設計人員提出了較高的要求，在實際過程中常不能滿足工程快速建模的需要。如何利用BIM模型的可參變性快速建立BIM模型，已經成為了BIM三維設計的首要問題。

2.BIM模型與結構分析模型相互獨立。Revit本身不具有結構計算的功能，必須借助其他技術進行結構分析。無論是二維計算還是三維計算，都無法與BIM 模型相結合。一旦方案調整、結構優化，需要同時調整BIM 模型與計算參數，耗費精力。如何將BIM 模型與分析模型結合起來，成為迫切需要解決的一大問題。

3.BIM圖紙不滿足企業工程制圖標準。BIM模型出圖常無法滿足一些企業制圖要求，常伴隨有線型、圖層、字體不正確等問題，需要對BIM模型導出的圖紙樣式進行調整修改。如若模型修改，目前主要有兩種解決方式：①分別修改BIM模型與圖紙；②每一次調整BIM模型，就對BIM模型導出的圖紙進行樣式修改。第一種方式不符合圖紙與BIM模型對應的原則，第二種方式花費時間多不能滿足效率上的要求。如何保證BIM制圖的圖紙能滿足二維制圖的標準已經成為另一大迫切需要解決的問題。

2 參數化設計模式

2.1 水池結構族設計

Revit參數化理念通過以“構件參數化”為核心的技術，開展基于設計的邏輯裝配。在水廠構筑物中，集水坑、爬梯、人孔廣泛布置于水池結構中，這就為參數化設計模式提供了基礎條件。為適應水池結構參變需要，本文制作了集水坑、泵基、人孔、蓋板、素砼回填等參變族，見圖2。

圖2 常用水池結構族Fig.2 Common pool structure family

2.2 模型空間坐標系

空間坐標系能定義構件族的空間位置，參數化的模型空間坐標系是參數化BIM模型的重要內容。在Revit 中，尺寸無正、負區分，尺寸只能反映兩個參考面（或者參考線）之間的距離，不反應其相對位置關系，幾何體B外側參考面距離幾何體A參考面2 距離為L0的約束條件，可能存在兩種可行的結果（見圖3 中幾何體B 和幾何體B′）。因此，若僅利用相對尺寸驅動BIM 模型則會引起“二義性”。

圖3 相對尺寸約束“二義性”Fig.3 Ambiguity of relative dimension constraint

因此，一套依據笛卡爾空間絕對坐標的尺寸系統對參數化有十分重要的意義，可以從x0y 平面及z方向對設計進行有效約束并驅動。在Revit軟件中，模型在z 方向采用標高系統進行約束，x0y方向則采用參考平面系統（或者軸網系統、絕對坐標系統）進行約束。

2.3 參數化模型

目前，Revit 在工程文件級別的參數化尚未有成熟的技術體系。設計參數屬性分散于Revit基礎構件單元（Element）的屬性中，如標高、墻厚度、板厚度等。為進一步貼近設計習慣，根據構筑物設計邏輯，實現整個工程文件級別的參變，本文開發了“參數化設計”功能，見圖4。

圖4 “參數化設計”界面Fig.4 ＂Parametric design＂ section

為便于對多池型、多項目進行拓展，“參數化設計”命令支持對XML 文件標準數據的讀取。XML標準文件見圖5，標高、參照平面、族參數等皆可根據圖元GUID及必要參數進行驅動。

圖5 標高、 族參數XML 標準化數據定義Fig.5 XML standardized data definition of elevation and family parameters

排泥池參變BIM模型如圖6 所示，通過圖4中的“參數化設計”界面輸入參數驅動模型，即可快速更新BIM模型，并實現平面視圖的聯動、工程量的更新，提高工作效率。

圖6 排泥池參變BIM 模型Fig.6 Parametric BIM model for sludge tank

3 BIM模型與結構分析一體化模式

3.1 基于BIM模型的結構分析模式

結構設計分析是BIM三維設計的重要內容。由于Revit本身沒有計算能力，本文借助Robot Structural Analysis Professional進行結構分析。對于水池結構，受力構件主要為：板、墻、柱、梁，這些標準構件信息都能在Revit 與Robot 之間進行完整傳遞。Robot 與Revit 之間的有效數據傳遞，避免了二次建模。在Revit 的分析模塊中，可直接在BIM 模型的基礎上定義分析模型，并添加邊界條件及荷載工況的定義等。利用Revit與Robot進行結構計算及優化的工作流程見圖7。

圖7 Revit 與Robot 分析一體化模式Fig.7 Integration mode of Revit and robot analysis

3.2 基于BIM模型的結構分析實例

某高效沉淀池BIM 模型及結構分析模型如圖8、圖9 所示，定義完分析模型之后即可通過Robot計算。

圖8 某高效沉淀池BIM 模型Fig.8 BIM model of an efficient sedimentation tank

Robot三維計算模型、沉淀區中板單格滿水工況有限元計算結果分別如圖10、圖11所示。Robot計算結果能為受力分析及結構優化提供基礎數據，并且優化后的BIM模型也能及時更新到Robot。

圖9 某高效沉淀池結構分析模型Fig.9 Structural analysis model of a high efficiency sedimentation tank

圖10 三維分析模型（Robot）Fig.10 3D analytical model（robot）

圖11 單格滿水工況中層板計算結果（Robot）Fig.11 Calculation results of laminates under single cell full water condition（robot）

4 BIM工程制圖方法

在當前的環境下，受積累多年的作業體系、成果管理方法以及既有成果格式的影響，從業者尚不能完全脫離CAD 二維設計環境。在很長的一段時間內，將保持著二維設計環境與三維設計環境并存的情況。多作業環境的工作模式將對成果的組合形式帶來變化。另一方面，設計的過程是動態的過程，二維、三維成果的動態一致性也需要得到保證。為便于設計過程中成果的動態整理，宜將Revit導出的圖紙作為“外部參照”鏈接到總體圖紙文件中，便于在CAD 文件中添加電子簽章等內容。BIM制圖流程如圖12 所示。

圖12 BIM 模型制圖處理流程Fig.12 BIM model drawing process

由于BIM模型制圖與二維制圖的邏輯不同，需要對各圖紙類型中的不同類型圖元進行分別定義，如平面布置圖中的構件可見線及隱藏線設置、平剖圖中的構件截面線設置等。在水池結構圖紙中，圖紙類型主要有：平面布置圖、平剖布置圖、剖面圖、鋼筋圖以及詳圖。由于各圖紙類型制圖標準大致相同，宜將各圖紙類型中的視圖樣式分別定義為視圖樣板，以便快速運用于不同項目中。Revit中的導出樣式與視圖樣式并不相同，因此導出時宜采用圖紙樣式作為導出樣式，以實現CAD 圖紙樣式與Revit視圖樣式的匹配，避免多作業環境的工作模式帶來的影響。

除了圖紙線條樣式的標準，BIM 工程設計及圖紙成果還應滿足圖層、標注樣式、文字樣式等各方面的標準。本文開發了圖紙處理程序，根據圖形屬性進行處理，如創建圖層、根據線型調整圖層、根據線寬調整圖層、調整文字樣式、調整標注樣式等，部分圖形處理代碼以及處理后的圖紙分別如圖13、圖14 所示。

圖13 圖形處理邏輯Fig.13 Graphic processing logic

圖14 更新后的CAD 圖紙Fig.14 Updated CAD drawings

5 結論

本文基于BIM技術具有參變性、模擬性、可出圖性的特點，選用Revit 作為研究平臺，重點探討了BIM技術在水池結構設計中的具體應用方式。本文結合水池結構模型主要構件為板、墻、人孔、集水坑等構件的特點，提出了可拓展的構筑物參數化設計框架；結合水池板墻等受力構件可在Robot 與Revit 之間完整傳遞的特點，提出了基于BIM的水池結構計算與優化流程；并提出了BIM工程制圖方法，最終明確了基于BIM 的水池結構設計分析制圖一體化解決方案。本文提出的解決方案，能利用BIM的參變性快速建立常規水池結構BIM 模型提高了建模效率，能利用BIM的模擬性進行分析研究保證了BIM模型與水池分析模型的一致性，能利用BIM的可出圖性進行BIM制圖并使其符合二維制圖的標準。該解決方案明確了BIM技術在常規水池結構設計中的作業模式，解決了BIM建模效率低、BIM模型與分析模型獨立、BIM出圖常不符合企業二維制圖要求等問題，提高了BIM三維設計的效率，同時為其他工程中的結構專業BIM 三維設計提供了參考。