BIM技术在污水厂设计中的应用与二次开发

沈辰楠 马文新 龚美 张庆维 刘云慧

摘  要：文章以ArchiCAD为BIM设计平台，对各类污水厂单体模型进行模块化设计。针对污水处理构筑物开发出了一套参数化建模插件，插件内置相关专业计算公式，用户可通过输入基础工艺参数一键快速生成满足投标及初设深度的BIM模型，需要修改设计方案时可对该模型进行二次编辑，通过剖切模型生成的二维图纸将同步改变。该组参数化建模插件可以有效帮助设计人员提升工作效率，减少重复性的建模工作。

关键词：BIM设计;给排水工艺构筑物;参数化;二次开发;ArchiCAD

中图分类号：TP311   文献标识码：A 文章编号：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

近年来，BIM技术应用较为广泛，在可视化展示、协同设计、出图等方面有着明显优势，利用BIM技术进行施工指导有利于不同专业间的协同设计与复杂工程的顺利进行。然而搭建BIM模型的工作量较大，搭建过程占用了大量时间，而且在调整设计方案时往往会产生一些重复性工作，增加了设计人员的负担[1-3]。目前市面上鲜有针对污水厂构筑物的辅助设计工具，给相关设计工作带来了困难。因此，快速建模成为提高BIM设计效率的重中之重。

本研究选取构筑物较为复杂的污水处理厂项目，采用ArchiCAD为BIM三维设计平台，将各类工艺构筑物进行参数化编程，开发出的系列插件可在输入工艺参数后快速生成能够满足投标及初设深度的构筑物模型，实现快速建模以提高设计人員的工作效率;同时，生成的模型也易于二次编辑，方便水工艺设计图的修改。该系列插件的使用一方面减少了重复性的建模工作，另一方面可以满足不同设计阶段的深化要求。

1  相关理论和开发工具

软件二次开发是指：在不改变原有软件内核的前提下，借助软件提供的应用程序编程接口，在原有软件基础上进行定制修改或者功能的扩展，从而实现该软件最初没有的功能。

应用程序编程接口（Application Programming Interface， API）是由一组预先定义的函数组成，它使得计算机软件之间可以进行相互通信，开发人员通过API函数可以轻松完成二次开发工作，不需要访问源码，也不必理解内部工作机制的细节。

本文开发工作基于ArchiCAD软件，ArchiCAD是Graphisoft公司的旗舰产品，也是目前主流的三维建筑设计软件之一。

本文使用的开发工具为Microsoft Visual Studio 2010，它是微软公司推出的集成开发环境，适用于Windows平台上的应用程序开发，支持C/C++、MFC、C#等程序的编译和测试。本文中的设计基于C/C++语言，根据ArchiCAD提供的API和开发项目模板进行二次开发。

此外，还用到ArchiCAD提供的官方二次开发工具包API Dev. KIT，安装成功后，开发包根目录中包括API参考文档、类型实例演示、头文件文件夹以及各种功能静态库等参考文件和资源。

2  需求分析

开发工作应该遵循市政工程设计人员在水工艺设计中的工作流程，通过与市政工程设计人员沟通，明确了池体BIM设计工作流程为：

（1）确定池体类型。

（2）书写计算书。

（3）生成池体模型。

（4）局部修改加工。

（5）放入项目总图。

（6）出图、标注。

（7）设计完成。

通过上述对池体BIM设计工作流程的分析，可以得出两个功能需求：计算书界面功能和生成池体模型功能。

2.1  计算书界面功能

针对污水厂中不同种类的池体，应该设计相应样式的计算书。计算书界面包括两部分内容：池体建模所需要的几何参数，符合设计流程和规范的设计参数[4，5]。

2.2  生成池体模型功能

在实际工程设计中，池体的具体样式会根据实际业务需求发生改变，这就要求系统生成的池体模型不能是一个不能修改的对象，而应该是根据设计人员的设计需求可以任意修改的模型元素组。因此池体模型的每个元素都必须是以墙、梁、板、柱为基础的通用组件，方便设计人员在池体模型生成后进行修改和算量统计工作。

3  开发流程

基于ArchiCAD平台，编写典型的给排水构筑物参数化插件。针对每种构筑物，我们设计了相应的插件界面，通过在界面上设置所需参数即可快速地生成满足需求的模型。

基于C/C++语言，对给排水构筑物建模，进行API开发。主要开发任务包括：池体主程序、模态对话框及回调函数、工具库等。

程序的设计入口ArchiCAD的撤销栈回调池体主程序。主程序首先调用模态对话框，利用主界面的回调函数对输入的数据进行计算整合，生成后台数据结构后将其传递给功能API及GDL，自动搭建池体构筑物模型。

综上所述，给排水构筑物地生成过程大致分为四个步骤：

（1）处理主界面设计数据。

（2）调用回调函数。

（3）调用静态库函数及设备GDL。

（4）生成給排水构筑物。

给排水构筑物参数化插件工作流程图如图1所示。

后台通过模态对话框回调函数调用专业设计人员在界面中填写的数据，在后台计算校核后将数据回传给主界面，再由后台将主界面数据转换成程序可识别的数据结构供静态库功能API调用，用于放置相应构件，此过程实现了给排水构筑物模型的搭建，其中的数据流如图2所示。

4  参数化氧化沟插件开发

插件界面采用列表和分页相结合的形式设计。每个分页面中使用了输入框、选择框、文本框和按钮等窗体控件。

每个插件界面在后台都有自己相应的回调函数。回调函数实时监控操作系统的消息队列，从消息队列中，获取有效操作，并把设计人员通过界面输入的参数存入内存之中，同时在后台对数据进行存储、计算、提取，等待后续模型生成模块的调用。

4.1  编程计算书及界面设计

4.1.1  污泥计算界面

污泥计算的计算书：

（1）污泥回流浓度：

污泥指数SVI（单位：m3/d）的系数r一般取1.2，则Xr= mg/L。

（2）污泥回流比R：

混合液污泥浓度X（单位：mg/L）取2 500～4 000，则 R= 。

4.1.2  好氧区有效容积计算界面

好氧区有效容积V1计算书：

设计流量Q（单位：m3/d），污泥产率系数Y（单位：kgMLSS/kgBOD5）取0.3～0.6，进水BOD5浓度S0（单位：mg/L），出水BOD5浓度Se（单位：mg/L），全系数F取1.5～3，硝化菌比生长速率μ=d -1，则：设计污泥龄θc0=，好氧区有效容积V1= m3。

4.1.3  缺氧区有效容积计算界面

缺氧区有效容积V2计算书：

进水总凯氏氮浓度N0（单位：mg/L），出水总氮浓度Ne（单位：mg/L），脱氮速率Kde（单位：kg NO3-N/kg MLSS·d），MLSS中MLVSS占比y取0～1，则缺氧区有效容积：，其中  kg MLVSS/d。

4.1.4  平面尺寸计算界面

平面尺寸的计算书：

共设组，每组格（4，6，8）;有效水深h（单位：m）宜3.5～4.5，超高h1（单位：m），沟宽度B（单位：m），池壁厚度A（单位：m），池中线长度：

（1）

（2）

联立（1）（2）解得L直段，至此已获得全部所需参数，构建起完整模型。

校核：

水力停留时间=h（参考值8～16），BOD5污泥负荷 kg BOD5/kg MLSS·d（参考值0.05～0.15），其中污泥计算与好氧区有效容积的界面设计图如图3、图4所示。

4.2  模型生成

以1组6格奥贝尔氧化沟为例，通过校核反馈，合理填写、修改工艺参数，选择图层并放置于操作平面，自动生成相应的氧化沟模板模型，模型由墙、梁、板、柱等基本元素构成，可独立修改调整，便于后期深化设计。

4.2.1  平面视图

模型生成后可进行后期加工，调整局部尺寸。

4.2.2  剖面视图

通过在平面视图界面上添加剖面线，即可自动生成对应位置的剖切面。通过调整、添加文字标注与尺寸标注，可以满足方案阶段至初设阶段的设计要求。

4.2.3  模型视图

在平面操作界面上任意圈取局部，可打开相应位置的三维轴测视角。

输入基础尺寸参数，驱动生成了奥贝尔氧化沟，初步实现了建模目标，满足了预期要求。该插件生成的模型不是一个整体的GSM对象，它由墙、梁、板、柱等基本构件元素组成，可根据设计要求进行再次编辑。

其中，模型轴测视图和模型平面视图分别如图5所示。

5  应用效果

采用ArchiCAD软件进行池体建模时，首先确定构筑物类型，然后编写计算书确定池体尺寸结构，最后应用BIM工具绘制池体的三维模型。污水厂内部单体繁多，结构复杂，难免出现专业或管道间的碰撞问题，此时需要设计人员切换到三维视角，进一步调整模型。模型中的每个部件彼此之间都是独立的，且单体模型中的构件数量繁多，当类似项目中需要设计同种工艺的单体时，借用以往设计的模型比较困难，需要修改多个部件，工作量十分繁重，设计人员往往会放弃修改以往的项目，重新进行设计。

采用本文中开发的水处理构筑物参数化插件进行池体设计时，设计人员只需根据设计需求在软件计算书界面中填写所需参数，即可一键生成池体BIM模型，操作既简单又快捷。除此之外，模型可进行再次编辑，深化其应用。本文开发的参数化插件在招投标及初设阶段帮助设计人员减少了大量重复性的建模工作，减轻了负担，提高了工作效率。

6  結 论

本文中开发的水处理构筑物参数化插件可以减少重复性的建模工作。通过对各类水工艺构筑物进行参数化编程，在界面输入所需工艺参数，即可一键生成满足投标及初设深度要求的构筑物模型，实现了快速建模，减轻了设计人员的工作负担，使其将更多精力用于池体设计上面，而不是模型修改上。由于生成的模型支持再次编辑，允许设计人员在其他设计阶段对模型进行调整，即可满足深度要求，不必花费时间重新建模。这样可以充分发挥三维设计在各设计阶段的应用，有助于三维设计的推广。

参数化水工艺构筑物插件的开发，帮助我院开辟了一条快速建模的道路，借助污水厂项目的实施，充分发挥了三维设计的优势，加快了BIM技术的推广，有效地提升了我院在设计企业中的核心竞争力。

参考文献：

[1] 张新兰，李颜强，李文江.积极推进BIM设计技术在市政工程中的应用 [J].中国给水排水，2013，29（8）：63-67.

[2] 姜天凌，苏杰，李志超，等.三维设计软件在污水处理厂施工图设计中的应用 [J].中国给水排水，2015，31（8）：65-69.

[3] 徐亚男，刘纯甫，马放，等.BIM技术在污水处理厂设计中的应用 [J].中国给水排水，2016，32（8）：55-58.

[4] 姜天凌，徐亚男，沈辰楠，等.BIM参数化技术在污水处理厂三维设计中的应用 [J].给水排水，2020，56（A1）：235-237.

[5] 崔玉川，刘振江，张绍怡，等.城市污水处理设施设计计算：第2版 [M].北京：化学工业出版社，2011.

作者简介：沈辰楠（1988.12—），男，汉族，浙江绍兴人，工程师，硕士学位，研究方向：计算机科学与技术;马文新（1992.12 —），女，汉族，河北唐山人，工程师，硕士研究生，研究方向：计算机与信息化;龚美（1994.09—），女，汉族，河北保定人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：计算机与信息化;张庆维（1984.10—），男，汉族，天津人，助理工程师，本科，研究方向：计算机与信息化;刘云慧（1997.01—），女，满族，天津人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：市政给水排水。