基于BIM的水池结构设计分析制图一体化研究

王培成 钟俊彬 周文斌 张泰来

1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200082

2.上海水业设计工程有限公司 200082

引言

传统结构设计方法主要是依靠平面图纸和计算书，但图纸与结构计算数据缺少交互，人工修改计算参数或修改图纸难免出现错误，使得当前结构设计存在灵活性缺乏、繁琐、耗时等问题［1］。如何解决传统结构设计中的信息混乱、结构优化困难等问题，具有参变性、模拟性、可出图性的BIM（Building Information Modeling）技术为此提供了思路。BIM技术，是可视化技术、数据技术、网络技术等在建筑行业的应用与融合，目前已经广泛应用于碰撞检查、净空分析、施工模拟等方面，正颠覆和改变着整个土木领域［2］。尽管已有众多对BIM三维设计的研究，各大软件厂商也纷纷推出了一些软件功能辅助BIM 三维设计，但现阶段的主要研究内容在于BIM模型与分析模型的互导［3］，未形成一体化的解决方案，并且主要集中在公路、水利、房建等领域［4，5］，在水池结构BIM三维设计方面研究较少。因此，本文对水池结构BIM 三维设计中的难点进行分析，提供了一种基于BIM的水池结构设计分析制图一体化的解决方案。

1 BIM三维设计的优势及技术难点

不同于“翻模设计”和“伴随设计”［6］，基于BIM的设计是一种基于BIM模型实现设计任务的方式方法，即在三维环境下进行方案设计、构筑物的参数化设计、施工图出图，乃至与计算模型结合，同步优化，其基本模式如图1 所示。

图1 水池结构设计分析制图一体化模式Fig.1 Integrated model of pool structure design，analysis and drawing

BIM模型是具有构件信息的三维物理模型，是设计内容的数字化展现，在可视化、协同设计、工程量统计方面有着得天独厚的优势，可突破常规结构设计中的诸多限制。然而，BIM 三维设计仍然具有很多技术难点，如建立BIM模型花费精力、BIM 导出的图纸不符合国内制图习惯等，这些问题也是现阶段BIM三维设计常无法真正用于工程实践的原因。

1.1 BIM三维设计的优势

1.三维可视化。水厂中三维空间管线复杂，且调整频繁。土建内容、电气自控设备与工艺管线碰撞是水厂设计中的常见问题。基于BIM模型的三维可视化设计能极大避免此类问题的发生，减少返工。

2.协同设计。给水设计常涉及到工艺、建筑、结构、电气、自控等多个专业。传统的设计模式是基于二维图纸进行信息交换与协同，无法保证信息得到实时传递。Revit 提供了工作集模式、外部参照模式两种协作模式，各专业间可即时获取其他专业的设计信息，从而实现真正意义上的三维协同设计。

3.工程量快速统计。BIM模型不仅仅是三维几何形体模型，还包括了各构件属性信息，这就为工程量分类统计提供了基础条件。工程量的实时快速统计，能将设计师从繁琐的计算工作中解脱出来，使其专注于概念设计与性能设计，如工艺专业可利用BIM模型快速生成设备明细表，结构专业可从BIM 模型提取工程量用于复核抗浮、计算承载力等。

1.2 BIM三维设计的技术难点

1.BIM 模型建模效率低。BIM 模型是BIM三维设计的基础条件，完善BIM模型的建立往往需要一定的时间。虽然Revit 构建的BIM 模型本身具有可参变性，但这种参变性程度低且不系统，对设计人员提出了较高的要求，在实际过程中常不能满足工程快速建模的需要。如何利用BIM模型的可参变性快速建立BIM模型，已经成为了BIM三维设计的首要问题。

2.BIM模型与结构分析模型相互独立。Revit本身不具有结构计算的功能，必须借助其他技术进行结构分析。无论是二维计算还是三维计算，都无法与BIM 模型相结合。一旦方案调整、结构优化，需要同时调整BIM 模型与计算参数，耗费精力。如何将BIM 模型与分析模型结合起来，成为迫切需要解决的一大问题。

3.BIM图纸不满足企业工程制图标准。BIM模型出图常无法满足一些企业制图要求，常伴随有线型、图层、字体不正确等问题，需要对BIM模型导出的图纸样式进行调整修改。如若模型修改，目前主要有两种解决方式：①分别修改BIM模型与图纸；②每一次调整BIM模型，就对BIM模型导出的图纸进行样式修改。第一种方式不符合图纸与BIM模型对应的原则，第二种方式花费时间多不能满足效率上的要求。如何保证BIM制图的图纸能满足二维制图的标准已经成为另一大迫切需要解决的问题。

2 参数化设计模式

2.1 水池结构族设计

Revit参数化理念通过以“构件参数化”为核心的技术，开展基于设计的逻辑装配。在水厂构筑物中，集水坑、爬梯、人孔广泛布置于水池结构中，这就为参数化设计模式提供了基础条件。为适应水池结构参变需要，本文制作了集水坑、泵基、人孔、盖板、素砼回填等参变族，见图2。

图2 常用水池结构族Fig.2 Common pool structure family

2.2 模型空间坐标系

空间坐标系能定义构件族的空间位置，参数化的模型空间坐标系是参数化BIM模型的重要内容。在Revit 中，尺寸无正、负区分，尺寸只能反映两个参考面（或者参考线）之间的距离，不反应其相对位置关系，几何体B外侧参考面距离几何体A参考面2 距离为L0的约束条件，可能存在两种可行的结果（见图3 中几何体B 和几何体B′）。因此，若仅利用相对尺寸驱动BIM 模型则会引起“二义性”。

图3 相对尺寸约束“二义性”Fig.3 Ambiguity of relative dimension constraint

因此，一套依据笛卡尔空间绝对坐标的尺寸系统对参数化有十分重要的意义，可以从x0y 平面及z方向对设计进行有效约束并驱动。在Revit软件中，模型在z 方向采用标高系统进行约束，x0y方向则采用参考平面系统（或者轴网系统、绝对坐标系统）进行约束。

2.3 参数化模型

目前，Revit 在工程文件级别的参数化尚未有成熟的技术体系。设计参数属性分散于Revit基础构件单元（Element）的属性中，如标高、墙厚度、板厚度等。为进一步贴近设计习惯，根据构筑物设计逻辑，实现整个工程文件级别的参变，本文开发了“参数化设计”功能，见图4。

图4 “参数化设计”界面Fig.4 ＂Parametric design＂ section

为便于对多池型、多项目进行拓展，“参数化设计”命令支持对XML 文件标准数据的读取。XML标准文件见图5，标高、参照平面、族参数等皆可根据图元GUID及必要参数进行驱动。

图5 标高、 族参数XML 标准化数据定义Fig.5 XML standardized data definition of elevation and family parameters

排泥池参变BIM模型如图6 所示，通过图4中的“参数化设计”界面输入参数驱动模型，即可快速更新BIM模型，并实现平面视图的联动、工程量的更新，提高工作效率。

图6 排泥池参变BIM 模型Fig.6 Parametric BIM model for sludge tank

3 BIM模型与结构分析一体化模式

3.1 基于BIM模型的结构分析模式

结构设计分析是BIM三维设计的重要内容。由于Revit本身没有计算能力，本文借助Robot Structural Analysis Professional进行结构分析。对于水池结构，受力构件主要为：板、墙、柱、梁，这些标准构件信息都能在Revit 与Robot 之间进行完整传递。Robot 与Revit 之间的有效数据传递，避免了二次建模。在Revit 的分析模块中，可直接在BIM 模型的基础上定义分析模型，并添加边界条件及荷载工况的定义等。利用Revit与Robot进行结构计算及优化的工作流程见图7。

图7 Revit 与Robot 分析一体化模式Fig.7 Integration mode of Revit and robot analysis

3.2 基于BIM模型的结构分析实例

某高效沉淀池BIM 模型及结构分析模型如图8、图9 所示，定义完分析模型之后即可通过Robot计算。

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

Robot三维计算模型、沉淀区中板单格满水工况有限元计算结果分别如图10、图11所示。Robot计算结果能为受力分析及结构优化提供基础数据，并且优化后的BIM模型也能及时更新到Robot。

图9 某高效沉淀池结构分析模型Fig.9 Structural analysis model of a high efficiency sedimentation tank

图10 三维分析模型（Robot）Fig.10 3D analytical model（robot）

图11 单格满水工况中层板计算结果（Robot）Fig.11 Calculation results of laminates under single cell full water condition（robot）

4 BIM工程制图方法

在当前的环境下，受积累多年的作业体系、成果管理方法以及既有成果格式的影响，从业者尚不能完全脱离CAD 二维设计环境。在很长的一段时间内，将保持着二维设计环境与三维设计环境并存的情况。多作业环境的工作模式将对成果的组合形式带来变化。另一方面，设计的过程是动态的过程，二维、三维成果的动态一致性也需要得到保证。为便于设计过程中成果的动态整理，宜将Revit导出的图纸作为“外部参照”链接到总体图纸文件中，便于在CAD 文件中添加电子签章等内容。BIM制图流程如图12 所示。

图12 BIM 模型制图处理流程Fig.12 BIM model drawing process

由于BIM模型制图与二维制图的逻辑不同，需要对各图纸类型中的不同类型图元进行分别定义，如平面布置图中的构件可见线及隐藏线设置、平剖图中的构件截面线设置等。在水池结构图纸中，图纸类型主要有：平面布置图、平剖布置图、剖面图、钢筋图以及详图。由于各图纸类型制图标准大致相同，宜将各图纸类型中的视图样式分别定义为视图样板，以便快速运用于不同项目中。Revit中的导出样式与视图样式并不相同，因此导出时宜采用图纸样式作为导出样式，以实现CAD 图纸样式与Revit视图样式的匹配，避免多作业环境的工作模式带来的影响。

除了图纸线条样式的标准，BIM 工程设计及图纸成果还应满足图层、标注样式、文字样式等各方面的标准。本文开发了图纸处理程序，根据图形属性进行处理，如创建图层、根据线型调整图层、根据线宽调整图层、调整文字样式、调整标注样式等，部分图形处理代码以及处理后的图纸分别如图13、图14 所示。

图13 图形处理逻辑Fig.13 Graphic processing logic

图14 更新后的CAD 图纸Fig.14 Updated CAD drawings

5 结论

本文基于BIM技术具有参变性、模拟性、可出图性的特点，选用Revit 作为研究平台，重点探讨了BIM技术在水池结构设计中的具体应用方式。本文结合水池结构模型主要构件为板、墙、人孔、集水坑等构件的特点，提出了可拓展的构筑物参数化设计框架；结合水池板墙等受力构件可在Robot 与Revit 之间完整传递的特点，提出了基于BIM的水池结构计算与优化流程；并提出了BIM工程制图方法，最终明确了基于BIM 的水池结构设计分析制图一体化解决方案。本文提出的解决方案，能利用BIM的参变性快速建立常规水池结构BIM 模型提高了建模效率，能利用BIM的模拟性进行分析研究保证了BIM模型与水池分析模型的一致性，能利用BIM的可出图性进行BIM制图并使其符合二维制图的标准。该解决方案明确了BIM技术在常规水池结构设计中的作业模式，解决了BIM建模效率低、BIM模型与分析模型独立、BIM出图常不符合企业二维制图要求等问题，提高了BIM三维设计的效率，同时为其他工程中的结构专业BIM 三维设计提供了参考。