摘要：传统的水务工程结构设计以单个构件设计为基础，结构模型与其他专业模型相对独立，具有一定的局限性。在亚洲最大的污水处理厂结构设计中，采用 BIM 正向设计理念和技术，研究建立结构 BIM 模型，在结构专业内部探索实现整体参数化三维设计和自动出图，并将结构模型数据通过 REVIT 平台实现与各专业间的实时协同和传递，大大提升设计效率和精度，也为整个项目的全生命周期 BIM 应用打下基础。
关键词：正向设计;水务结构;BIM 应用
随着 BIM 技术的推广普及，上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司作为上海市建筑信息模型技术应用转型示范企业，结合实际工程项目，对 BIM 技术在水务工程结构信息化设计的应用进行探索研究。
竹园污水处理厂包括第一、第二污水处理厂(提标改造后)和新建的第三污水处理厂，建成后将是亚洲最大规模的污水处理厂。其中竹园第一污水处理厂提标改造(一厂改造)工程总投资约 10.2 亿元 , 在工程建设全生命周期探索应用 BIM 理念和技术。
本工程围绕服务上海水利、供水和排水三大领域“全生命周期应用”目标，构建 BIM 技术水务应用信息共享平台，加强设计、施工和运维主要业务环节协同。设计阶段部分结构单体探索采用 BIM 正向设计，目的是优化设计方案、避免后期变更，在减少变更成本的同时优化工程质量和工期，输出符合 BIM 全生命周期应用标准要求的结构专业信息模型 [1-2]。
1 正向设计的特点
1.1 集成协同
以 BIM-REVIT 模型作为结构设计信息集成核心，便于与其他专业系统交互协同，通过 REVITYJKS_V1.8 将模型数据导入 YJK 中进行水池结构计算设计，并保持两者的联动更新。协同模型与计算模型示意见图 1。
1.2 整体计算设计
采用考虑水池真实空间变形的弹性板单元和壳墙元进行整体有限元计算，避免传统设计以单个构件为基础进行包络归并计算的局限性，从而使结果更加经济合理。
1.3 参数化设计
水池结构荷载主要有其特殊性，一是大量水压力荷载均为梯形或三角形荷载，手工输入效率较低 ;二是对于多区格水池，需合理考虑其不同水池区格有水无水工况组合的不利效应。
正向设计平台提供水池荷载参数化定义窗口，通过简单的水位参数输入自动生成水压力荷载(见图 2)。
配合 YJK 提供的自定义工况功能，将每个独立水池区格定义为一个自定义工况荷载，从而高效考虑水池内外水各种荷载组合(见图 3)。
地震作用支持反应位移法和振型分解反应谱法，考虑地下结构的动水、动土压力。
1.4 三维可视
整体云图显示和水池剖切面内力显示，结果查看更清晰(见图 4)。
1.5 自动出图
支持水池专业出图和池壁裂缝验算联动校核。水池结构墙体配筋一般由裂缝宽度及抗裂度验算控制，而这两项验算需在确定配筋方案的基础上进行。因此，需在整体有限元内力计算得到配筋值的基础上进行试配筋，多次交互后得出最终满足裂缝宽度及抗裂度要求的配筋方案。
传统的设计方法一般只给出整体计算配筋值，未考虑裂缝要求，需进行手工复核，设计效率较低且在大量计算时易出错。正向设计的自动出图模块提供配筋方案与裂缝宽度和抗裂度验算的交互窗口，自动读取整体计算配筋值和配筋方案进行裂缝校核出图，并实现两者间的联动，大大提高设计效率 [3]。
对于较为复杂的水池结构，探索将设计调整完毕的结构计算信息流导入自主研发中的轻量化信息处理平台 BIM3D，进行任意剖面的剖切出图(见图 5)。
1.6 适应面广
对复杂水务结构及各种附属建筑按实际空间关系建模计算(见图 6)。
2 紫外消毒池正向设计示例
紫外消毒池是本工程一个典型的结构单体，以紫外消毒池为例，选取水务工程结构正向设计中的初步成果予以具体介绍。
2.1 计算建模
采用 REVIT 与 YJK 联合建模计算，REVIT 模型主要实现三维设计及与其他专业的协同，并作为后期出图的基础平台;YJK 模型主要用于结构计算，联动输出主要结构设计结果 [4]。
REVIT 模型与 YJK 模型采用同步关联设置，使两者在设计过程中保持高度一致，以保证设计精确度和协调性，结合 YJK 和 REVIT 软件的出图功能进行施工图出图。
2.2 主要荷载取值
板自重由程序自动计算。板水荷载按实际水深度输入，顶板附加恒载取 5 kN/m2 ，顶板活载取 7 kN/m2 ，夹层板活载取 2 kN/m2 ，室外地面附加荷载取 10 kN/m2 。外水压力、土压力由 YJK 程序自动计算(见图 7)。
内水压力采用自定义恒荷载工况输入，根据本工程水池内部区格划分，共分为 9 个相对独立的水区格工况，按全组合方式充分考虑各种组合计算的最不利效应。以上荷载由程序按规范自动组合(见图 8)。水池外墙主要有限元计算见图 9 ～图 14。
2.3 基于 BIM 平台的后处理出图
对于较为规则的水池结构，在 YJK 中完成计算和墙体裂缝控制交互配筋后，通过 REVIT-YJKS 将配筋信息传回 REVIT 模型，在 REVIT 完成平法施工图，典型墙体平法配筋图见图 15。
采用 BIM 正向设计方式进行水池设计出图具有准确、高效、优化的特点，模型和配筋标注均为实时联动，避免标注、修改时出错。模型调整后，图纸可在平台中批量生成。所有构件均在模型中按实际条件参与计算，配筋更有针对性。经与传统设计方式对比，水池外墙钢筋用量优化约 15%，在大型水务工程中可有效节约造价。
本文来源于：《中国市政工程》(双月刊)创刊于1976年，由上海市城市建设设计研究院主办。本刊主要报道市政工程建设方面的科学研究、设计、施工、材料等方面的实践成果和理论探讨,重点突出市政工程领域的新技术、新工艺等最新科研成果。我们竭诚欢迎从事市政工程及其相关行业的广大科技人员踊跃投稿。
3 结语
采用 BIM 能考虑实际的施工顺序。分析内容包括规范要求荷载组合下的结构强度、变形、构件配筋设计。总体而言可较好满足设计和审图要求。
采用 BIM 方式进行水务结构正向设计计算分析，是基于协同模型的三维空间整体全过程分析，符合规范对复杂地下空间结构的分析要求。采用整体有限元计算分析方式，得出任意整体和局部的三维变形、内力、应力分析结果。因此，分析设计的精度较传统方式有较大进步，可有效节约工程钢筋用量。采用三维协同建模分析，能更方便地与各专业深入配合和调整修改，有助于提高设计效率 [1-2]。
随着 BIM 技术推广普及，水务工程设计行业对于如何利用 BIM 技术真正解放设计生产力具有迫切需求。目前，各类结构三维设计分析软件、 BIM 软件基本都局限于各自的数据格式和应用范围内，结构设计信息流应用停留在各点上，要想使其串联流动起来障碍很多。而大型水务项目设计综合性强、专业信息应用需求贯穿项目全生命周期，因此常受限于不同结构设计软件由于数据格式不同形成的壁垒，无法真正将 BIM 信息流转化为生产力， BIM 的应用被局限在精度要求较低的项目方案展示和沟通上，BIM 的潜力没有得到充分发掘 [3]。
基于以上考虑，结合实际工程项目，充分利用现有主流 BIM 平台(AUTODESK)[4] 和结构分析软件(迈达斯、盈建科等)进行深入信息传递接口和信息流应用研发是性价比高、风险低、较理性的研发方案，同时有利于在最短的时间内将研发成果向实际生产力转化，这将是结构正向设计后续研究的主要方向 [4-5]。——论文作者：杨 海 涛
参考文献 ：
[1] 徐敏生 . 市政 BIM 理论与实践 [M]. 上海:同济大学出版社 ,2016.
[2] 市政给排水信息模型应用标准 :DG/TJ 08-2205—2016[S]. 上海:同济大学出版社 ,2016.
[3] 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司 BIM 中心课题组 .BIM 参数化出图在地下工程中的应用研究 [R].2016.
[4] 中国勘察协会 , 欧特克软件(中国)有限公司 .Autodesk BIM 实施计划使用的 BIM 实施框架 [M]. 北京:中国建筑工业出版社 ,2010.
[5] 韦巍 .BIM 技术在市政给排水构筑物设计中的应用 [J]. 中国市政工程 ,2014(5):42-43.
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