三、計算機在給水排水工程設計中的應用

1．給水排水工程CAD技術的發展走向

當今信息時代的CAD技術已得到突飛猛進的發展，給水排水工程CAD技術也隨著社會科學技術的發展有了一些進步，現階段給水排水工程CAD技術已有了4個方面的特點或發展走向。

①智能化。CAD技術用得最多的是二維、三維的幾何形體建模與繪圖，各種機械零部件的設計、電路設計、建筑結構設計、力學分析等。缺點是不能選擇和分析工程中的一些具體方面，比如它在給水和污水處理的構筑物形式，以及在工藝流程方面就不能被充分運用。

目前被運用的只是一種固定死板的程序，它只能按設定好的程序來計算，不能對現場工作人員的經驗、習慣和一些具體狀況作出科學計算和處理。經過技術人員的研究，一種更能理解現場工作人員意圖、更為智能化程序的開發和應用被提上了日程，這種程序被稱為智能CAD。它能將現場人員的經驗和相關知識進行歸納總結而產生規律性的東西，繼而建立起檔案庫，再經推理和分辨機能，輸入程序后形成相當于專家給出的專業意見，且能被人們所掌握和運用。開發和應用這種智能CAD系統，才是在市政工程規劃和實施管理更能起作用的前沿方向和課題。

②信息化。網絡時代最偉大的技術就是互聯網技術，離開網絡支持將會寸步難行，因此必須用好網絡技術。將網絡技術運用到計算機輔助設計中，是CAD技術的一個意義非凡的貢獻。以前要想做好設計工作，只能通過人工方法，要手工做繁重的繪圖、收集資料、測算數據等工作，如碰到一個相當大的工程，既要了解現場情況，收集相當多的歷史資料，又要向專家咨詢問題，更為艱難的是設計圖紙時需要和同事們討論，還須得到上級的審核，可以說是費時費力。當網絡技術介入后，有了網絡輔助設計就可輕松地從事工程規劃和實施管理工作。目前一些單位已建立起內部局域網，成員間可實現網絡資源共享、信息傳遞，還可進行工程管理、網上咨詢、圖紙及文檔管理等等工作。

③集成化。由于給水排水工程涉及范圍廣泛，需要多部門之間的協作和配合。如果離開了供電、道路、通信和煤氣等部門，就會產生交叉和不協調，會形成各自為政的局面。要想解決這一問題，須處理好各個部門之間的協調，須做好CAD軟件的集成化，這樣才能統一規劃、統一設計和統一管理，因此集成化也是工程CAD軟件不可回避的走向。

④專業化。各行各業都有著自己內在的規律，由于一些給水排水工程CAD軟件專業圖庫是各自設計編寫的，有著自己內在的要求，且各個單位還用著自己內部的局域網，行業規范和標準沒有能夠跟上，專業化程度還不夠完善，因此政府相關部門應該出臺電子化專業標準，這樣才能實現CAD軟件專業圖庫能夠互相兼容和相互調用的目標。

相對于以前的傳統設計和管理方法，目前在給水排水方面，CAD技術已有一些進步，但是離更好適應現代化城市發展的要求，離更大提高城市建設水平的目標，還有不少差距。只有在給水排水工程規劃與實施管理中加大開發和應用CAD技術，才能更快地增強我們的設計和管理工作效率，才能更好地提高我們的工作質量，從而才能將我們的城市管理得更好，建設得更加現代化。

2．CAD軟件技術在給水排水設計中的應用

目前建筑CAD技術的應用狀況是整個行業大規模生產的局面已經形成，工程技術人員只有對CAD技術進行更深入開發、更廣泛使用的要求和不斷地為之努力，才能適應社會的發展要求。CAD技術在工程應用中共被分為計算機圖形、工程數據庫、標準件庫和CAD數據交換4部分。這4部分內容表現為既相對獨立又相輔相成，缺一不可。建筑給水排水工程設計中CAD技術的應用開發也應當參照這4部分進行。

1）軟件設計中計算圖形一體化

在設計師設計給水排水工程的時候，CAD軟件不能夠同時兼容數據與圖形是一種需要打破的技術制約。如若不能將所需圖形按照要求精確地計算出比例與具體數據，必定會阻礙設計者的設計進度。在CAD軟件中應用計算與繪圖一體的技術，將數據與設計圖形同框，不僅可以減少設計者人工計算的耗時，還可以有效避免疊加輸入數據造成不可估量的損失，進而避免重蹈覆轍降低設計效率。

現階段的給水排水工程CAD軟件增添了數據自動提取功能，在設計者將圖形計入CAD軟件的同時進行精確的標記與計算。在廣泛運用這種應用之前必須按照先行開發CAD與高級語言計算程序的過程進行，只有在軟件編程中提前設定好高級語言計算程序才能準確無誤地讀取出給水排水工程的數據。CAD顧名思義是指一種自動與高級語言程序成立關系的設計圖形軟件，設計師可以使用這種軟件將圖形繪制出來然后通過計算機與高級語言程序進行融合。采用這種技術應用可以有效地分擔給水排水工程因設計范圍廣泛造成的多種數據交叉無法同時顯示的困難，不僅可以同時處理圖形與數據，還可以儲備曾用方案與數據，具有方便操作與提高設計效率的優勢。

2）CAD建筑工程數據庫的建立

簡言之，數據庫是數據的集合。通常所說的AC-CESS、DBASE、FOXBASE等是指數據庫管理系統。它們提供按一定方式操作數據庫的方法，比如查詢、報表等等。同時，因操作的原因，它們要求數據按特定的方式組合。工程數據庫是工程數據的集合，按數據組合方式的不同，其操作方法也許可以借助已有管理系統，也許需要另外開發，但工程數據庫及其操作方法的建立在設計中是非常必要的。

建筑給水排水工程設計中，在一項設計提交紙面（或計算機）之前，需要工種間進行大量的配合。比如各專業間的互提資料過程，像泵井、水池位置這樣的資料已有較簡單的方法完成。而提地下室的混凝土水池預留防水套管位置就并非如此簡單，要整理許多資料，且整理過程中有可能出錯。使用一種各專業都能操作的工程數據庫，整理資料的工作交給計算機完成，由數據庫再形成條件圖，簡單快捷，不必要的錯誤很少。再如，施工圖中的管道綜合，情況可能更復雜，數據量也非常大，沒有一種合理的數據集合方式和操作方法就不能完成這種工作，也就不能保證以更高的質量和更快的速度提交設計文件。

并非只在專業間配合時才需要數據庫。雖然交付給施工單位的設計最終產品是圖紙，但圖紙中不可能表達一項設計的詳盡信息，部分信息因圖紙表達方式的原因而不能表達出來，這些設計人員自己掌握的信息在工程施工過程中才會一一表達。給水排水工程中大量的信息需要高質量的記憶、組織和管理，這也是數據庫的作用之一。另外，在二維的紙面上表示三維信息，工程中最常用的方法主要有兩種：平、立、剖面結合或平面與軸側圖結合。無論哪種方法，單獨的每幅圖形表達的都是一個事物的不同方面。在不同圖形的相互參考、調用過程中，工程數據庫是一種橋梁和紐帶，利用結構良好的工程數據庫，可以實現不同圖形間的相互轉化，帶來的是速度的提高。此外，目前多數軟件產品中嵌入的規范查詢功能停留在瀏覽規范條文的水平上，逐條瀏覽條文及其說明，最方便的方式是查書，而計算機不具備明顯的優勢。利用數據庫的管理手段，比如對某種設計方法直接查詢各種設計規范的相關內容，這種方式是計算機的優勢而且是設計人員的直接需要。

建立工程數據庫，必然提到一種新技術：視算一體化。目前，國內的軟件公司、高校研制的部分軟件已經開始使用類似的方法。這里需要注意的是視算一體化不是繪圖和計算的簡單集成。工程設計中計算的作用主要在于獲得正確的結果或核實結果是否正確，即計算是針對結果的。對設計人來說實際工程中的設計結果是可以明確表達的圖形部分和不能明確表達的數據部分，也就是說如果只在繪圖軟件中提供一些公式以輔助計算，這不是視算一體化，真正的視算一體化應當是針對工程數據庫的，其中的計算可以認為是對已有圖形數據的提取和補充，并在此基礎上形成新的圖形數據的方式。

3）CAD設備資料庫的使用

在建筑給水排水工程設計中，標準件主要是材料和設備。材料由圖紙中的圖例表示，而設備則牽扯到選型、計算和布置等較多方面。目前的軟件產品一般提供了較完備的材料庫，有的甚至提供能自行擴充維護的材料庫，但設備資料相對較少。雖然一些軟件將水泵等常見設備編入設備庫，但是它們具有先天的缺點：不能提供完整的相關資料和及時的更新。其實，建筑給水排水工程中有些設備的使用比較復雜，比如熱交換、中水處理、游泳池等等，其本身的信息量就決定了它們應當有專門的軟件提供支持。這部分軟件的開發者最恰當的人選應當是生產設備的企業，基本內容應當包括設備的性能特點、使用說明、選型計算方法、支持輔助形成計算書以及能被CAD系統直接調用的文件。在支持多任務的操作平臺上同時使用CAD軟件和設備選型軟件，完成計算選型的設備被直接調入CAD軟件進行布置，這是使用設備資料庫比較理想的方式。

雖然設備資料庫是CAD的必要組成部分，也是今后需要完善的部分，然而國內大多數中小型企業在意識和技術條件上還不具備開發能力。但相信隨著建筑給水排水計算機應用標準、規范的不斷完善，使用設備資料庫必將成為工程技術人員常用而且是有效的方法。

3．CAD軟件在給水排水工程中的應用前景

1）CAD與GIS的集成

因為時間原因，我國必須對老舊排水系統進行改造與建設。但由于各種原因無法對多數地下排水布局與使用材料取得了解，在這種情況下貿然進行整改必定造成不良后果，因而嚴重阻礙工程的實施并給給水排水工程管理者帶來嚴重困擾。

GIS技術主要的應用功能便是管理、輸入與空間分析，其中值得一提的是它具備CAD所沒有的二維矢量拓撲關系與網絡分析功能。在近年來，給水排水工程的改造中不斷將CAD與GIS結合，將數據分析與圖形設計融為一體，二者相輔相成，充分發揮其優點，共同幫助給水排水工程不斷進步。

2）將CAD與給水排水概預算一體化

在歷史文化中，設計者在設計給水排水工程時一般按照先進行圖形設計再將所得數據人工輸入工程預算系統進而取得對工程的完整分析。這種方式不僅耗費人力物力更阻礙了設計進程的進步。目前，大多給水排水工程將CAD與概預算結合于一體，將理想主義的設計添加至經濟預算的范圍內，有效抑制了設計的不現實化并與社會經濟發展緊密結合，進而提高了社會經濟水平。

4．BIM在建筑給水排水中的應用

1）可視化設計

傳統設計模式下，土建專業向給水排水專業提供資料時主要基于傳統CAD平臺，使用平、立、剖等三維視圖的方式表達和展現，水工專業設計人員有個“平面到立體”閱讀和還原的過程，同時還需要整合結構梁高和位置的信息，因此在遇到項目復雜、工期緊的情況時，在信息傳遞的過程中很容易造成三維信息割裂與失真，造成差錯。而BIM的“所見即所得”具有先天的直觀性和實時性，保證了傳遞過程中信息的完整與統一。

不同于土建專業按樓層劃分的設計模式，給水排水設計是基于各自獨立的系統（例如排水系統、自動噴水滅火系統等），各系統的組成部分位于多個樓層，局部的修改（例如水平管管位的調整）常常會影響到多個樓層平面。傳統設計模式以樓層劃分平面，割裂各個系統內部的聯系，細小的修改需要打開多個圖紙，而BIM從全局上進行繪制，保證了對系統的理解及把控，并且修改起來極其便利。

2）協同設計

傳統設計模式下，CAD只是個繪圖工具，無法加載太多的附加信息，于是給水排水設計在繪圖之外需要向結構專業提取荷載資料、向電氣專業提取用電負荷資料。

BIM模式下，所有信息都在模型中匯總（例如水泵的電量、質量、尺寸），跨專業可以直接讀取，甚至水工專業的水泵電量修改后，電氣專業負荷計算可以實時更新。所有專業圍繞著一個統一的模型，一方面簡化了工作模式，另一方面也強化了協同的有效性和聯動性。另外，目前各大設計院采用的基于CAD平臺的網絡協同設計，采用的是互相引用參照的方式，在重新加載圖紙之前，別的設計人員作的修改并不能實時反映，并且由于引用的圖紙其實是一個大的塊，其中各個圖元的信息無法直接讀出，影響信息的傳遞。而BIM模式下，由于是在同一個模型中工作，給水排水系統設計人員可以實時觀察到消防系統設計人員的修改，以及其他專業設計人員的修改，給協同設計帶來了質的飛躍。

3）管道綜合

BIM模式可以將管道綜合后的凈空高度直觀反映出來，以滿足建筑專業的需要。在BIM模式下，三維直觀的管道系統反映的是管道真實的空間狀態。設計師既可以在繪圖過程中直觀觀察到模型中的碰撞沖突，又可在繪圖后期利用軟件本身的碰撞檢測功能或者第三方軟件來進行硬碰撞（物理意義上的碰撞）或軟碰撞（安裝、檢修、使用空間校核）的檢測。通過BIM三維管道設備模型，發現并檢測出設計沖突，然后反饋給給水排水設計人員，及時進行調整和修改。

4）參數化設計

在Revit模型中，所有的圖紙、二維視圖和三維視圖以及明細表都是基于相同建筑模型數據庫的信息表現形式。Revit參數化修改引擎可自動協調在任何位置（模型視圖、圖紙、明細表、剖面和平面中）進行的修改，并且可以在任何時候、任何地方對設計作任意修改，真正實現了“一處修改、處處更新”。例如在給水排水設計后期，平面布置的調改，造成消火栓、噴頭以及其他消防設備數量的變化，在材料表中可以實時更新，從而極大地提高了設計質量和設計效率。

參數化不僅體現在模型中表達形式的高度統一，更重要的是將輔助計算引入BIM設計。例如：以往給水排水設計人員在水力計算時習慣于自己在Excel或其他軟件中編制公式，制作計算表等進行輔助設計。而BIM設計過程可以直接從模型上讀取設備和衛生器具信息，設定好管道的摩阻等水力特性參數后，即可以自動修改管徑。

5）材料表統計

以往編制材料表時一般依靠給水排水設計人員根據CAD文件進行測量和統計，這樣費時費力而且容易出錯，如果圖紙修改，重新統計是件非常繁瑣的事。BIM本身就是一個信息庫，可以提供實時可靠的材料表清單。通過BIM獲得的材料表可以用于前期成本估算、方案比選、工程預決算。

6）安裝模擬

設計的目的就是為了指導施工，施工過程中一些復雜的、管線較多的吊頂區域，各分包常常是互不相讓，互相擠占空間。這一方面造成了不必要的浪費，另一方也耽誤工期。將時間維度引入三維設計，通過制定準確的四維安裝進度表，可以實現對施工項目的預先可視化，可以合理安排安裝進度，更加全面地評估與驗證設計是否合理、各專業是否協調，可以簡化設計與安裝的工作流程，幫助減少浪費、提高效率，同時顯著減少設計變更。

由于BIM設計與二維繪圖思維習慣的不同，在普及時也會遇到一定的困難，需要避免新的建模與設計方法在普及期損失效率。由于開發者自身的局限性，盡管BIM軟件還有著諸多不完善的地方，但隨著建筑行業信息化進程的加快，BIM設計代表了當今設計工作的發展方向，必將隨著應用推廣而不斷完善和成熟，相信BIM在給水排水設計人員中的普及必將勢在必行。