三、计算机在给水排水工程设计中的应用

1．给水排水工程CAD技术的发展走向

当今信息时代的CAD技术已得到突飞猛进的发展，给水排水工程CAD技术也随着社会科学技术的发展有了一些进步，现阶段给水排水工程CAD技术已有了4个方面的特点或发展走向。

①智能化。CAD技术用得最多的是二维、三维的几何形体建模与绘图，各种机械零部件的设计、电路设计、建筑结构设计、力学分析等。缺点是不能选择和分析工程中的一些具体方面，比如它在给水和污水处理的构筑物形式，以及在工艺流程方面就不能被充分运用。

目前被运用的只是一种固定死板的程序，它只能按设定好的程序来计算，不能对现场工作人员的经验、习惯和一些具体状况作出科学计算和处理。经过技术人员的研究，一种更能理解现场工作人员意图、更为智能化程序的开发和应用被提上了日程，这种程序被称为智能CAD。它能将现场人员的经验和相关知识进行归纳总结而产生规律性的东西，继而建立起档案库，再经推理和分辨机能，输入程序后形成相当于专家给出的专业意见，且能被人们所掌握和运用。开发和应用这种智能CAD系统，才是在市政工程规划和实施管理更能起作用的前沿方向和课题。

②信息化。网络时代最伟大的技术就是互联网技术，离开网络支持将会寸步难行，因此必须用好网络技术。将网络技术运用到计算机辅助设计中，是CAD技术的一个意义非凡的贡献。以前要想做好设计工作，只能通过人工方法，要手工做繁重的绘图、收集资料、测算数据等工作，如碰到一个相当大的工程，既要了解现场情况，收集相当多的历史资料，又要向专家咨询问题，更为艰难的是设计图纸时需要和同事们讨论，还须得到上级的审核，可以说是费时费力。当网络技术介入后，有了网络辅助设计就可轻松地从事工程规划和实施管理工作。目前一些单位已建立起内部局域网，成员间可实现网络资源共享、信息传递，还可进行工程管理、网上咨询、图纸及文档管理等等工作。

③集成化。由于给水排水工程涉及范围广泛，需要多部门之间的协作和配合。如果离开了供电、道路、通信和煤气等部门，就会产生交叉和不协调，会形成各自为政的局面。要想解决这一问题，须处理好各个部门之间的协调，须做好CAD软件的集成化，这样才能统一规划、统一设计和统一管理，因此集成化也是工程CAD软件不可回避的走向。

④专业化。各行各业都有着自己内在的规律，由于一些给水排水工程CAD软件专业图库是各自设计编写的，有着自己内在的要求，且各个单位还用着自己内部的局域网，行业规范和标准没有能够跟上，专业化程度还不够完善，因此政府相关部门应该出台电子化专业标准，这样才能实现CAD软件专业图库能够互相兼容和相互调用的目标。

相对于以前的传统设计和管理方法，目前在给水排水方面，CAD技术已有一些进步，但是离更好适应现代化城市发展的要求，离更大提高城市建设水平的目标，还有不少差距。只有在给水排水工程规划与实施管理中加大开发和应用CAD技术，才能更快地增强我们的设计和管理工作效率，才能更好地提高我们的工作质量，从而才能将我们的城市管理得更好，建设得更加现代化。

2．CAD软件技术在给水排水设计中的应用

目前建筑CAD技术的应用状况是整个行业大规模生产的局面已经形成，工程技术人员只有对CAD技术进行更深入开发、更广泛使用的要求和不断地为之努力，才能适应社会的发展要求。CAD技术在工程应用中共被分为计算机图形、工程数据库、标准件库和CAD数据交换4部分。这4部分内容表现为既相对独立又相辅相成，缺一不可。建筑给水排水工程设计中CAD技术的应用开发也应当参照这4部分进行。

1）软件设计中计算图形一体化

在设计师设计给水排水工程的时候，CAD软件不能够同时兼容数据与图形是一种需要打破的技术制约。如若不能将所需图形按照要求精确地计算出比例与具体数据，必定会阻碍设计者的设计进度。在CAD软件中应用计算与绘图一体的技术，将数据与设计图形同框，不仅可以减少设计者人工计算的耗时，还可以有效避免叠加输入数据造成不可估量的损失，进而避免重蹈覆辙降低设计效率。

现阶段的给水排水工程CAD软件增添了数据自动提取功能，在设计者将图形计入CAD软件的同时进行精确的标记与计算。在广泛运用这种应用之前必须按照先行开发CAD与高级语言计算程序的过程进行，只有在软件编程中提前设定好高级语言计算程序才能准确无误地读取出给水排水工程的数据。CAD顾名思义是指一种自动与高级语言程序成立关系的设计图形软件，设计师可以使用这种软件将图形绘制出来然后通过计算机与高级语言程序进行融合。采用这种技术应用可以有效地分担给水排水工程因设计范围广泛造成的多种数据交叉无法同时显示的困难，不仅可以同时处理图形与数据，还可以储备曾用方案与数据，具有方便操作与提高设计效率的优势。

2）CAD建筑工程数据库的建立

简言之，数据库是数据的集合。通常所说的AC-CESS、DBASE、FOXBASE等是指数据库管理系统。它们提供按一定方式操作数据库的方法，比如查询、报表等等。同时，因操作的原因，它们要求数据按特定的方式组合。工程数据库是工程数据的集合，按数据组合方式的不同，其操作方法也许可以借助已有管理系统，也许需要另外开发，但工程数据库及其操作方法的建立在设计中是非常必要的。

建筑给水排水工程设计中，在一项设计提交纸面（或计算机）之前，需要工种间进行大量的配合。比如各专业间的互提资料过程，像泵井、水池位置这样的资料已有较简单的方法完成。而提地下室的混凝土水池预留防水套管位置就并非如此简单，要整理许多资料，且整理过程中有可能出错。使用一种各专业都能操作的工程数据库，整理资料的工作交给计算机完成，由数据库再形成条件图，简单快捷，不必要的错误很少。再如，施工图中的管道综合，情况可能更复杂，数据量也非常大，没有一种合理的数据集合方式和操作方法就不能完成这种工作，也就不能保证以更高的质量和更快的速度提交设计文件。

并非只在专业间配合时才需要数据库。虽然交付给施工单位的设计最终产品是图纸，但图纸中不可能表达一项设计的详尽信息，部分信息因图纸表达方式的原因而不能表达出来，这些设计人员自己掌握的信息在工程施工过程中才会一一表达。给水排水工程中大量的信息需要高质量的记忆、组织和管理，这也是数据库的作用之一。另外，在二维的纸面上表示三维信息，工程中最常用的方法主要有两种：平、立、剖面结合或平面与轴侧图结合。无论哪种方法，单独的每幅图形表达的都是一个事物的不同方面。在不同图形的相互参考、调用过程中，工程数据库是一种桥梁和纽带，利用结构良好的工程数据库，可以实现不同图形间的相互转化，带来的是速度的提高。此外，目前多数软件产品中嵌入的规范查询功能停留在浏览规范条文的水平上，逐条浏览条文及其说明，最方便的方式是查书，而计算机不具备明显的优势。利用数据库的管理手段，比如对某种设计方法直接查询各种设计规范的相关内容，这种方式是计算机的优势而且是设计人员的直接需要。

建立工程数据库，必然提到一种新技术：视算一体化。目前，国内的软件公司、高校研制的部分软件已经开始使用类似的方法。这里需要注意的是视算一体化不是绘图和计算的简单集成。工程设计中计算的作用主要在于获得正确的结果或核实结果是否正确，即计算是针对结果的。对设计人来说实际工程中的设计结果是可以明确表达的图形部分和不能明确表达的数据部分，也就是说如果只在绘图软件中提供一些公式以辅助计算，这不是视算一体化，真正的视算一体化应当是针对工程数据库的，其中的计算可以认为是对已有图形数据的提取和补充，并在此基础上形成新的图形数据的方式。

3）CAD设备资料库的使用

在建筑给水排水工程设计中，标准件主要是材料和设备。材料由图纸中的图例表示，而设备则牵扯到选型、计算和布置等较多方面。目前的软件产品一般提供了较完备的材料库，有的甚至提供能自行扩充维护的材料库，但设备资料相对较少。虽然一些软件将水泵等常见设备编入设备库，但是它们具有先天的缺点：不能提供完整的相关资料和及时的更新。其实，建筑给水排水工程中有些设备的使用比较复杂，比如热交换、中水处理、游泳池等等，其本身的信息量就决定了它们应当有专门的软件提供支持。这部分软件的开发者最恰当的人选应当是生产设备的企业，基本内容应当包括设备的性能特点、使用说明、选型计算方法、支持辅助形成计算书以及能被CAD系统直接调用的文件。在支持多任务的操作平台上同时使用CAD软件和设备选型软件，完成计算选型的设备被直接调入CAD软件进行布置，这是使用设备资料库比较理想的方式。

虽然设备资料库是CAD的必要组成部分，也是今后需要完善的部分，然而国内大多数中小型企业在意识和技术条件上还不具备开发能力。但相信随着建筑给水排水计算机应用标准、规范的不断完善，使用设备资料库必将成为工程技术人员常用而且是有效的方法。

3．CAD软件在给水排水工程中的应用前景

1）CAD与GIS的集成

因为时间原因，我国必须对老旧排水系统进行改造与建设。但由于各种原因无法对多数地下排水布局与使用材料取得了解，在这种情况下贸然进行整改必定造成不良后果，因而严重阻碍工程的实施并给给水排水工程管理者带来严重困扰。

GIS技术主要的应用功能便是管理、输入与空间分析，其中值得一提的是它具备CAD所没有的二维矢量拓扑关系与网络分析功能。在近年来，给水排水工程的改造中不断将CAD与GIS结合，将数据分析与图形设计融为一体，二者相辅相成，充分发挥其优点，共同帮助给水排水工程不断进步。

2）将CAD与给水排水概预算一体化

在历史文化中，设计者在设计给水排水工程时一般按照先进行图形设计再将所得数据人工输入工程预算系统进而取得对工程的完整分析。这种方式不仅耗费人力物力更阻碍了设计进程的进步。目前，大多给水排水工程将CAD与概预算结合于一体，将理想主义的设计添加至经济预算的范围内，有效抑制了设计的不现实化并与社会经济发展紧密结合，进而提高了社会经济水平。

4．BIM在建筑给水排水中的应用

1）可视化设计

传统设计模式下，土建专业向给水排水专业提供资料时主要基于传统CAD平台，使用平、立、剖等三维视图的方式表达和展现，水工专业设计人员有个“平面到立体”阅读和还原的过程，同时还需要整合结构梁高和位置的信息，因此在遇到项目复杂、工期紧的情况时，在信息传递的过程中很容易造成三维信息割裂与失真，造成差错。而BIM的“所见即所得”具有先天的直观性和实时性，保证了传递过程中信息的完整与统一。

不同于土建专业按楼层划分的设计模式，给水排水设计是基于各自独立的系统（例如排水系统、自动喷水灭火系统等），各系统的组成部分位于多个楼层，局部的修改（例如水平管管位的调整）常常会影响到多个楼层平面。传统设计模式以楼层划分平面，割裂各个系统内部的联系，细小的修改需要打开多个图纸，而BIM从全局上进行绘制，保证了对系统的理解及把控，并且修改起来极其便利。

2）协同设计

传统设计模式下，CAD只是个绘图工具，无法加载太多的附加信息，于是给水排水设计在绘图之外需要向结构专业提取荷载资料、向电气专业提取用电负荷资料。

BIM模式下，所有信息都在模型中汇总（例如水泵的电量、质量、尺寸），跨专业可以直接读取，甚至水工专业的水泵电量修改后，电气专业负荷计算可以实时更新。所有专业围绕着一个统一的模型，一方面简化了工作模式，另一方面也强化了协同的有效性和联动性。另外，目前各大设计院采用的基于CAD平台的网络协同设计，采用的是互相引用参照的方式，在重新加载图纸之前，别的设计人员作的修改并不能实时反映，并且由于引用的图纸其实是一个大的块，其中各个图元的信息无法直接读出，影响信息的传递。而BIM模式下，由于是在同一个模型中工作，给水排水系统设计人员可以实时观察到消防系统设计人员的修改，以及其他专业设计人员的修改，给协同设计带来了质的飞跃。

3）管道综合

BIM模式可以将管道综合后的净空高度直观反映出来，以满足建筑专业的需要。在BIM模式下，三维直观的管道系统反映的是管道真实的空间状态。设计师既可以在绘图过程中直观观察到模型中的碰撞冲突，又可在绘图后期利用软件本身的碰撞检测功能或者第三方软件来进行硬碰撞（物理意义上的碰撞）或软碰撞（安装、检修、使用空间校核）的检测。通过BIM三维管道设备模型，发现并检测出设计冲突，然后反馈给给水排水设计人员，及时进行调整和修改。

4）参数化设计

在Revit模型中，所有的图纸、二维视图和三维视图以及明细表都是基于相同建筑模型数据库的信息表现形式。Revit参数化修改引擎可自动协调在任何位置（模型视图、图纸、明细表、剖面和平面中）进行的修改，并且可以在任何时候、任何地方对设计作任意修改，真正实现了“一处修改、处处更新”。例如在给水排水设计后期，平面布置的调改，造成消火栓、喷头以及其他消防设备数量的变化，在材料表中可以实时更新，从而极大地提高了设计质量和设计效率。

参数化不仅体现在模型中表达形式的高度统一，更重要的是将辅助计算引入BIM设计。例如：以往给水排水设计人员在水力计算时习惯于自己在Excel或其他软件中编制公式，制作计算表等进行辅助设计。而BIM设计过程可以直接从模型上读取设备和卫生器具信息，设定好管道的摩阻等水力特性参数后，即可以自动修改管径。

5）材料表统计

以往编制材料表时一般依靠给水排水设计人员根据CAD文件进行测量和统计，这样费时费力而且容易出错，如果图纸修改，重新统计是件非常繁琐的事。BIM本身就是一个信息库，可以提供实时可靠的材料表清单。通过BIM获得的材料表可以用于前期成本估算、方案比选、工程预决算。

6）安装模拟

设计的目的就是为了指导施工，施工过程中一些复杂的、管线较多的吊顶区域，各分包常常是互不相让，互相挤占空间。这一方面造成了不必要的浪费，另一方也耽误工期。将时间维度引入三维设计，通过制定准确的四维安装进度表，可以实现对施工项目的预先可视化，可以合理安排安装进度，更加全面地评估与验证设计是否合理、各专业是否协调，可以简化设计与安装的工作流程，帮助减少浪费、提高效率，同时显著减少设计变更。

由于BIM设计与二维绘图思维习惯的不同，在普及时也会遇到一定的困难，需要避免新的建模与设计方法在普及期损失效率。由于开发者自身的局限性，尽管BIM软件还有着诸多不完善的地方，但随着建筑行业信息化进程的加快，BIM设计代表了当今设计工作的发展方向，必将随着应用推广而不断完善和成熟，相信BIM在给水排水设计人员中的普及必将势在必行。