BIM 技術在建筑給排水設計中的應用
——以港珠澳大橋東人工島主體建筑為例

陳海琪

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510220）

1 工程簡介

1.1 工程概況

東人工島主體建筑位于港珠澳大橋東人工島上，是港珠澳大橋橋隧東連接樞紐，向東毗鄰香港大嶼山及香港國際機場，項目定位為珠江口伶仃洋上的標志性建筑，主體建筑豎向位于人工島隧道暗埋段上，主體結(jié)構(gòu)和基礎結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計使用年限與港珠澳大橋同為120 a。

東人工島主體建筑分為地下2層，地上4層，建筑高度為23.6 m，主體建筑地上建筑面積26 677.92 m2，地下室建筑面積14 456.86 m2。負一層和負二層主要設置為設備功能房，首層沿中央風孔周邊設置大橋管理辦公房和養(yǎng)護救援功能用房，二、三層沿著中央風孔考慮商業(yè)預留，四層布置成港珠澳大橋模型展廳。

圖1為東人工島主體建筑整體效果。

圖1 整體效果Fig.1 The overall effect

1.2 給排水及消防系統(tǒng)

東人工島主體建筑作為集多種功能于一體的綜合運營中心，給排水及消防系統(tǒng)相對復雜，除了常規(guī)的系統(tǒng)外還運用了高壓細水霧系統(tǒng)和七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)。

1.2.1 給排水系統(tǒng)

東人工島主體建筑的生活給水系統(tǒng)水源源自西人工島，通過2根DN200給水管沿著海底隧道進行引水，接管點的供水壓力≥0.20 MPa。生活給水系統(tǒng)分高低兩區(qū)，低區(qū)充分利用珠海陸域至人工島的給水管壓力直供，高區(qū)采用變頻給水設備+低位水箱供水，水箱內(nèi)設置自潔消毒器保證水質(zhì)要求，衛(wèi)生器具最低工作壓力均按照GB 50015—2003《建筑給水排水設計規(guī)范》[1]要求設置。

室內(nèi)排水系統(tǒng)采用分流制，分為生活污水系統(tǒng)（主要排除淋浴、盥洗、糞便污水），生活廢水系統(tǒng)（主要排除廚房廢水），地下室廢水系統(tǒng)（主要排除消防廢水、結(jié)構(gòu)滲漏水及車庫沖洗水）。地下室廢水系統(tǒng)在地下二層設備房內(nèi)及走廊設置集水井，井內(nèi)各配置潛污泵2臺，廢水經(jīng)提升后排至室外排水系統(tǒng)。屋面雨水采用虹吸雨水系統(tǒng)，二、三層外走廊雨水采用重力式排放，在結(jié)構(gòu)柱中預埋管道，雨水至首層散排。生活污水和生活廢水經(jīng)污水處理裝置處理后的回用水可以用于綠化灌溉。

1.2.2 消防系統(tǒng)

根據(jù)GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》[2]和GB 50067—2014《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規(guī)范》[3]設計要求，東人工島主體建筑設計有室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、室外消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、高壓細水霧滅火系統(tǒng)和七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)。建筑內(nèi)布置有用于隧道消防用水的消防泵房及消防水池。主體建筑是屬于港珠澳大橋橋隧東連接樞紐，多家設計單位的管線均集中布置在內(nèi)，消防系統(tǒng)復雜，管線綜合協(xié)調(diào)量大。

1.2.3 管材管件

東人工島主體建筑室內(nèi)生活冷熱水系統(tǒng)采用304薄壁不銹鋼管，根據(jù)GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》[4]和GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》[5]安裝要求，當架空管道管徑≤DN50時，采用螺紋和卡壓連接，當管徑＞DN50時，采用溝槽連接件連接、法蘭連接。室內(nèi)重力排水管道均采用離心鑄鐵排水管及配件，承插連接。室外埋地重力排水管道采用玻璃鋼纖維增強塑料夾砂管（FRPM管），潛水排污泵的壓力排水管道采用涂塑鋼管，溝槽式或法蘭連接。地下室外墻以外的埋地管采用雙層聚乙烯PE給水管，與涂塑鋼管之間通過鋼塑轉(zhuǎn)換接頭連接。虹吸雨水系統(tǒng)雨水斗及管道采用316不銹鋼材質(zhì)，管徑DN100以下采用卡壓連接，DN100以上法蘭連接。根據(jù)GB 50898—2013《細水霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》[6]要求，高壓細水霧系統(tǒng)管道采用滿足系統(tǒng)工作壓力要求的無縫不銹鋼管316L，管道采用氬弧焊焊接或卡套連接。

室內(nèi)消火栓系統(tǒng)及自動噴水滅火系統(tǒng)主干管采用內(nèi)外壁熱鍍鋅鋼管（P=1.6 MPa）及配件。管徑≤DN50，采用螺紋連接。管徑＞DN50，采用溝槽式連接。室外埋地消防給水管采用雙層聚乙烯PE給水管，電熱熔連接。

1.3 項目難點

在清水混凝土及成品隔斷墻上預留的孔洞、預埋件設施需全部提前考慮，嚴禁后期開鑿及打孔，影響整體效果。首層層高8.1 m，二層、三層的層高4.8 m，四層高5.6 m。其中負一和負二層的設備房及管線路由走向最為復雜。主體建筑利用暗埋段空箱結(jié)構(gòu)形成負二層，用作島上建筑及隧道共用的設備用房，含35 kV變電所及隧道用消防泵房等。主體建筑首層地面與隧道暗埋段頂板形成負一層，本層層高從東至西依次遞增，東部區(qū)域用于管線夾層，夾層最低凈空不足1.7 m。管線夾層為本項目管線布置最復雜的地方，其中包含多條交通工程電纜橋架、隧道壓力廢水、隧道消防水泵接合器管線。電纜橋架最大尺寸為600 mm×600 mm，隧道壓力廢水管最大管徑為DN350，橋架及水管轉(zhuǎn)彎半徑所需空間非常大，房建所需的給排水管、消防水管同時集中于管線夾層內(nèi)，其中從建筑上部下穿至負一層的排水管均需從該層側(cè)壁穿出接至室外檢查井。側(cè)壁孔洞均已預埋完畢，負一層側(cè)壁厚度為600 mm，其中負一層與負二層樓板厚度為1 400 mm，再鑿重新開孔的難度極大，若重新開孔則會影響到隧道及房建結(jié)構(gòu)安全，由于孔洞預留的局限性使得后期管線路由優(yōu)化難度非常大，同時本項目使用綜合支吊架，支吊架根據(jù)圖紙管線路由進行預制，支架均已按照GB 50981—2014《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》進行計算[7]，現(xiàn)場再調(diào)整管線勢必影響工期進度，多重制約因數(shù)重疊，因此只能在現(xiàn)有條件內(nèi)尋找突破。

由于本項目承擔的功能較多，各種設備房管線路由分散，同時土建結(jié)構(gòu)復雜，柱和梁的尺寸較大，導致機電設備專業(yè)管線布置空間非常緊張。采用傳統(tǒng)CAD二維圖紙作圖只能在平面上粗略地評估位置是否滿足安裝要求，但是面對負一層狹窄的管線空間，傳統(tǒng)方法則突顯它的局限性了。傳統(tǒng)CAD無法直觀體現(xiàn)三維空間關系，因此，急需引入一種新的技術來解決如此復雜的管線。通過引入BIM技術，在Revit平臺上對給排水管線進行建模，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)及其他機電專業(yè)模型進行三維空間分析可以直觀發(fā)現(xiàn)管線碰撞和凈空過小的問題。同時可以導入二次裝修天棚模型與機電管線進行凈空分析，確定最合適的天棚高度。

2 BIM技術在項目中的應用

2.1 Revit軟件使用設置

本項目各機電專業(yè)及建筑結(jié)構(gòu)建模人員均在同一個服務器上協(xié)同工作，把本專業(yè)模型上存至服務器組成中心模型。中心文件包含7個專業(yè)，分別為建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣、控制和綜合支吊架。各自使用本地文件副本編輯并定時同步至中心文件。

由于本項目各專業(yè)參與建模人員眾多，在建模前需要統(tǒng)一參照平面，使得各專業(yè)在同一個參照平面上建模，并規(guī)范各專業(yè)的工作集及相關命名方式，避免工作集混亂和中心文件誤刪的問題。給排水專業(yè)設備、閥門、管道附件眾多，在建模前需要統(tǒng)一管道材質(zhì)、顏色、管徑等，設置所需系統(tǒng)類型，在管道系統(tǒng)類型屬性菜單里填寫對應系統(tǒng)的縮寫，此步驟有助于后期對過濾器的設置使用，根據(jù)作圖需要可以調(diào)整管道和系統(tǒng)的可見性。

2.2 模型創(chuàng)建與管線協(xié)調(diào)

傳統(tǒng)建模方式多數(shù)是各專業(yè)先根據(jù)CAD圖紙管道標高及路由進行建模，建模完成后做碰撞檢測報告，最后根據(jù)檢測碰撞報告逐一調(diào)整，結(jié)果導致調(diào)整的時間比建模時間更長，按照原來方法調(diào)整碰撞不僅效率低下而且缺乏整體性。因此，本項目決定改用新辦法。各專業(yè)把CAD圖紙疊加至同一平面，先從走道區(qū)域分析，通過建筑模型直觀反映走道尺寸，然后機電各專業(yè)在建模前確定基本排布原則，減少相互交叉，節(jié)省空間。如圖2為負二層走道布置示例。

圖2 東人工島負二層走道Fig.2 Negative second floor walkway of the east artificial island

各機電管線排布原則如下：1）暖通風管在最上層，電氣橋架在第二層，給排水管在最下一層；2）大管優(yōu)先，小管讓大管；3）有壓管讓無壓管；4）可彎管線讓不可彎管線、分支管線讓主干管線；5）附件少的管線避讓附件多的管線；6）管線或橋架交叉優(yōu)先考慮上翻；7）管線上下層布置考慮綜合管線橫桿和閥門安裝空間；8）考慮噴頭、風口、燈具安裝施工空間；本項目使用年限為120 a，因此必須考慮預留后期設備管線更換的空間，根據(jù)眾多項目經(jīng)驗及結(jié)合施工現(xiàn)場要求，每條走道至少預留凈空為400 mm的檢查通道。如圖3為負一層南側(cè)局部示例。

2.3 運用BIM技術解決重難點

圖3 負一層南側(cè)局部圖Fig.3 Negative floor local map on the south side

主體建筑負二層是一個斜板結(jié)構(gòu)，東高西底的走向，走道完成面呈現(xiàn)一個跌水形狀，若采用傳統(tǒng)CAD二維平面圖上只顯示一條水平線，通過BIM技術運用Revit軟件平臺可以直觀真實反映出管道的坡度及走向。由于負二層設備肩負了隧道供電和消防監(jiān)控的功能，因此，重型設備尺寸較大，對走道凈空要求高，平均凈空需大于3.0 m，通過Revit管線建?？梢哉鎸嵞M運輸路線及凈空條件。對于結(jié)構(gòu)為斜板或者回填面高差較大的空間運用BIM技術解決問題顯得特別重要。

本項目負一層集給排水、電氣、暖通管線，以負一層C交15軸為例，此處有結(jié)構(gòu)反梁，結(jié)構(gòu)反梁高1 200 mm，總凈空只有1 400 mm，通過Revit軟件生成局部三維可以直觀反映出結(jié)構(gòu)梁的實際尺寸，運用多視角轉(zhuǎn)換方法協(xié)調(diào)平衡各專業(yè)管線的占位空間，減少管道碰撞。

2.4 BIM技術對給排水管線的優(yōu)化

通過給排水專業(yè)管線建模，利用BIM技術進行管線碰撞模擬，在施工前解決碰撞點問題可提高施工效率，這也是BIM技術的重要功能之一。

以首層到負一層的車道為例，此處為地下停車場唯一車道，考慮后期大型運輸車輛的高度，因此車道凈空需大于3.0 m。按照原方案給排水管道靠近9軸布置，廢水管、虹吸雨水管、污水管均需經(jīng)過車道，凈空為2.75 m，見圖4車道給排水管優(yōu)化前后對比示例。

圖4 車道給排水管優(yōu)化前后對比示例Fig.4 Comparison examples before and after the water supply and drainage pipe optimization of lane

為滿足項目使用功能要求，通過BIM平臺技術，在三維空間進行實際尺寸的校核調(diào)整，把原來的排水管道移動靠近8軸位置，如圖4所示，進行優(yōu)化之后的排水管道管外底到車道坡面的實際凈空有3.25 m，通過發(fā)揮BIM技術平臺優(yōu)勢可準確并及早完善給排水管線布置。

通過BIM技術平臺解決地下室車道給排水管線優(yōu)化只是BIM技術在本項目應用的一個小縮影。

3 BIM技術應用過程中的經(jīng)驗總結(jié)

3.1 BIM技術應用定位分析

本項目功能布局持續(xù)優(yōu)化，施工圖設計周期長達3 a，在施工圖的中期引入BIM技術，后期運用BIM平臺技術進行施工圖出圖。經(jīng)過項目實踐，建模前必須要注意對模型的作用進行準確定位，因為定位影響模型的深度。舉例說明，第1種情況，本模型只作為普通管線碰撞，可根據(jù)實際情況將DN50以上主管道建模并進行管道碰撞調(diào)整，滿足綜合管線使用即可。第2種情況，若模型需最終出圖使用，此時需要把所有管道包括末端都進行建模，并且需準確錄入管道參數(shù)信息，管道需準確參數(shù)才能標注出圖。

因此，準確定位模型的作用有利于提高模型利用效率，節(jié)省人力資源，提高模型準確性。

3.2 培養(yǎng)BIM設計團隊的協(xié)同能力

目前尚未頒布關于BIM國標設計標準，因此在項目建模啟動初期要建立完善的BIM設計標準，例如專業(yè)分類、文件歸檔、系統(tǒng)命名、管道顏色等。完善工作流程，提高團隊協(xié)同能力，建立適合自身團隊發(fā)展的工作準則。將BIM技術培訓、項目應用和項目總結(jié)形成體系，逐步建立BIM設計團隊以及嚴謹而高效的工作流程。

4 總結(jié)與展望

港珠澳大橋東人工島主體建筑機電設備專業(yè)管線繁多，凈空要求高，設計周期長，負一層側(cè)壁預留孔洞無法更改，在眾多局限條件下完成管線綜合難度大。本項目在BIM技術的支持下提高了圖紙的準確性，在多維度的空間下模擬真實管道的路由走向，相比傳統(tǒng)CAD二維圖紙更能表達現(xiàn)場真實工況，并可協(xié)助施工單位解決復雜的機電安裝節(jié)點。

利用BIM技術能顯著提高施工效率及準確性。建議項目前期做好相關技術準備與模型定位，讓BIM技術進一步融入到項目管理中，最終推動BIM技術的推廣。