創(chuàng)新BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用 滿足城市供水需求

林晨 蔣奇 蘆辰 吳明哲 何贏

通州位于北京的東南部，為北京市主要流域的下游，水量豐富，但水質(zhì)性缺水嚴(yán)重。通州水廠以南水北調(diào)來(lái)水為水源，經(jīng)通州支線工程輸送原水至通州水廠。一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模每日20萬(wàn)立方米，供水服務(wù)面積155平方公里，服務(wù)人口90萬(wàn)人?？傇O(shè)計(jì)規(guī)模每日60萬(wàn)立方米，供水服務(wù)面積906平方公里，服務(wù)人口200萬(wàn)人， 建成后地區(qū)供水能力提升至2011年的2.8倍。通州水廠項(xiàng)目將為優(yōu)化首都水資源配置，保障北京城市副中心供水安全，保護(hù)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)重大意義。針對(duì)主要水源為南水北調(diào)來(lái)水的水質(zhì)特點(diǎn)，通州水廠采用“預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理”的工藝，出水設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。源水經(jīng)輸送到達(dá)水廠，先進(jìn)入格柵間截留較大的懸浮物、漂浮物，通過(guò)配水井將原水進(jìn)水分配至各期凈化系列。第一步進(jìn)入預(yù)臭氧接觸池去除水中的藻類、色、嗅、味等，改善過(guò)濾效果;第二步進(jìn)入高效沉淀池，使水中的藻類、懸浮物，混合、凝聚、沉淀;第三步進(jìn)入砂濾池，進(jìn)一步降低水的濁度。之后進(jìn)入主臭氧-活性炭濾池，有效去除消毒副產(chǎn)物，改善水質(zhì)的嗅、味等感官指標(biāo)及生物穩(wěn)定性;最后到達(dá)清水池，通過(guò)配水泵房將水輸送出廠到達(dá)千家萬(wàn)戶。場(chǎng)區(qū)內(nèi)同時(shí)配有加藥間、加氯加酸加堿間、臭氧制備間，以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。

通州水廠的BIM設(shè)計(jì)過(guò)程

BIM（建筑信息化模型，Building Information Modeling）是一個(gè)完備的信息模型，能夠?qū)⒐こ添?xiàng)目在全壽命周期中各個(gè)不同階段的工程信息、過(guò)程和資源集成在一個(gè)模型中，方便地被工程各參與方使用。通過(guò)三維數(shù)字技術(shù)模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，為工程設(shè)計(jì)和施工提供相互協(xié)調(diào)、內(nèi)部一致的信息模型，使該模型達(dá)到設(shè)計(jì)施工的一體化，各專業(yè)協(xié)同工作，從而降低了工程生產(chǎn)成本，保障工程按時(shí)按質(zhì)完成。通州水廠全程采用BIM設(shè)計(jì)，對(duì)水處理車間、清水池、綜合辦公樓和其他附屬建筑物等建立了數(shù)字化水廠三維模型。通過(guò)三維協(xié)同設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)手段全面進(jìn)化，逐步推行標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)二維設(shè)計(jì)的施工圖及工程量統(tǒng)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。引入全生命周期設(shè)計(jì)及管理理念，全面提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率，同時(shí)滿足政府對(duì)建筑節(jié)能、降低施工成本和減少對(duì)周圍環(huán)境影響的要求。

通州水廠項(xiàng)目采用ProjectWise作為三維設(shè)計(jì)的協(xié)同平臺(tái)。由于工程復(fù)雜，參與三維協(xié)同設(shè)計(jì)的專業(yè)有：工藝、水工、建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、水機(jī)、電氣、金結(jié)、地質(zhì)、測(cè)繪等。各專業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料、三維信息模型、抽取的二維圖紙及工程量統(tǒng)計(jì)表均使用PW平臺(tái)管理，通過(guò)相應(yīng)的人員及權(quán)限管理，使13個(gè)專業(yè)的50名工程師可以共享數(shù)據(jù)和模型，避免了二維設(shè)計(jì)階段各專業(yè)間按序提交設(shè)計(jì)資料和因?yàn)橘Y料不統(tǒng)一造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

水工、金結(jié)、建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)采用AECOsim Building Designer、ProStructures軟件建立混凝土結(jié)構(gòu)的三維信息模型并進(jìn)行三維配筋工作。通州水廠設(shè)計(jì)中包含了大量的異形混凝土結(jié)構(gòu)，AECOsim Building Designer軟件能夠方便直觀地繪制各類復(fù)雜的異形混凝土結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)二維圖紙的臨摹，建立混凝土結(jié)構(gòu)的大概輪廓，然后應(yīng)用諸如開(kāi)孔，剪切實(shí)體等功能，使三維模型達(dá)到施工圖模型深度，并通過(guò)后臺(tái)添加模型屬性使三維模型成為信息模型。繪制完成異型混凝土結(jié)構(gòu)模型后，使用ReStation軟件可以完成模型內(nèi)部的三維配筋工作，通過(guò)定制模板可以大大提高三維配筋的工作效率。采用OpenRoad（PowerCivil for China）進(jìn)行場(chǎng)地開(kāi)挖和道路渠道設(shè)計(jì)，利用ECIDI二次開(kāi)發(fā)的GeoStation三維地質(zhì)建模程序進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)建模、分析計(jì)算、二維出圖。形成精確的土方算量和場(chǎng)地開(kāi)挖方案。

電氣及自動(dòng)化專業(yè)采用了Substation和BRCM軟件，進(jìn)行電纜敷設(shè)、電纜橋架及電氣元件的建模布置。在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式下電氣及自動(dòng)化專業(yè)的設(shè)計(jì)人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算分析和人工制圖，而且受二維設(shè)計(jì)環(huán)境的限制，很難參考其他專業(yè)的設(shè)計(jì)成果，設(shè)計(jì)效率較低。利用Substation和BRCM軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后，一方面設(shè)計(jì)人員有了統(tǒng)一的可協(xié)同的設(shè)計(jì)環(huán)境，保證了設(shè)計(jì)成品的標(biāo)準(zhǔn)化，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和協(xié)同水平;另一方面利用BRCM軟件提供了自動(dòng)敷設(shè)電纜的功能和實(shí)時(shí)材料統(tǒng)計(jì)功能，使設(shè)計(jì)效率得到提高，同時(shí)可實(shí)時(shí)了解電纜橋架的布置情況，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更多的優(yōu)化。

工藝、暖通、給排水、水機(jī)專業(yè)利用OpenPlant系列軟件進(jìn)行水機(jī)、管道設(shè)計(jì)和出圖。

景觀綠化專業(yè)利用LumenRT軟件結(jié)合各專業(yè)總裝模型生成的iModel文件進(jìn)行動(dòng)畫(huà)渲染和景觀布置，使新建項(xiàng)目與自然環(huán)境及周邊建筑物更協(xié)調(diào)。最終利用Navigator進(jìn)行三維模型碰撞檢查和校審，發(fā)現(xiàn)了40余處設(shè)計(jì)疏漏和錯(cuò)誤。同時(shí)由于將精確的材料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及時(shí)地反饋給施工單位，使得在電纜材料一項(xiàng)上就節(jié)省了10%左右的施工成本。多專業(yè)的協(xié)同配合下準(zhǔn)確地完成各單體模型的建立，利用軟件平臺(tái)方便高效的出圖功能，共生成二維圖紙400余張。通過(guò)篩選整理最終制作了通州水廠一期工程三維數(shù)字化設(shè)計(jì)圖集。圖集中采用三維軸測(cè)圖配以平（剖）面圖的表示方法，使圖紙包含了更多信息，得到了施工單位和業(yè)主的認(rèn)可。

BIM設(shè)計(jì)與工程創(chuàng)新

采用Bentley三維設(shè)計(jì)軟件之后，26位工程師耗時(shí)40天即完成了所有的三維建模、二維抽圖和工程量統(tǒng)計(jì)工作，在工程量統(tǒng)計(jì)一項(xiàng)上節(jié)省了50%以上的設(shè)計(jì)工時(shí)。同時(shí)，采用三維模型的碰撞檢查功能，削減了40%的圖紙審核工時(shí)。

利用ProjectWise軟件平臺(tái)，提升了各個(gè)專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)水平和手段，利用WorkSpace的推送使各參與專業(yè)能夠在一致的環(huán)境下建立模型，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。同時(shí)利用ProjectWise軟件梳理規(guī)范了三維設(shè)計(jì)流程，保證團(tuán)隊(duì)的協(xié)同工作，大幅提高了工作效率。通州水廠工程在設(shè)計(jì)理念階段和項(xiàng)目執(zhí)行階段都采用了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。

設(shè)計(jì)理念階段的創(chuàng)新

（1） 凈水工藝布置：結(jié)合廠區(qū)地形地勢(shì)、利用原水水壓，優(yōu)化凈水工藝構(gòu)筑物的布置，減少了一級(jí)水泵提升，降低水廠運(yùn)行電耗10%～15%。

（2） 供水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)：根據(jù)用水需求，通過(guò)設(shè)置變頻裝置調(diào)節(jié)供水泵的運(yùn)行，降低水廠運(yùn)行電耗15%～25%。

（3） 水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)：利用水源充足的有利條件，設(shè)置水源熱泵循環(huán)系統(tǒng)，冬季供暖、夏季供冷，較普通中央空調(diào)系統(tǒng)降低能耗40%以上。

（4） 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)：充分利用地處平原地帶光照的有利條件，利用太陽(yáng)能加熱，減少化石能源或電能消耗45%以上，有效降低碳排放量。

（5） 雨洪利用系統(tǒng)：通過(guò)布置下凹綠地及透水磚，收集廠區(qū)80%匯水面積內(nèi)的雨水，回用于澆灑綠地。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)執(zhí)行過(guò)程中的創(chuàng)新

（1）協(xié)同工作的創(chuàng)新：采用ProjectWise軟件提高了多專業(yè)協(xié)同的水平和手段。

（2）質(zhì)量管理的創(chuàng)新：模型碰撞檢查提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少了圖紙審查的工作量，同時(shí)快速高效的工程量統(tǒng)計(jì)也減少了人工統(tǒng)計(jì)的誤差和時(shí)間。

（3）設(shè)計(jì)手段的創(chuàng)新：采用AECOsim Building Designer軟件能夠直觀繪制各類復(fù)雜的異形混凝土結(jié)構(gòu)模型; ReStation軟件可以完成模型內(nèi)部的三維配筋工作，并生成施工圖紙;Substation和BRCM兩款軟件為電氣及自動(dòng)化專業(yè)的設(shè)計(jì)人員提供了其他專業(yè)協(xié)同并行設(shè)計(jì)的絕佳工具。

北京市是城區(qū)人口達(dá)到2000萬(wàn)的特大城市，建設(shè)通州新城和北京城市副中心意味著北京市行政副中心建設(shè)不僅成為京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也肩負(fù)起逐步帶動(dòng)中心城區(qū)人口向通州轉(zhuǎn)移，醫(yī)治北京市“大城市病”的歷史重任。通州水廠項(xiàng)目既解決了目前通州供水緊張的局面，也是未來(lái)北京城市副中心建設(shè)和發(fā)展的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)設(shè)施保障。通州水廠工程建成后，城市副中心及通州新城納入南水北調(diào)供水范圍，能夠提升地區(qū)供水的水質(zhì)、水量、水壓，達(dá)到中心城的供水水平，出水水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于WHO及美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)，將大幅提升通州地區(qū)用水條件，是一項(xiàng)重要的民生工程。同時(shí)，通州水廠的提前建成，也為市政府向通州搬遷提供了用水條件，是未來(lái)城市副中心建設(shè)和發(fā)展的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)設(shè)施保障。

本項(xiàng)目投入運(yùn)行后將為90萬(wàn)人口提供62.9%的生活、生產(chǎn)用水供給，供水安全系數(shù)提升至1.3。同時(shí)以外調(diào)地表水置換本地地下水供水，使地下水源供水占比由2011年的74.2%下降至21.4%，充分涵養(yǎng)地下水源。

通州水廠一期工程三維設(shè)計(jì)，為工程建立了可靠的信息檔案，其三維設(shè)計(jì)成果應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工、管理等階段，促進(jìn)了參建各方的信息共享和交流，三維設(shè)計(jì)模型的復(fù)用大大提高了二期工程的設(shè)計(jì)效率，成為北京水利工程三維設(shè)計(jì)應(yīng)用的典范。