BIM技術(shù)在某煤礦生活污水回用工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高將，張寶軍，孫悅，袁濤

( 1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，建筑智能學(xué)院，江蘇，徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.徐州市水處理工程技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221116 )

BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中取得了飛速的發(fā)展[1-2]，設(shè)計(jì)師不再局限于傳統(tǒng)的二維平面及剖面繪圖，而是借助于有關(guān)軟件進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，方便設(shè)計(jì)師全方位地了解模型信息，做到盡可能地和施工實(shí)際相符合。目前，許多大型建筑設(shè)計(jì)院也已經(jīng)在積極運(yùn)用 BIM 技術(shù)[3]，但是在水處理行業(yè)受制于多種原因仍處于起步階段，本文以某煤礦企業(yè)生活污水回用工程為例，闡述水處理構(gòu)筑物模型的建立過(guò)程，分析BIM技術(shù)在水處理工程的具體應(yīng)用。項(xiàng)目以某能源礦業(yè)有限公司煤礦生活污水中水回用處理工程，設(shè)計(jì)處理水量600 m3/d，中水主要用工業(yè)區(qū)工程施工供水、工業(yè)場(chǎng)地綠化、澆灑道路以及消防補(bǔ)水等。進(jìn)水主要來(lái)自廠區(qū)的生活污水、初期雨水等，出水指標(biāo)要求達(dá)到《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》(GB/T19820—2002)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)采用以生物處理為主導(dǎo)的處理工藝，工藝流程為生活污水→三通井→格柵井→化糞池→調(diào)節(jié)池→A/O生化池→斜管沉淀池→集水池→曝氣生物濾池→清水池→中水回用池→出水。

1 模型的建立

1.1 土建模型的建立

項(xiàng)目中的土建模型主要包括三通井、設(shè)備間和水處理構(gòu)筑物。三通井用于污水進(jìn)水口向格柵井進(jìn)行分流，設(shè)備間包括格柵間、加藥間、鼓風(fēng)機(jī)房、泵房、分析間和電控室，水處理構(gòu)筑物采用一體化的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要有化糞池、調(diào)節(jié)池、生化池、斜管沉淀池、曝氣生物濾池以及中水回用水池等。土建模型的建立是在Revit Architecture操作平臺(tái)中完成的，利用軟件常用的墻、樓板、屋頂、門窗等。水處理構(gòu)筑物的構(gòu)造和傳統(tǒng)建筑物構(gòu)造有所不同，為了增加鋼筋混凝土水池的力學(xué)性能，往往在其四壁進(jìn)行加腋處理；為了方便放置填料和斜管，經(jīng)常在池壁上設(shè)置牛腿，這些構(gòu)件利用Revit軟件中傳統(tǒng)的“墻”工具就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)采用參數(shù)化建模的思路，通過(guò)新建“輪廓族”，再利用修改墻垂直結(jié)構(gòu)中的墻飾條命令進(jìn)行載入，進(jìn)而達(dá)到加腋處理和增加牛腿的效果，鋼筋混凝土水池加腋和牛腿設(shè)置處理效果如圖1所示。

圖1 水池加腋和牛腿設(shè)置

1.2 管道系統(tǒng)模型建立

水處理構(gòu)筑物工藝管線眾多，類型復(fù)雜[4-5]，常見的管道系統(tǒng)有污水管、污泥管、曝氣管、臭氣收集管、加藥管、反沖洗管、中水回用管等。構(gòu)建基于“機(jī)械樣板”的Revit MEP項(xiàng)目文件，將土建模型以鏈接的形式進(jìn)行載入，則可以方便繪制出各種工藝管線，整個(gè)項(xiàng)目的管道系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 管道系統(tǒng)模型

水處理工程中的曝氣管、反沖洗氣管、反沖洗水管等往往做成穿孔管的形式，Revit軟件中的“管道”工具無(wú)法實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)采用新建相應(yīng)的支管常規(guī)模型，并在模型中添加管道連接件，保證了主管和支管的連接，以生化池中1 000 mm長(zhǎng)曝氣支管為例，穿孔曝氣管模型如圖3所示。

圖3 穿孔曝氣管模型

1.3 場(chǎng)地模型的建立

Revit軟件還提供了場(chǎng)地布置功能，可以更好地對(duì)水處理站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行布置，方便了效果展示。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50014—2006(2016年版)中6.1.10條規(guī)定[6]，污水站應(yīng)設(shè)置通向各構(gòu)筑物和附屬建筑物的必要通道，其中主要車道寬度單車道為3.5～4.0 m，車道轉(zhuǎn)彎半徑宜為6.0～10.0 m，設(shè)計(jì)采用單車道，污水站四周不設(shè)置圍墻。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 可視化設(shè)計(jì)

可視化設(shè)計(jì)是BIM技術(shù)在水處理工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要應(yīng)用，Revit系列軟件在Auto CAD原有三維建模功能的基礎(chǔ)上，引入項(xiàng)目、族、參數(shù)化設(shè)計(jì)等概念，并提供功能強(qiáng)大的系統(tǒng)族，專為建筑信息模型構(gòu)建。和傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)不同，基于BIM技術(shù)的可視化設(shè)計(jì)可以通過(guò)平面、立面、剖面以及三維等不同視圖之間進(jìn)行切換，設(shè)計(jì)師可以更加全面地了解模型內(nèi)部構(gòu)造，及時(shí)檢查設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。模型一旦構(gòu)建完成既可以按照傳統(tǒng)的平面加剖面出構(gòu)筑物施工圖，也可以對(duì)不同池體進(jìn)行著色，以及在三維視圖下標(biāo)注。以一體化鋼筋混凝土池體為例，本項(xiàng)目中的池體平面著色圖和三維標(biāo)注圖如圖4、圖5所示。

圖4 水處理構(gòu)筑物池體平面著色

圖5 水處理構(gòu)筑物池體三維標(biāo)注

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程關(guān)系和幾何關(guān)系來(lái)指定設(shè)計(jì)要求進(jìn)行模型建立的過(guò)程[7]，Revit軟件提供了族和體量?jī)煞N工具，可以方便地根據(jù)具體實(shí)際進(jìn)行模型構(gòu)建。族是Revit軟件中的一個(gè)重要概念，它是一類東西的總稱，如門族、窗族、墻族等，族可以分為系統(tǒng)族和可載入族[8]，族又有不同的類別和不同的類型。Revit軟件中的體量，也稱為概念體量[4]，是建筑師在項(xiàng)目規(guī)劃和初步設(shè)計(jì)階段快速將設(shè)計(jì)思路進(jìn)行模型化展示的一種工具，兩者都可以通過(guò)內(nèi)建構(gòu)件或新建族文件的形式進(jìn)入族編輯狀態(tài)，再通過(guò)系統(tǒng)提供的拉伸、放樣、融合等命令創(chuàng)建所需模型，并對(duì)模型構(gòu)件的尺寸、材質(zhì)、可見性等進(jìn)行參數(shù)化控制，按類別載入項(xiàng)目后就可以和原系統(tǒng)族一樣使用。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中集水槽、爬梯、斜管等構(gòu)件就采用了族工具進(jìn)行編輯，以集水槽為例，模型效果如圖6所示。

圖6 集水槽模型

2.3 材料工程量統(tǒng)計(jì)

及時(shí)有效地對(duì)材料工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)是項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)，傳統(tǒng)的手工算量過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)，利用BIM技術(shù)可以快速提取項(xiàng)目所需的工程量，對(duì)造價(jià)控制與施工組織編制和實(shí)施有重要指導(dǎo)意義，項(xiàng)目土建模型中墻體材料明細(xì)見表1。

表1 墻體材料明細(xì)表

以水池外墻進(jìn)行校核，其手工預(yù)算工程量長(zhǎng)度為70.44 m，體積為99.13 m3，由表1可以看出，經(jīng)過(guò)BIM軟件電算出來(lái)的工程量比手算值偏高，這主要是因?yàn)樵谀Ｐ蜆?gòu)建過(guò)程中將池壁處加腋處理也作為了墻體的一部分，在實(shí)際施工過(guò)程中，這部分混凝土的量也是必不可少的。由此可見，只要建筑模型中的相關(guān)信息構(gòu)建完整，就可以最大限度接近工程實(shí)際導(dǎo)出相應(yīng)的建筑信息。同樣地，在工藝管線模型中也可以導(dǎo)出相應(yīng)的管道系統(tǒng)工程量，見表2。

表2 管道系統(tǒng)明細(xì)

2.4 設(shè)備間深化

水處理工程中的風(fēng)機(jī)房和泵房布置一直是工藝設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)[5]，在實(shí)際施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備間工藝管線交叉碰撞、設(shè)備基礎(chǔ)之間以及機(jī)組與墻壁之間間距不足等問(wèn)題。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50014—2006(2016年版)中5.4.7和6.8.20條規(guī)定[6]，水泵機(jī)組基礎(chǔ)間的凈距不宜小于1.0 m，機(jī)組突出部分與墻壁的凈距不宜小于1.2 m，主要通道寬度不宜小于1.5 m。傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單的線條代表管線，用圖例表示進(jìn)出管道上的閥門附件，很容易造成管道交叉，也無(wú)法顯示機(jī)組突出部分的實(shí)際距離，利用BIM技術(shù)構(gòu)件設(shè)備間三維模型，不僅可以直觀感受設(shè)備間整體布置情況，而且可以更方便地對(duì)各種規(guī)范中的各種凈距要求進(jìn)行測(cè)定。以鼓風(fēng)機(jī)房和水泵機(jī)房布置為例，本項(xiàng)目中的設(shè)備間平面如圖7所示，鼓風(fēng)機(jī)房、水泵機(jī)房三維布置如圖8、圖9所示。

圖7 水泵機(jī)房平面布置

圖8 鼓風(fēng)機(jī)房三維布置

圖9 水泵機(jī)房三維布置

2.5 工藝管線綜合布置

利用相關(guān)軟件對(duì)水處理工藝管線進(jìn)行綜合布置是BIM技術(shù)在水處理工程中的另一個(gè)重要應(yīng)用，工藝管線綜合實(shí)質(zhì)上包括兩種，一種是管道系統(tǒng)之間的碰撞檢測(cè)，另一種是管道系統(tǒng)和土建模型之間的碰撞檢測(cè)[9]。前者可以方便地檢測(cè)出管道之間是否有交叉或者管道間距過(guò)小的情況，后者可以完成土建模型中預(yù)留洞口的準(zhǔn)確定位。

2.5.1 管線之間的碰撞檢測(cè)

本項(xiàng)目共有8條管線系統(tǒng)，在Revit軟件中將土建模型鏈接進(jìn)管道模型項(xiàng)目文件中，經(jīng)軟件碰撞檢測(cè)，共有7處碰撞位置。經(jīng)過(guò)校核，其中有4處是由于管道和管道以及管道和附件之間的“假連接”造成的，有3處是真正的管道之間的交叉碰撞，主要集中在曝氣生物濾池反沖洗水、反沖洗氣管道處。

對(duì)于假連接，只需通過(guò)拉伸管道節(jié)點(diǎn)和管道以及附件保持相連即可，對(duì)真碰撞則需要綜合考慮管道埋深、間距要求、施工實(shí)際等具體情況進(jìn)行調(diào)整，建議打開基于MEP機(jī)械樣板的管道系統(tǒng)項(xiàng)目，將構(gòu)筑物土建模型作為鏈接載入，這樣運(yùn)行完碰撞檢測(cè)后可以直接在項(xiàng)目中對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行修改，項(xiàng)目中管線經(jīng)過(guò)調(diào)整后的效果如圖10所示。

圖10 管道之間交叉碰撞及調(diào)整

2.5.2 管道系統(tǒng)和土建模型之間的碰撞檢測(cè)

將管道系統(tǒng)模型作為鏈接在土建模型中進(jìn)行載入，經(jīng)Revit軟件碰撞檢測(cè)，共有186處碰撞點(diǎn)位。水處理構(gòu)筑物管道系統(tǒng)和土建模型之間的碰撞主要集中在設(shè)備間內(nèi)管道和設(shè)備間底板碰撞，管線和水處理構(gòu)筑物頂板碰撞，以及管線和構(gòu)筑物墻壁之間的碰撞。傳統(tǒng)的水處理構(gòu)筑物是分開的，即預(yù)留洞口出一套布置圖，管道系統(tǒng)單獨(dú)出圖，一旦管道位置發(fā)生變化，則原先預(yù)留的孔洞位置也必須改變。采用BIM技術(shù)模型，利用Revit軟件或Navisworks軟件中的碰撞檢測(cè)功能，在調(diào)整完管線之后，可以方便地找出孔洞位置，進(jìn)而直接在模型中進(jìn)行開洞。建議打開基于建筑樣板的構(gòu)筑物土建模型，將管道系統(tǒng)模型作為鏈接進(jìn)行載入，這樣運(yùn)行完碰撞檢測(cè)后可以直接在土建模型項(xiàng)目中對(duì)土建模型進(jìn)行修改，即留取開洞位置，管道系統(tǒng)和土建模型之間的碰撞調(diào)整完成后的效果如圖11所示。

圖11 設(shè)備間底板及水池前壁之間的碰撞及調(diào)整

3 結(jié)語(yǔ)

利用BIM技術(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)不同視口之間的切換，實(shí)現(xiàn)了三維可視化設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)的水處理構(gòu)筑物“一平兩剖”出圖基礎(chǔ)上增加局部三維出圖，更好地傳達(dá)了設(shè)計(jì)師的意圖。

利用BIM技術(shù)可以方便提取設(shè)計(jì)階段賦予模型的各種信息，從而服務(wù)于建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造安裝、運(yùn)營(yíng)等整個(gè)生命周期，提高生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期等發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢(shì)作用[10]。利用建筑信息模型之間的聯(lián)動(dòng)功能，在水處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)碰撞檢測(cè)調(diào)整，可以更好地對(duì)各種工藝管線和設(shè)備間內(nèi)部布置進(jìn)行優(yōu)化，便于施工，減少錯(cuò)誤發(fā)生的概率。