BIM技術(shù)在超大規(guī)模給水廠站設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用
——以東莞松山湖水廠項(xiàng)目為例

■ 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 曲蒙 王洋 閆京濤 薛廣進(jìn) 胡田力

核心看點(diǎn)：東莞松山湖水廠為全亞洲一次性建成規(guī)模最大水廠，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)緊緊圍繞傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中面臨的六大重難點(diǎn)技術(shù)問題，將BIM技術(shù)應(yīng)用于此超大規(guī)模給水廠站設(shè)計(jì)中，運(yùn)用諸多數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)，攻克重難點(diǎn)技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、現(xiàn)代化、數(shù)字化、智慧化的運(yùn)維管理，成為數(shù)字化創(chuàng)新應(yīng)用于超大規(guī)模給水廠站設(shè)計(jì)的典范工程。

項(xiàng)目概述

松山湖水廠（圖1）位于廣東省東莞市松山湖高新區(qū)，是大灣區(qū)綜合性國家科學(xué)中心先行啟動區(qū)。工程規(guī)模110萬平方米/天，是目前亞洲一次性建成規(guī)模最大的給水廠。工程占地19.45公頃，總投資約38億元，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平（圖2、圖3）。

圖1 給水廠站建構(gòu)筑物整體布局效果圖

圖2 項(xiàng)目平面位置圖

圖3 項(xiàng)目用地原始地貌

該工程為國家重大水利工程的配套項(xiàng)目，是東莞市供水安全保障的重要節(jié)點(diǎn)，作為重要民生督導(dǎo)工程，以建設(shè)系統(tǒng)完備、高效實(shí)用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化水廠為目標(biāo)。

項(xiàng)目重難點(diǎn)

該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，面臨以下六大重難點(diǎn)（圖4）：一是原始地形復(fù)雜，池體構(gòu)筑物較多，土方平衡及廠區(qū)合理布局難度大；二是廠區(qū)管道系統(tǒng)繁多，管線規(guī)格及埋深跨度大，設(shè)計(jì)復(fù)雜；三是工程規(guī)模大，專業(yè)眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程量準(zhǔn)確計(jì)算難度大；四是工程單體眾多、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)難度大；五是地質(zhì)土層起伏變化大，大型池體樁基精細(xì)化設(shè)計(jì)難度大；六是水處理規(guī)模超大，工藝流程復(fù)雜，運(yùn)維管控難度大。

圖4 項(xiàng)目六大重難點(diǎn)分析

BIM創(chuàng)新應(yīng)用

沉清疊合池樁基三維精細(xì)化設(shè)計(jì)

沉清疊合池基底面積大（34000平方米），樁基持力層起伏變化大，管樁樁數(shù)眾多（6000余根）且長短各異，承載力復(fù)核工作量大，工程量統(tǒng)計(jì)難度大（圖5、圖6）。

圖5 典型地質(zhì)剖面

圖6 沉清疊合池樁基布置

針對上述難點(diǎn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一整套解決方案，包括地勘孔點(diǎn)數(shù)據(jù)自動提取、生成三維地層，自動計(jì)算樁長和樁基承載力，樁基自動編號生成明細(xì)表。

Python編程實(shí)現(xiàn)一鍵框選地勘平剖面孔點(diǎn)數(shù)據(jù)，自動整理孔點(diǎn)土層數(shù)據(jù)至Excel，省去人工整理費(fèi)時費(fèi)力，大幅提升設(shè)計(jì)效率（圖7）。

圖7 Python變成自動實(shí)現(xiàn)地勘孔點(diǎn)數(shù)據(jù)提取至Excel并導(dǎo)入Revit形成三維土層模型

基于Revit二次開發(fā)三維樁基工具箱，實(shí)現(xiàn)樁長和樁基承載力值自動計(jì)算（圖8）。

圖8 Revit二次開發(fā)三維樁基工具箱

利用三維樁基工具箱，結(jié)合Revit原生功能，實(shí)現(xiàn)樁基自動編號出圖及樁基工程量自動統(tǒng)計(jì)，大幅提升出圖算量效率（圖9、圖10）。

圖9 Revit樁基自動排序編號

圖10 Revit樁基明細(xì)表

利用三維樁基精細(xì)化設(shè)計(jì)，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法總樁長節(jié)約6100米，工程總造價節(jié)約91.5萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

三維基坑支護(hù)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對廠區(qū)基坑數(shù)量眾多、地層復(fù)雜等設(shè)計(jì)難點(diǎn)，利用自主研發(fā)地質(zhì)軟件，導(dǎo)入地勘數(shù)據(jù)，生成三維地質(zhì)模型。建立全廠基坑三維模型，通過三維地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、基坑模型的結(jié)合，解決支護(hù)樁、管樁、攪拌樁、錨索碰撞問題（圖11）。

圖11 廠區(qū)基坑、結(jié)構(gòu)組合三維模型

原設(shè)計(jì)水泥土攪拌樁為梅花形，承臺下為三樁，管樁與支護(hù)樁重疊，支護(hù)樁、管樁、攪拌樁、錨索碰撞無法施工。三維協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)過程，將水泥土攪拌樁布置在相鄰錨索之間，三樁承臺調(diào)整為四樁承臺，合理地將樁基與錨索避開。重疊位置，加長支護(hù)樁，用作工程樁（圖12）。

圖12 廠區(qū)基坑、結(jié)構(gòu)組合三維模型

選取最不利地質(zhì)剖面，實(shí)現(xiàn)基坑合理分段，優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖13）。

圖13 選取最不利基坑剖面分段設(shè)計(jì)

三維設(shè)計(jì)較常規(guī)設(shè)計(jì)樁長節(jié)約1219米，錨索長度節(jié)約5161米，節(jié)約工程造價174.1萬元。

快速生成國標(biāo)工程量清單

基于自主研發(fā)的編碼工具實(shí)現(xiàn)對水廠模型的自動賦碼，關(guān)聯(lián)國標(biāo)清單編碼，實(shí)現(xiàn)快速算量統(tǒng)計(jì)。利用編碼工具，通過編碼表建立編碼數(shù)據(jù)庫，完成快速的模型賦碼，并導(dǎo)出國標(biāo)工程量清單（圖14）。

圖14 關(guān)聯(lián)國標(biāo)清單編碼實(shí)現(xiàn)快速算量統(tǒng)計(jì)

復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備吊裝模擬分析

水廠體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間嵌套疊合，造成設(shè)備吊裝、檢修難度大。通過BIM模擬，確保每個設(shè)備都有合理的安裝及檢修條件（圖15）。

圖15 基于BIM的復(fù)雜工況設(shè)備安裝模擬

場地布局、廠區(qū)管線三維設(shè)計(jì)應(yīng)用。

采用BIM技術(shù)，建立原始地形參數(shù)模型，基于模型根據(jù)池底單體標(biāo)高要求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，達(dá)到合理的土方平衡。在同一個場景環(huán)境下，搭建各專業(yè)模型并進(jìn)行整合，可以直觀有效地進(jìn)行空間關(guān)系協(xié)調(diào)（圖16）。

圖16 基于BIM技術(shù)的三維場地布局分析

廠區(qū)復(fù)雜管線綜合設(shè)計(jì)，避免管道碰撞，指導(dǎo)現(xiàn)場施工（圖17）。

圖17 廠區(qū)三維管線沖突分析

利用BIM軟件，可實(shí)現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)管道及管件數(shù)量的一鍵導(dǎo)出，節(jié)省了設(shè)計(jì)人員統(tǒng)計(jì)數(shù)量的時間，同時準(zhǔn)確率也得到保障（圖18）。

圖18 廠區(qū)管道系統(tǒng)工程量自動統(tǒng)計(jì)

BIM+智慧水廠運(yùn)維應(yīng)用

依托工藝基礎(chǔ)，搭載控制+數(shù)理模型，采用先進(jìn)自控系統(tǒng)和智慧水廠平臺，實(shí)現(xiàn)水廠精細(xì)化運(yùn)行、智能化控制、全流程數(shù)字化運(yùn)營（圖19）。

圖19 智慧水廠運(yùn)維平臺

利用工業(yè)大數(shù)據(jù)的操作運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)，建立整個水廠生產(chǎn)或重要設(shè)備的數(shù)據(jù)模型，用模型生成的健康度監(jiān)測設(shè)備在線健康狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)水廠的智能化監(jiān)視及預(yù)警（圖20）。

圖20 水廠重要設(shè)備數(shù)據(jù)模型

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，通過機(jī)器學(xué)習(xí)框架訓(xùn)練，獲取出水水質(zhì)與原水水質(zhì)水量、運(yùn)行參數(shù)之間的內(nèi)在數(shù)學(xué)聯(lián)系模型；根據(jù)對水量、水質(zhì)的變化提前進(jìn)行加藥量計(jì)算，同時基于出水反饋值進(jìn)行加藥量修正。

結(jié)語

項(xiàng)目針對復(fù)雜地質(zhì)條件，構(gòu)建大型水處理池體的三維樁基精細(xì)化設(shè)計(jì)方法；針對用地緊張、基坑數(shù)量多，開展全廠三維地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、基坑模型整合應(yīng)用；針對水廠規(guī)模超大、業(yè)主造價審核單位工作需要，研發(fā)全廠復(fù)雜水處理建構(gòu)筑物BIM模型構(gòu)件自動賦碼，實(shí)現(xiàn)BIM模型自動導(dǎo)出分部分項(xiàng)工程量清單；針對設(shè)備尺寸大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基于BIM模型開展復(fù)雜工況條件下的設(shè)備安裝及檢修模擬；利用BIM正向設(shè)計(jì)成果及無人機(jī)航拍技術(shù)，在施工階段開展可視化交底，現(xiàn)場漏、碰、缺檢查；基于BIM正向設(shè)計(jì)成果，構(gòu)建“數(shù)字孿生水廠”，開展智慧運(yùn)營管控、智慧安防、智能加藥等應(yīng)用。此外，項(xiàng)目將BIM技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于超大型現(xiàn)代化水廠設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)諸多痛點(diǎn)問題，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)、社會效益。該工程的順利實(shí)施，對于打造數(shù)智化+綠色低碳型供水工程具有重大示范意義。