BIM在城市給水排水工程中的應(yīng)用研究

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，城市給水排水工程的建設(shè)與管理面臨著日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的工程設(shè)計與施工模式在應(yīng)對工程規(guī)模較大、施工環(huán)境復(fù)雜多變的情況時，容易導(dǎo)致工程進度延誤、成本超支、質(zhì)量難以保障等問題。近年來，BIM技術(shù)作為一種集成化的數(shù)字化設(shè)計與管理工具，逐漸被引入到城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中[]。BIM能夠通過數(shù)字化模型的構(gòu)建與信息化管理，促進設(shè)計、施工和運營各階段的協(xié)同工作，從而提升工程的整體效率和質(zhì)量[2]。本文將深入探討B(tài)IM技術(shù)在城市給水排水工程中的應(yīng)用，分析其在管網(wǎng)布局設(shè)計等方面的作用，為相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供參考和借鑒。

1BIM技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用

BIM是一種基于數(shù)字化三維模型的建筑工程信息管理技術(shù)，通過集成和管理工程項目各階段的相關(guān)數(shù)據(jù)與信息，提供一個統(tǒng)一的數(shù)字平臺，支持各方參與協(xié)作與決策[3]。BIM不僅僅是一個三維建模工具，它能夠整合空間、時間、成本和信息等多維數(shù)據(jù)，為建筑項目的設(shè)計、施工、運營和維護等各個階段提供全面的支持。BIM在工程項目中的應(yīng)用范圍如圖1所示。

1.2BIM技術(shù)的優(yōu)勢

BIM的核心優(yōu)勢在于信息的集成與共享[4。通過構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)字平臺，項目的各個參與方，包括設(shè)計人員、施工單位、業(yè)主和維護團隊，能夠?qū)崟r共享項目信息，減少了傳統(tǒng)項目管理中信息孤島和溝通障礙的問題，確保各方能夠在同一信息源基礎(chǔ)上進行協(xié)同工作。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和功能不斷擴展，已經(jīng)逐步滲透到城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，尤其在城市給水排水、道路交通等領(lǐng)域。BIM的應(yīng)用不僅能夠提高設(shè)計和施工階段的效率，還能為工程的長期運營與管理提供強有力的支持，正逐步成為推動建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)[5]。

2工程概況

本工程項目為某新開發(fā)城鎮(zhèn)的一項住宅小區(qū)建設(shè)，項目地位于城市中心區(qū)域，交通便捷，周圍配套設(shè)施完善。項目總建筑面積約3萬 m² ，包括6棟住宅樓和1個標(biāo)準(zhǔn)籃球場。其中，每棟住宅樓為7層，總建筑面積約2.5萬 m² ，設(shè)計有多種戶型，滿足不同家庭的居住需求。

住宅樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，外立面設(shè)計現(xiàn)代簡約，配有節(jié)能玻璃窗、陽臺和儲物空間。小區(qū)東側(cè)規(guī)劃了一個小型籃球場，場地面積約 1500m² ，配有照明設(shè)施，確保夜間使用，作為居民運動及休閑的多功能場地。此外，項目內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施齊全，包括給水、供電、排水、天然氣管網(wǎng)及通信設(shè)施等，所有系統(tǒng)均按照市政標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

3BIM數(shù)據(jù)模型

3.1給排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)劃分

隨著城市化進程的加速以及對可持續(xù)發(fā)展的重視，現(xiàn)代化的給排水管網(wǎng)系統(tǒng)越來越依賴于信息技術(shù)的支持，特別是BIM技術(shù)的應(yīng)用，能夠通過精確的三維建模、數(shù)據(jù)共享與集成，有效提高管網(wǎng)設(shè)計與施工的效率，同時為管網(wǎng)后期運營和維護提供有力支持。

3.1.1 給排水管網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)

給排水管網(wǎng)系統(tǒng)由給水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩大部分組成。給水系統(tǒng)負(fù)責(zé)將水源通過管道輸送到建筑物或區(qū)域內(nèi)的各個用水點，確保生活、生產(chǎn)和消防等用水需求，通常包括水源、水廠、加壓泵站、供水管道以及用戶終端的水表和用水設(shè)備。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)區(qū)域內(nèi)用水量、管網(wǎng)布局、地形高差等因素進行合理規(guī)劃，確保水流暢通、壓力穩(wěn)定，并能夠滿足高峰期的用水需求。

排水系統(tǒng)則是將建筑物或區(qū)域內(nèi)的廢水、雨水等排放到市政管網(wǎng)或處理設(shè)施中，主要用于收集和排放生活污水、工業(yè)廢水等，需經(jīng)過污水處理設(shè)施處理后方可排放。排水系統(tǒng)還用于收集和排放降雨后的雨水，避免雨水積聚造成城市內(nèi)澇。排水管網(wǎng)的設(shè)計需要考慮到水流的流速、管道的布局以及排水設(shè)施的處理能力，確保排水系統(tǒng)的高效運行。

3.1.2給排水管網(wǎng)系統(tǒng)劃分

給排水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，涵蓋供水、排水以及廢水處理等多項功能，用于確保城市日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的水資源供應(yīng)和污水排放。根據(jù)給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的功能，可將其劃分為水源取水系統(tǒng)、給水處理系統(tǒng)、給水管網(wǎng)系統(tǒng)、排水管網(wǎng)系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)以及排放和重復(fù)利用系統(tǒng)6個子系統(tǒng)。給排水管網(wǎng)系統(tǒng)劃分表如表1所示。

3.2給排水管網(wǎng)多尺度模型

3.2.1LOD技術(shù)特點

LOD技術(shù)起源于計算機圖形學(xué)，最初應(yīng)用于三維圖形渲染領(lǐng)域。該技術(shù)可以根據(jù)物體在顯示環(huán)境中所處的位置、大小以及視距等因素，動態(tài)地調(diào)整渲染的細節(jié)層次，以提高渲染效率并優(yōu)化計算資源的使用。L0D技術(shù)的核心思想是根據(jù)物體的視角距離、重要程度和用戶的交互需求，決定物體的渲染細節(jié)，從而在保證視覺效果的同時，降低計算負(fù)擔(dān)、提升系統(tǒng)性能。

在BIM模型中，LOD定義了模型中各個元素的精細程度和可視化的細節(jié)級別，通常從低到高逐步增加，分別對應(yīng)不同的細節(jié)和精度，以混凝土結(jié)構(gòu)柱的模型為例，不同LOD等級的模型圖如圖2所示。

3.2.2給排水管網(wǎng)LOD模型應(yīng)用

應(yīng)用LOD技術(shù)后，BIM模型能夠在不同階段根據(jù)需求呈現(xiàn)不同層次的細節(jié)，這不僅提高了模型的可用性和管理效率，還能有效節(jié)約計算資源。在設(shè)計初期，可使用LOD較低的模型進行快速分析和討論。而在施工階段或竣工后，則需要高精度、高細節(jié)的LOD模型來支持施工、驗收和設(shè)施管理。

以本工程的給排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行L0D100至L0D400層級的三維建模，隨著LOD層級的提高，管網(wǎng)模型幾何細節(jié)和信息內(nèi)容不斷豐富。本工程給排水管網(wǎng)L0D模型如圖3所示。

通過這種逐步增加細節(jié)的建模過程，可以明顯看到，基于BIM技術(shù)的多尺度模型相較于傳統(tǒng)的二維管線資料，已從簡單的線條和符號發(fā)展為具有幾何細節(jié)的構(gòu)件布置，且逐漸轉(zhuǎn)向全信息模型的表達方式。這使得設(shè)計、施工和管理環(huán)節(jié)的協(xié)同效率得到了顯著提升。

傳統(tǒng)的二維管線資料僅能通過簡單的符號和線條呈現(xiàn)，而BIM模型則能夠為項目提供全面、精確的建筑信息，貫穿項目全生命周期，為智能化建筑管理和決策提供了強有力的支持。

4給排水管網(wǎng)三維可視化

4.1建筑內(nèi)管道可視化

本文構(gòu)建了不同LOD層次的排水管網(wǎng)組成要素BIM模型，這些模型在建筑信息管理和施工過程中提供了重要的支持，但其空間分析能力仍顯不足，由于使用的數(shù)據(jù)格式存在不兼容問題，難以實現(xiàn)跨平臺的信息共享和協(xié)同工作。

4.1.1存在的問題

在LOD400層級的模型中，室內(nèi)管線通常會被墻體、門窗等構(gòu)件遮擋，從而給建筑的室內(nèi)可視化帶來困難。這種情況使得用戶無法直觀地觀察到室內(nèi)管網(wǎng)的空間分布和它們的外觀特征，尤其是在進行管網(wǎng)安裝、調(diào)整和維護等操作時，缺乏清晰的可視化效果會增加施工人員的工作難度，并可能導(dǎo)致施工質(zhì)量問題。

4.1.2可視化優(yōu)化方案

通過數(shù)據(jù)集成重新建模，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)住宅樓的透明度來凸顯室內(nèi)整體的管點與管線，不僅能提升排水管網(wǎng)模型的空間分析能力，還能使BIM模型排水管網(wǎng)可視化表達。通過集成導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，將管道系統(tǒng)模型與建筑外部模型分開建模，是實現(xiàn)BIM應(yīng)用中模型精細化管理和提升可操作性的有效方式，這一做法能夠簡化模型的復(fù)雜度，還能夠提高工程數(shù)據(jù)的整合性和靈活性。

4.1.3模型構(gòu)建與管理

建筑外部模型包括外立面、屋頂、窗戶、門以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)元素，而管道系統(tǒng)模型則包含排水管道、供水管道、管道連接件、閥門和泵站等細節(jié)。通過這種分開建模、調(diào)整透明度的方式，BIM模型不僅能更好地進行空間分析和優(yōu)化，減少設(shè)計階段的沖突，還能提高項目管理和施工階段的數(shù)據(jù)可用性和精度，最終實現(xiàn)更加高效和精細的建筑和管網(wǎng)管理。

4.2地下管道可視化

4.2.1 存在問題

在BIM模型中，地下管道數(shù)據(jù)往往因為建筑結(jié)構(gòu)或地面設(shè)施的重疊，無法對地下管道的布置和空間分布進行觀察。地下管道通常埋藏在土層中，即使在LOD400系統(tǒng)的模型中，其細節(jié)仍可能被地面或其他結(jié)構(gòu)所遮蓋。

4.2.2可視化優(yōu)化方案

構(gòu)建地面三維瓦片的節(jié)點，并清除被遮擋網(wǎng)格部分的地面瓦片節(jié)點，是一種常用于提高BIM模型可視化精度的技術(shù)，尤其是處理地下管網(wǎng)和地表展示問題。具體而言，可將地面以三維瓦片的方式進行細分，每個瓦片節(jié)點代表地面上的一個小區(qū)域，每一個瓦片包含空間坐標(biāo)、幾何信息、地面材質(zhì)以及高度相關(guān)的數(shù)據(jù)。

通過按需調(diào)整地表的透明度因子，將其設(shè)置為透明狀態(tài)，即可觀察到地下管道。地下管道可視化效果如圖4所示。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)地面模型與地下建筑的精確互動，同時避免傳統(tǒng)模型中地面各建筑的重疊問題，從而提升項目階段的可視化效果。

5結(jié)束語

在城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用BIM技術(shù)，不僅提升了設(shè)計、施工與運營管理的效率，還為各階段的協(xié)同工作提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。通過不同LOD層級的建模方法，可以在項目的不同階段精確地展示管網(wǎng)系統(tǒng)的空間布局與構(gòu)件細節(jié)，從而避免設(shè)計沖突、優(yōu)化施工方案，并減少錯誤與風(fēng)險的發(fā)生。

對于實際應(yīng)用中面臨如管線遮擋、數(shù)據(jù)格式不兼容等問題，關(guān)鍵在于實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與模型的可視化優(yōu)化。

隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善，管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化管理和可視化表達將更加精準(zhǔn)，為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理提供更加智能化、系統(tǒng)化的解決方案，并為可持續(xù)發(fā)展的城市建設(shè)提供強有力的技術(shù)支持。

參考文獻

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