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.中國礦業(yè)大學(xué)，環(huán)境與測繪學(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)軟件進行三維模型的創(chuàng)建，方便設(shè)計師全方位地了解模型信息，做到盡可能地和施工實際相符合。目前，許多大型建筑設(shè)計院也已經(jīng)在積極運用 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)筑物模型的建立過程，分析BIM技術(shù)在水處理工程的具體應(yīng)用。項目以某能源礦業(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)場地綠化、澆灑道路以及消防補水等。進水主要來自廠區(qū)的生活污水、初期雨水等，出水指標要求達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》(GB/T19820—2002)相關(guān)標準。設(shè)計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。三通井用于污水進水口向格柵井進行分流，設(shè)備間包括格柵間、加藥間、鼓風(fēng)機房、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”工具就無法實現(xiàn)。設(shè)計采用參數(shù)化建模的思路，通過新建“輪廓族”，再利用修改墻垂直結(jié)構(gòu)中的墻飾條命令進行載入，進而達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“機械樣板”的Revit MEP項目文件，將土建模型以鏈接的形式進行載入，則可以方便繪制出各種工藝管線，整個項目的管道系統(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”工具無法實現(xiàn)，設(shè)計采用新建相應(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 場地模型的建立

Revit軟件還提供了場地布置功能，可以更好地對水處理站現(xiàn)場進行布置，方便了效果展示。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(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

可視化設(shè)計是BIM技術(shù)在水處理工程項目設(shè)計中的一項重要應(yīng)用，Revit系列軟件在Auto CAD原有三維建模功能的基礎(chǔ)上，引入項目、族、參數(shù)化設(shè)計等概念，并提供功能強大的系統(tǒng)族，專為建筑信息模型構(gòu)建。和傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計不同，基于BIM技術(shù)的可視化設(shè)計可以通過平面、立面、剖面以及三維等不同視圖之間進行切換，設(shè)計師可以更加全面地了解模型內(nèi)部構(gòu)造，及時檢查設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題。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，也可以對不同池體進行著色，以及在三維視圖下標注。以一體化鋼筋混凝土池體為例，本項目中的池體平面著色圖和三維標注圖如圖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)筑物池體三維標注

2.2 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是指設(shè)計人員根據(jù)工程關(guān)系和幾何關(guān)系來指定設(shè)計要求進行模型建立的過程[7]，Revit軟件提供了族和體量兩種工具，可以方便地根據(jù)具體實際進行模型構(gòu)建。族是Revit軟件中的一個重要概念，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]，是建筑師在項目規(guī)劃和初步設(shè)計階段快速將設(shè)計思路進行模型化展示的一種工具，兩者都可以通過內(nèi)建構(gòu)件或新建族文件的形式進入族編輯狀態(tài)，再通過系統(tǒng)提供的拉伸、放樣、融合等命令創(chuàng)建所需模型，并對模型構(gòu)件的尺寸、材質(zhì)、可見性等進行參數(shù)化控制，按類別載入項目后就可以和原系統(tǒng)族一樣使用。本項目設(shè)計中集水槽、爬梯、斜管等構(gòu)件就采用了族工具進行編輯，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

及時有效地對材料工程量進行統(tǒng)計是項目建設(shè)過程中的一項重要任務(wù)，傳統(tǒng)的手工算量過程復(fù)雜且耗時長，利用BIM技術(shù)可以快速提取項目所需的工程量，對造價控制與施工組織編制和實施有重要指導(dǎo)意義，項目土建模型中墻體材料明細見表1。

表1 墻體材料明細表

以水池外墻進行校核，其手工預(yù)算工程量長度為70.44 m，體積為99.13 m3，由表1可以看出，經(jīng)過BIM軟件電算出來的工程量比手算值偏高，這主要是因為在模型構(gòu)建過程中將池壁處加腋處理也作為了墻體的一部分，在實際施工過程中，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

2.4 設(shè)備間深化

水處理工程中的風(fēng)機房和泵房布置一直是工藝設(shè)計中的一個難點[5]，在實際施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備間工藝管線交叉碰撞、設(shè)備基礎(chǔ)之間以及機組與墻壁之間間距不足等問題。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》GB 50014—2006(2016年版)中5.4.7和6.8.20條規(guī)定[6]，水泵機組基礎(chǔ)間的凈距不宜小于1.0 m，機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)計以簡單的線條代表管線，用圖例表示進出管道上的閥門附件，很容易造成管道交叉，也無法顯示機組突出部分的實際距離，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各種規(guī)范中的各種凈距要求進行測定。以鼓風(fēng)機房和水泵機房布置為例，本項目中的設(shè)備間平面如圖7所示，鼓風(fēng)機房、水泵機房三維布置如圖8、圖9所示。

圖7 水泵機房平面布置

圖8 鼓風(fēng)機房三維布置

圖9 水泵機房三維布置

2.5 工藝管線綜合布置

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

2.5.1 管線之間的碰撞檢測

本項目共有8條管線系統(tǒng)，在Revit軟件中將土建模型鏈接進管道模型項目文件中，經(jīng)軟件碰撞檢測，共有7處碰撞位置。經(jīng)過校核，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。

對于假連接，只需通過拉伸管道節(jié)點和管道以及附件保持相連即可，對真碰撞則需要綜合考慮管道埋深、間距要求、施工實際等具體情況進行調(diào)整，建議打開基于MEP機械樣板的管道系統(tǒng)項目，將構(gòu)筑物土建模型作為鏈接載入，這樣運行完碰撞檢測后可以直接在項目中對管道系統(tǒng)進行修改，項目中管線經(jīng)過調(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

將管道系統(tǒng)模型作為鏈接在土建模型中進行載入，經(jīng)Revit軟件碰撞檢測，共有186處碰撞點位。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軟件中的碰撞檢測功能，在調(diào)整完管線之后，可以方便地找出孔洞位置，進而直接在模型中進行開洞。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)模型作為鏈接進行載入，這樣運行完碰撞檢測后可以直接在土建模型項目中對土建模型進行修改，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

利用BIM技術(shù)，在設(shè)計過程中通過不同視口之間的切換，實現(xiàn)了三維可視化設(shè)計，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，更好地傳達了設(shè)計師的意圖。

利用BIM技術(shù)可以方便提取設(shè)計階段賦予模型的各種信息，從而服務(wù)于建設(shè)項目的設(shè)計、建造安裝、運營等整個生命周期，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)勢作用[10]。利用建筑信息模型之間的聯(lián)動功能，在水處理構(gòu)筑物設(shè)計過程中，通過碰撞檢測調(diào)整，可以更好地對各種工藝管線和設(shè)備間內(nèi)部布置進行優(yōu)化，便于施工，減少錯誤發(fā)生的概率。