BIM 技术在建筑给排水设计中的应用——以港珠澳大桥东人工岛主体建筑为例

陈海琪

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510220）

1 工程简介

1.1 工程概况

东人工岛主体建筑位于港珠澳大桥东人工岛上，是港珠澳大桥桥隧东连接枢纽，向东毗邻香港大屿山及香港国际机场，项目定位为珠江口伶仃洋上的标志性建筑，主体建筑竖向位于人工岛隧道暗埋段上，主体结构和基础结构构件设计使用年限与港珠澳大桥同为120 a。

东人工岛主体建筑分为地下2层，地上4层，建筑高度为23.6 m，主体建筑地上建筑面积26 677.92 m2，地下室建筑面积14 456.86 m2。负一层和负二层主要设置为设备功能房，首层沿中央风孔周边设置大桥管理办公房和养护救援功能用房，二、三层沿着中央风孔考虑商业预留，四层布置成港珠澳大桥模型展厅。

图1为东人工岛主体建筑整体效果。

图1 整体效果Fig.1 The overall effect

1.2 给排水及消防系统

东人工岛主体建筑作为集多种功能于一体的综合运营中心，给排水及消防系统相对复杂，除了常规的系统外还运用了高压细水雾系统和七氟丙烷气体灭火系统。

1.2.1 给排水系统

东人工岛主体建筑的生活给水系统水源源自西人工岛，通过2根DN200给水管沿着海底隧道进行引水，接管点的供水压力≥0.20 MPa。生活给水系统分高低两区，低区充分利用珠海陆域至人工岛的给水管压力直供，高区采用变频给水设备+低位水箱供水，水箱内设置自洁消毒器保证水质要求，卫生器具最低工作压力均按照GB 50015—2003《建筑给水排水设计规范》[1]要求设置。

室内排水系统采用分流制，分为生活污水系统（主要排除淋浴、盥洗、粪便污水），生活废水系统（主要排除厨房废水），地下室废水系统（主要排除消防废水、结构渗漏水及车库冲洗水）。地下室废水系统在地下二层设备房内及走廊设置集水井，井内各配置潜污泵2台，废水经提升后排至室外排水系统。屋面雨水采用虹吸雨水系统，二、三层外走廊雨水采用重力式排放，在结构柱中预埋管道，雨水至首层散排。生活污水和生活废水经污水处理装置处理后的回用水可以用于绿化灌溉。

1.2.2 消防系统

根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[2]和GB 50067—2014《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》[3]设计要求，东人工岛主体建筑设计有室内消火栓系统、室外消火栓系统、自动喷水灭火系统、高压细水雾灭火系统和七氟丙烷气体灭火系统。建筑内布置有用于隧道消防用水的消防泵房及消防水池。主体建筑是属于港珠澳大桥桥隧东连接枢纽，多家设计单位的管线均集中布置在内，消防系统复杂，管线综合协调量大。

1.2.3 管材管件

东人工岛主体建筑室内生活冷热水系统采用304薄壁不锈钢管，根据GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》[4]和GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》[5]安装要求，当架空管道管径≤DN50时，采用螺纹和卡压连接，当管径＞DN50时，采用沟槽连接件连接、法兰连接。室内重力排水管道均采用离心铸铁排水管及配件，承插连接。室外埋地重力排水管道采用玻璃钢纤维增强塑料夹砂管（FRPM管），潜水排污泵的压力排水管道采用涂塑钢管，沟槽式或法兰连接。地下室外墙以外的埋地管采用双层聚乙烯PE给水管，与涂塑钢管之间通过钢塑转换接头连接。虹吸雨水系统雨水斗及管道采用316不锈钢材质，管径DN100以下采用卡压连接，DN100以上法兰连接。根据GB 50898—2013《细水雾灭火系统技术规范》[6]要求，高压细水雾系统管道采用满足系统工作压力要求的无缝不锈钢管316L，管道采用氩弧焊焊接或卡套连接。

室内消火栓系统及自动喷水灭火系统主干管采用内外壁热镀锌钢管（P=1.6 MPa）及配件。管径≤DN50，采用螺纹连接。管径＞DN50，采用沟槽式连接。室外埋地消防给水管采用双层聚乙烯PE给水管，电热熔连接。

1.3 项目难点

在清水混凝土及成品隔断墙上预留的孔洞、预埋件设施需全部提前考虑，严禁后期开凿及打孔，影响整体效果。首层层高8.1 m，二层、三层的层高4.8 m，四层高5.6 m。其中负一和负二层的设备房及管线路由走向最为复杂。主体建筑利用暗埋段空箱结构形成负二层，用作岛上建筑及隧道共用的设备用房，含35 kV变电所及隧道用消防泵房等。主体建筑首层地面与隧道暗埋段顶板形成负一层，本层层高从东至西依次递增，东部区域用于管线夹层，夹层最低净空不足1.7 m。管线夹层为本项目管线布置最复杂的地方，其中包含多条交通工程电缆桥架、隧道压力废水、隧道消防水泵接合器管线。电缆桥架最大尺寸为600 mm×600 mm，隧道压力废水管最大管径为DN350，桥架及水管转弯半径所需空间非常大，房建所需的给排水管、消防水管同时集中于管线夹层内，其中从建筑上部下穿至负一层的排水管均需从该层侧壁穿出接至室外检查井。侧壁孔洞均已预埋完毕，负一层侧壁厚度为600 mm，其中负一层与负二层楼板厚度为1 400 mm，再凿重新开孔的难度极大，若重新开孔则会影响到隧道及房建结构安全，由于孔洞预留的局限性使得后期管线路由优化难度非常大，同时本项目使用综合支吊架，支吊架根据图纸管线路由进行预制，支架均已按照GB 50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》进行计算[7]，现场再调整管线势必影响工期进度，多重制约因数重叠，因此只能在现有条件内寻找突破。

由于本项目承担的功能较多，各种设备房管线路由分散，同时土建结构复杂，柱和梁的尺寸较大，导致机电设备专业管线布置空间非常紧张。采用传统CAD二维图纸作图只能在平面上粗略地评估位置是否满足安装要求，但是面对负一层狭窄的管线空间，传统方法则突显它的局限性了。传统CAD无法直观体现三维空间关系，因此，急需引入一种新的技术来解决如此复杂的管线。通过引入BIM技术，在Revit平台上对给排水管线进行建模，结合建筑结构及其他机电专业模型进行三维空间分析可以直观发现管线碰撞和净空过小的问题。同时可以导入二次装修天棚模型与机电管线进行净空分析，确定最合适的天棚高度。

2 BIM技术在项目中的应用

2.1 Revit软件使用设置

本项目各机电专业及建筑结构建模人员均在同一个服务器上协同工作，把本专业模型上存至服务器组成中心模型。中心文件包含7个专业，分别为建筑、结构、给排水、暖通、电气、控制和综合支吊架。各自使用本地文件副本编辑并定时同步至中心文件。

由于本项目各专业参与建模人员众多，在建模前需要统一参照平面，使得各专业在同一个参照平面上建模，并规范各专业的工作集及相关命名方式，避免工作集混乱和中心文件误删的问题。给排水专业设备、阀门、管道附件众多，在建模前需要统一管道材质、颜色、管径等，设置所需系统类型，在管道系统类型属性菜单里填写对应系统的缩写，此步骤有助于后期对过滤器的设置使用，根据作图需要可以调整管道和系统的可见性。

2.2 模型创建与管线协调

传统建模方式多数是各专业先根据CAD图纸管道标高及路由进行建模，建模完成后做碰撞检测报告，最后根据检测碰撞报告逐一调整，结果导致调整的时间比建模时间更长，按照原来方法调整碰撞不仅效率低下而且缺乏整体性。因此，本项目决定改用新办法。各专业把CAD图纸叠加至同一平面，先从走道区域分析，通过建筑模型直观反映走道尺寸，然后机电各专业在建模前确定基本排布原则，减少相互交叉，节省空间。如图2为负二层走道布置示例。

图2 东人工岛负二层走道Fig.2 Negative second floor walkway of the east artificial island

各机电管线排布原则如下：1）暖通风管在最上层，电气桥架在第二层，给排水管在最下一层；2）大管优先，小管让大管；3）有压管让无压管；4）可弯管线让不可弯管线、分支管线让主干管线；5）附件少的管线避让附件多的管线；6）管线或桥架交叉优先考虑上翻；7）管线上下层布置考虑综合管线横杆和阀门安装空间；8）考虑喷头、风口、灯具安装施工空间；本项目使用年限为120 a，因此必须考虑预留后期设备管线更换的空间，根据众多项目经验及结合施工现场要求，每条走道至少预留净空为400 mm的检查通道。如图3为负一层南侧局部示例。

2.3 运用BIM技术解决重难点

图3 负一层南侧局部图Fig.3 Negative floor local map on the south side

主体建筑负二层是一个斜板结构，东高西底的走向，走道完成面呈现一个跌水形状，若采用传统CAD二维平面图上只显示一条水平线，通过BIM技术运用Revit软件平台可以直观真实反映出管道的坡度及走向。由于负二层设备肩负了隧道供电和消防监控的功能，因此，重型设备尺寸较大，对走道净空要求高，平均净空需大于3.0 m，通过Revit管线建模可以真实模拟运输路线及净空条件。对于结构为斜板或者回填面高差较大的空间运用BIM技术解决问题显得特别重要。

本项目负一层集给排水、电气、暖通管线，以负一层C交15轴为例，此处有结构反梁，结构反梁高1 200 mm，总净空只有1 400 mm，通过Revit软件生成局部三维可以直观反映出结构梁的实际尺寸，运用多视角转换方法协调平衡各专业管线的占位空间，减少管道碰撞。

2.4 BIM技术对给排水管线的优化

通过给排水专业管线建模，利用BIM技术进行管线碰撞模拟，在施工前解决碰撞点问题可提高施工效率，这也是BIM技术的重要功能之一。

以首层到负一层的车道为例，此处为地下停车场唯一车道，考虑后期大型运输车辆的高度，因此车道净空需大于3.0 m。按照原方案给排水管道靠近9轴布置，废水管、虹吸雨水管、污水管均需经过车道，净空为2.75 m，见图4车道给排水管优化前后对比示例。

图4 车道给排水管优化前后对比示例Fig.4 Comparison examples before and after the water supply and drainage pipe optimization of lane

为满足项目使用功能要求，通过BIM平台技术，在三维空间进行实际尺寸的校核调整，把原来的排水管道移动靠近8轴位置，如图4所示，进行优化之后的排水管道管外底到车道坡面的实际净空有3.25 m，通过发挥BIM技术平台优势可准确并及早完善给排水管线布置。

通过BIM技术平台解决地下室车道给排水管线优化只是BIM技术在本项目应用的一个小缩影。

3 BIM技术应用过程中的经验总结

3.1 BIM技术应用定位分析

本项目功能布局持续优化，施工图设计周期长达3 a，在施工图的中期引入BIM技术，后期运用BIM平台技术进行施工图出图。经过项目实践，建模前必须要注意对模型的作用进行准确定位，因为定位影响模型的深度。举例说明，第1种情况，本模型只作为普通管线碰撞，可根据实际情况将DN50以上主管道建模并进行管道碰撞调整，满足综合管线使用即可。第2种情况，若模型需最终出图使用，此时需要把所有管道包括末端都进行建模，并且需准确录入管道参数信息，管道需准确参数才能标注出图。

因此，准确定位模型的作用有利于提高模型利用效率，节省人力资源，提高模型准确性。

3.2 培养BIM设计团队的协同能力

目前尚未颁布关于BIM国标设计标准，因此在项目建模启动初期要建立完善的BIM设计标准，例如专业分类、文件归档、系统命名、管道颜色等。完善工作流程，提高团队协同能力，建立适合自身团队发展的工作准则。将BIM技术培训、项目应用和项目总结形成体系，逐步建立BIM设计团队以及严谨而高效的工作流程。

4 总结与展望

港珠澳大桥东人工岛主体建筑机电设备专业管线繁多，净空要求高，设计周期长，负一层侧壁预留孔洞无法更改，在众多局限条件下完成管线综合难度大。本项目在BIM技术的支持下提高了图纸的准确性，在多维度的空间下模拟真实管道的路由走向，相比传统CAD二维图纸更能表达现场真实工况，并可协助施工单位解决复杂的机电安装节点。

利用BIM技术能显著提高施工效率及准确性。建议项目前期做好相关技术准备与模型定位，让BIM技术进一步融入到项目管理中，最终推动BIM技术的推广。