BIM在污水管网工程全过程应用研究

叶雄明，韩龙伟，周书东，麦镇东，张 益

（1、东莞市建筑科学研究所 广东东莞523809；2、中国水利水电第七工程局有限公司 成都610213）

0 引言

污水管网是保障城市日常运行的基础设施，具有转输生活污水及工业废水至污水处理厂的功能。对于城市的水体环境控制及城市社会经济的持续有效的发展有着重要的意义［1，2］。

污水管网作为整个排水系统的重要组成部分，占整个排水系统的投资比重较大。由于排水管线埋在地下，且管线分布复杂，同时由于设计和管理的不善，导致管网的混接错接严重。在分流制区域内，由于部分雨水管线与污水管线相通导致在雨天污水管网内的水量猛增，增大了下游泵站及污水处理厂的运行负荷［3-5］。过去关于水利模型在城市内涝和溢流方面的应用研究较多［6］，对BIM 技术指导污水管网设计、施工和运维管理方面的研究较少。本文以“茅洲河流域综合整治（东莞部分）一期项目工程”为例，尝试运用BIM 技术对沉井结构进行三维深化设计、施工技术交底、模拟分析、进度管理、成本管理、运维管理和数字化城市，来挖掘它在污水管网工程中的价值，为日后污水管网工程应用BIM技术提供参考和借鉴。

1 工程概况

茅洲河流域综合整治（东莞部分）一期项目工程主要为长安镇环山渠、新民排渠、东引运河、霄边排渠、陈蔡涌等5条河涌的污水次支管工程，拟建污水次支管总长约73.67 km，管径DN400～DN1200，其中顶管长度约55.1 km，开挖埋管长度约18.57 km，顶管施工占管网工程总量73.67 km 的75%，开挖埋管施工占管网工程总量73.67 km 的25%。本文将BIM 技术在污水管网项目中的具体应用进行研究。

2 三维设计

根据实际污水管网工程中的沉井结构进行拆分，将沉井结构拆分成一片片井片，通过工厂井片的预制生产和现场管片螺栓干式连接形成沉井结构。这种装配式沉井结构与传统污水管网工程中的沉井结构相比，最大区别是采用装配的方式进行建造，并在沉井施工完后，对沉井最顶端的井片进行回收重复利用，提高污水管网工程的经济效益。

在深化设计阶段，通过应用BIM 技术建立沉井深化模型，进行三维设计。与传统二维CAD 设计相比，三维模型更直观、明了反映设计者的意图，同时也方便各参与方对深化设计方案进行沟通和交流。其次，通过BIM 技术的三维模型可以很好反映各井片之间的位置关系和构造要求，方便用来指导预制构件井片的生产和施工。通过提取沉井深化模型里的信息，可以准确、清楚知道各井片的混凝土量、钢筋量、吊耳个数、混凝土等级和钢筋型号等信息。应用BIM 技术进行三维设计还有个优势就是BIM 的协同工作原理，只要局部修改其余部分会自动更新，从而保证整个设计方案的整体性和可行性。确认深化设计方案无误后，可以从深化设计模型里面导出所需图纸。以壁厚t=0.3 m、内径D=3 m、深度h=6 m 的装配式沉井为例，其设计图纸和模型如图1～4所示。

3 施工技术交底

图1 D=3.0m装配式沉井下部井片俯视及正视图Fig.1 D=3.0m Top and Elevationview of Lower Part of Fabricated Caisson

图2 D=3.0m装配式沉井下部井片BIM模型Fig.2 D=3.0m BIM Model of Lower Part of Fabricated Caisson

图3 D=3.0m装配式沉井上部井片俯视及正视图Fig.3 D=3.0m Top and Elevationview of Upper Part of Fabricated Caisson

图4 装配式沉井BIM模型Fig.4 BIM Model of Assembled Caisson

应用新技术和新工艺，需要向现场施工人员进行技术交底，通常的做法是通过集合大家在特定地点进行开会，并通过技术人员现场讲解和大家阅读资料的方式将技术要点传输给大家，这个技术交底方式具有一定的局限性。因为每个施工人员的理解能力、识图能力等都不一样，很难保证每一位现场施工人员对施工技术交底内容都能正确的理解、并掌握到位，故需换一种更简单、更高效的技术交底方式。

目前，以应用BIM 技术进行施工技术交底的项目还比较少。BIM 技术的模拟分析和可视化功能可以将施工技术交底内容通过模型或者视频的方式展示给大家，帮助大家更加高效、准确理解技术交底内容，包括里面涉及到的概念、原理、施工步骤和注意事项等。本文通过研究和实践，利用BIM 技术在“茅洲河流域综合整治（东莞部分）一期项目工程”上进行施工技术交底：

3.1 新建管与既有管接驳施工技术交底

通过利用BIM 技术完成新建管与既有管接驳原理、工艺等方面的技术交底。根据接驳部位有无现状检查井，选择对应的接驳方式，具体有以下2种：

⑴与既有管接驳处无现状检查井时，根据图纸及现场实际情况，在管道交叉部位，综合考虑既有管尺寸大小和顶管机头尺寸长度，确定逆作井尺寸及中心位置，施作偏心逆作接收井进行顶管接驳（见图5a）。利用BIM 技术的模拟分析和可视化功能对新建管与既有管接驳施工工艺进行演示，帮助施工人员理解施工流程，减少因理解不足而造成操作失误。具体演示内容有：核定现状管具体位置，选定逆作井位置➝偏心逆作井施工前准备➝偏心逆作井分层施工➝顶管施工，施作沉泥井，再破除现状管实现接驳。

图5 在接驳部位既有污水管网接驳模型Fig.5 Model of Existing Sewer Network Connection at Connection Site

⑵与既有管接驳处有现状井时，先采用探挖方式，探明现状井外部结构边线，沿着顶管轴线与现状井相切施作逆作井，并在逆作井底部根据设计新建污水管轴线、标高和坡度，浇筑混凝土弧形导向流槽，在顶管至逆作井内后，先取出机头，从顶管工作井内继续采用液压油缸顶进至现状井内与既有管接驳（见图5b）。利用BIM 技术的模拟分析和可视化功能对新建管与既有管接驳施工工艺进行演示，帮助施工人员理解施工流程，减少因理解不足而造成的操作失误。具体演示内容有：核定现状井具体位置，选定逆作井位置➝逆作井施工前准备➝逆作井分层施工，底部浇筑混凝土导向流槽➝顶管至逆作井中，取出机头后，在现状井上静力取孔，继续顶管至现状井实现接驳。

3.2 管线施工方案技术交底

污水管网工程在施工过程中，经常涉及到需要迁改既有管线，但由于对周围既有管线数量和准确的位置关系不清楚，很难确保做出来的施工方案一定合理、可行。本工程在振安西路与上兴路交汇处，通过应用BIM 技术进行可视化施工方案技术交底，可以非常清楚知道周围管线数量、位置关系、管线大小、管材等信息，并利用BIM技术可进行碰撞检查，根据碰撞检查结果显示电信_1×100（标高为-0.95 m）、电力_1×150（标高为-0.62 m）和电信_1×100（标高为-0.26 m）3根管线需要迁改（见图6）。

图6 管线碰撞剖面及三维模型Fig.6 Pipeline Collision Profile and 3D Model

根据已有BIM 模型制定管线迁改施工方案，可确保方案的合理性和可实施性，同时利用BIM 技术的可视化进行施工技术交底，可避免管线出现混接错接，有利于确保管网施工质量。在污水管网工程项目中应用BIM 技术，还有利于实现管线整齐排列和地下空间的充分利用。

4 模拟分析

将BIM 模型导入Info Work CS 软件中，可实现管网运作的仿真模拟分析，通过BIM 技术仿真模拟分析不同条件下管网的运行状况，由此获得不同条件情况下的管道、泵站、调蓄池、污水厂等构筑物水位、流量模拟值［7］，找出存在管网的薄弱环节，并对这些薄弱或者不合理处进行设计优化，为潜在污水管网问题提供合理、可行的解决方案。

5 进度管理

通过将已建立好的污水管网模型与施工进度计划关联，形成4D 施工模拟。观察本项目实际建造进度，对施工各关键环节进行拍照跟踪，上传至BIM 模型中，通过虚实建造进行进度对比［8］，参建各方可实现施工进度实时动态管理，有助于各方协同工作，提高建造效率。通过查看模拟分析、对比结果，若发现实际建造进度与原定进度计划不符，各参建方可以查看模型与实际建造过程中的关键时间点，找出延期的原因，并采取相应的措施，使项目工期处于可控的状态。

6 成本管理

将已建立好的污水管网模型与施工进度、成本关联，形成5D 施工模拟分析，根据模拟分析结果和BIM模型中的工程量信息［9］，制定合理的采购计划。在传统污水管网项目采购环节，材料的购买只能通过工程量进行估算，不能很好地跟施工进度、成本进行关联，做到资源合理和充分地利用。通过5D施工模拟分析，能够准确分析出项目上各时间段所需施工材料及成本相关信息，对特定构件的选取，会自动生成明细表（见表1），采购人员可以根据明细表进行采购所需材料，使项目施工工期、成本处于更合理和可控的状态。

表1 水泥搅拌桩明细Tab.1 Cement Mixing Pile List

7 运维管理

随着城市建设的高速发展，全国各大城市的污水管网的新建、改扩建速度加快、规模增大，污水管网系统变得越来越复杂，传统手工卡片式档案管理与文本图纸资料存储的模式已经无法适应城市污水管网现代化管理的需要。如何有效地建立完整、准确和高效的运维模式，使其更好地为污水管网项目提供服务，是市政排水管理部门和相关工作人员所关注的问题［7］。

应用BIM 技术进行污水管网工程的运维管理，具有以下优点：①通过应用已建立好的BIM 模型（见图7、图8）代替传统手工卡片式档案管理与文本图纸资料存储的方式，不仅可以方便获取、储存、管理和显示各种市政管网信息，而且还可以对城市污水管网工程项目进行有效的监测、分析、评价、模拟、预测等管理及研究工作；②针对在城市污水管网的规划，BIM 技术可以对污水管网整个排水系统进行详细模拟分析，可以系统地评估规划方案对城市水环境的影响，为规划方案的调整和优化提供理论性的指导［10］；③对于已经建好的污水管网系统，可以通过BIM 仿真模拟分析功能找出症结之处，并提出解决方案［11-12］；④可以结合当地排水系统的GIS 等数据库，建立完备的排水系统模型，并且逐步发展到利用在线模型进行实时控制，优化排水泵站管理等，做到充分利用系统容积，达到成本最低、效益最大［7］；⑤利用BIM 技术进行运维管理，可为日后污水管网工程、地下工程等项目规划、新建、改扩建方案提供相关基础数据和模型信息等。

图7 项目局部BIM模型Fig.7 Project Local BIM Model

图8 项目局部BIM管线模型Fig.8 Project Local BIM Pipeline Model

8 数字化城市

随着城市化的快速发展，各大中城市市政主管部门比较重视信息产业对城市经济的影响，纷纷建立自己的信息中心，这些信息中心的建立有利于实现城市管理信息化，在城市市政设施规划中起到了强大的辅助作用［7］。以BIM 模型为载体记录城市管网的信息，可以为数据化城市建设提供基础信息数据和模型，为实现数据化城市和智慧城市贡献一份力量，以提升资源运用的效率，优化城市管理和服务，从而改善市民的生活质量。

9 结论

本工程通过实践发现，在污水管网工程中应用BIM 具有以下优点：①应用BIM 技术进行三维深化设计，有利于提高装配式沉井结构的设计质量、施工效率和经济效益；②利用BIM技术的模拟分析和可视化功能进行施工技术交底，有利于提高施工质量和效率，避免因施工技术交底内容理解不足而造成操作失误和管网混接错接现象；③利用BIM技术的4D、5D功能，有利于实现污水管网工程的工期和成本处于更可控的状态。④借助BIM的模拟分析和运用管理，有利于提高污水管网运维管理的效率和效益；⑤在污水管网工程中应用BIM，有利于实现城市的数据化和智能化，提升资源运用的效率，优化城市管理和服务，改善市民的生活质量。综上所述，在污水管网工程中应用BIM技术，有利于提升工程质量和建造效率，产生显著的经济效益和社会效益。同时，在城市现代化建设的过程中，利用BIM 技术指导城市排水系统的设计、建造和管理，是提升一个城市市政基础设施建设和管理的有效技术手段。