BIM技术在某煤矿生活污水回用工程设计中的应用

高将，张宝军，孙悦，袁涛

( 1.江苏建筑职业技术学院，建筑智能学院，江苏，徐州 221116;2.中国矿业大学，环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；3.徐州市水处理工程技术研究中心，江苏 徐州 221116 )

BIM技术在建筑行业中取得了飞速的发展[1-2]，设计师不再局限于传统的二维平面及剖面绘图，而是借助于有关软件进行三维模型的创建，方便设计师全方位地了解模型信息，做到尽可能地和施工实际相符合。目前，许多大型建筑设计院也已经在积极运用 BIM 技术[3]，但是在水处理行业受制于多种原因仍处于起步阶段，本文以某煤矿企业生活污水回用工程为例，阐述水处理构筑物模型的建立过程，分析BIM技术在水处理工程的具体应用。项目以某能源矿业有限公司煤矿生活污水中水回用处理工程，设计处理水量600 m3/d，中水主要用工业区工程施工供水、工业场地绿化、浇洒道路以及消防补水等。进水主要来自厂区的生活污水、初期雨水等，出水指标要求达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T19820—2002)相关标准。设计采用以生物处理为主导的处理工艺，工艺流程为生活污水→三通井→格栅井→化粪池→调节池→A/O生化池→斜管沉淀池→集水池→曝气生物滤池→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

项目中的土建模型主要包括三通井、设备间和水处理构筑物。三通井用于污水进水口向格栅井进行分流，设备间包括格栅间、加药间、鼓风机房、泵房、分析间和电控室，水处理构筑物采用一体化的钢筋混凝土结构，主要有化粪池、调节池、生化池、斜管沉淀池、曝气生物滤池以及中水回用水池等。土建模型的建立是在Revit Architecture操作平台中完成的，利用软件常用的墙、楼板、屋顶、门窗等。水处理构筑物的构造和传统建筑物构造有所不同，为了增加钢筋混凝土水池的力学性能，往往在其四壁进行加腋处理；为了方便放置填料和斜管，经常在池壁上设置牛腿，这些构件利用Revit软件中传统的“墙”工具就无法实现。设计采用参数化建模的思路，通过新建“轮廓族”，再利用修改墙垂直结构中的墙饰条命令进行载入，进而达到加腋处理和增加牛腿的效果，钢筋混凝土水池加腋和牛腿设置处理效果如图1所示。

图1 水池加腋和牛腿设置

1.2 管道系统模型建立

水处理构筑物工艺管线众多，类型复杂[4-5]，常见的管道系统有污水管、污泥管、曝气管、臭气收集管、加药管、反冲洗管、中水回用管等。构建基于“机械样板”的Revit MEP项目文件，将土建模型以链接的形式进行载入，则可以方便绘制出各种工艺管线，整个项目的管道系统模型如图2所示。

图2 管道系统模型

水处理工程中的曝气管、反冲洗气管、反冲洗水管等往往做成穿孔管的形式，Revit软件中的“管道”工具无法实现，设计采用新建相应的支管常规模型，并在模型中添加管道连接件，保证了主管和支管的连接，以生化池中1 000 mm长曝气支管为例，穿孔曝气管模型如图3所示。

图3 穿孔曝气管模型

1.3 场地模型的建立

Revit软件还提供了场地布置功能，可以更好地对水处理站现场进行布置，方便了效果展示。根据《室外排水设计规范》GB 50014—2006(2016年版)中6.1.10条规定[6]，污水站应设置通向各构筑物和附属建筑物的必要通道，其中主要车道宽度单车道为3.5～4.0 m，车道转弯半径宜为6.0～10.0 m，设计采用单车道，污水站四周不设置围墙。

2 BIM技术应用

2.1 可视化设计

可视化设计是BIM技术在水处理工程项目设计中的一项重要应用，Revit系列软件在Auto CAD原有三维建模功能的基础上，引入项目、族、参数化设计等概念，并提供功能强大的系统族，专为建筑信息模型构建。和传统的二维平面设计不同，基于BIM技术的可视化设计可以通过平面、立面、剖面以及三维等不同视图之间进行切换，设计师可以更加全面地了解模型内部构造，及时检查设计过程中出现的问题。模型一旦构建完成既可以按照传统的平面加剖面出构筑物施工图，也可以对不同池体进行着色，以及在三维视图下标注。以一体化钢筋混凝土池体为例，本项目中的池体平面着色图和三维标注图如图4、图5所示。

图4 水处理构筑物池体平面着色

图5 水处理构筑物池体三维标注

2.2 参数化设计

参数化设计是指设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求进行模型建立的过程[7]，Revit软件提供了族和体量两种工具，可以方便地根据具体实际进行模型构建。族是Revit软件中的一个重要概念，它是一类东西的总称，如门族、窗族、墙族等，族可以分为系统族和可载入族[8]，族又有不同的类别和不同的类型。Revit软件中的体量，也称为概念体量[4]，是建筑师在项目规划和初步设计阶段快速将设计思路进行模型化展示的一种工具，两者都可以通过内建构件或新建族文件的形式进入族编辑状态，再通过系统提供的拉伸、放样、融合等命令创建所需模型，并对模型构件的尺寸、材质、可见性等进行参数化控制，按类别载入项目后就可以和原系统族一样使用。本项目设计中集水槽、爬梯、斜管等构件就采用了族工具进行编辑，以集水槽为例，模型效果如图6所示。

图6 集水槽模型

2.3 材料工程量统计

及时有效地对材料工程量进行统计是项目建设过程中的一项重要任务，传统的手工算量过程复杂且耗时长，利用BIM技术可以快速提取项目所需的工程量，对造价控制与施工组织编制和实施有重要指导意义，项目土建模型中墙体材料明细见表1。

表1 墙体材料明细表

以水池外墙进行校核，其手工预算工程量长度为70.44 m，体积为99.13 m3，由表1可以看出，经过BIM软件电算出来的工程量比手算值偏高，这主要是因为在模型构建过程中将池壁处加腋处理也作为了墙体的一部分，在实际施工过程中，这部分混凝土的量也是必不可少的。由此可见，只要建筑模型中的相关信息构建完整，就可以最大限度接近工程实际导出相应的建筑信息。同样地，在工艺管线模型中也可以导出相应的管道系统工程量，见表2。

表2 管道系统明细

2.4 设备间深化

水处理工程中的风机房和泵房布置一直是工艺设计中的一个难点[5]，在实际施工过程中经常出现设备间工艺管线交叉碰撞、设备基础之间以及机组与墙壁之间间距不足等问题。根据《室外排水设计规范》GB 50014—2006(2016年版)中5.4.7和6.8.20条规定[6]，水泵机组基础间的净距不宜小于1.0 m，机组突出部分与墙壁的净距不宜小于1.2 m，主要通道宽度不宜小于1.5 m。传统的二维平面设计以简单的线条代表管线，用图例表示进出管道上的阀门附件，很容易造成管道交叉，也无法显示机组突出部分的实际距离，利用BIM技术构件设备间三维模型，不仅可以直观感受设备间整体布置情况，而且可以更方便地对各种规范中的各种净距要求进行测定。以鼓风机房和水泵机房布置为例，本项目中的设备间平面如图7所示，鼓风机房、水泵机房三维布置如图8、图9所示。

图7 水泵机房平面布置

图8 鼓风机房三维布置

图9 水泵机房三维布置

2.5 工艺管线综合布置

利用相关软件对水处理工艺管线进行综合布置是BIM技术在水处理工程中的另一个重要应用，工艺管线综合实质上包括两种，一种是管道系统之间的碰撞检测，另一种是管道系统和土建模型之间的碰撞检测[9]。前者可以方便地检测出管道之间是否有交叉或者管道间距过小的情况，后者可以完成土建模型中预留洞口的准确定位。

2.5.1 管线之间的碰撞检测

本项目共有8条管线系统，在Revit软件中将土建模型链接进管道模型项目文件中，经软件碰撞检测，共有7处碰撞位置。经过校核，其中有4处是由于管道和管道以及管道和附件之间的“假连接”造成的，有3处是真正的管道之间的交叉碰撞，主要集中在曝气生物滤池反冲洗水、反冲洗气管道处。

对于假连接，只需通过拉伸管道节点和管道以及附件保持相连即可，对真碰撞则需要综合考虑管道埋深、间距要求、施工实际等具体情况进行调整，建议打开基于MEP机械样板的管道系统项目，将构筑物土建模型作为链接载入，这样运行完碰撞检测后可以直接在项目中对管道系统进行修改，项目中管线经过调整后的效果如图10所示。

图10 管道之间交叉碰撞及调整

2.5.2 管道系统和土建模型之间的碰撞检测

将管道系统模型作为链接在土建模型中进行载入，经Revit软件碰撞检测，共有186处碰撞点位。水处理构筑物管道系统和土建模型之间的碰撞主要集中在设备间内管道和设备间底板碰撞，管线和水处理构筑物顶板碰撞，以及管线和构筑物墙壁之间的碰撞。传统的水处理构筑物是分开的，即预留洞口出一套布置图，管道系统单独出图，一旦管道位置发生变化，则原先预留的孔洞位置也必须改变。采用BIM技术模型，利用Revit软件或Navisworks软件中的碰撞检测功能，在调整完管线之后，可以方便地找出孔洞位置，进而直接在模型中进行开洞。建议打开基于建筑样板的构筑物土建模型，将管道系统模型作为链接进行载入，这样运行完碰撞检测后可以直接在土建模型项目中对土建模型进行修改，即留取开洞位置，管道系统和土建模型之间的碰撞调整完成后的效果如图11所示。

图11 设备间底板及水池前壁之间的碰撞及调整

3 结语

利用BIM技术，在设计过程中通过不同视口之间的切换，实现了三维可视化设计，在传统的水处理构筑物“一平两剖”出图基础上增加局部三维出图，更好地传达了设计师的意图。

利用BIM技术可以方便提取设计阶段赋予模型的各种信息，从而服务于建设项目的设计、建造安装、运营等整个生命周期，提高生产效率、保证生产质量、节约成本、缩短工期等发挥出巨大的优势作用[10]。利用建筑信息模型之间的联动功能，在水处理构筑物设计过程中，通过碰撞检测调整，可以更好地对各种工艺管线和设备间内部布置进行优化，便于施工，减少错误发生的概率。