基于BIM 的建筑全寿命周期节水与水回收利用体系集成

黄修谱，梁泳锋

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）

引言

水资源的可持续利用是经济社会发展的基础性和战略性问题，然而随着经济的发展，水污染、水短缺问题日益严重，并成为了全球性问题[1]。据联合国环境规划署估计，建筑业消耗了全球淡水的30%[2]。因此，日益增加的水资源短缺问题，驱动建筑行业采取节水与水资源回收利用技术与措施，一方面通过节水减少水资源的消耗，另一方面通过回收地下水、雨水等实现水资源的循环利用[3～6]。

目前，从节水的角度，建筑项目全寿命周期分为施工和运营2 个阶段[2]。其中，施工阶段可通过采用节水器具、回收利用基坑降水、洗车用水等措施进行节水，运营阶段可通过回收利用雨水、布置用水监测系统、提高用户节水意识等措施进行节水。在诸多节水措施中，对不同于传统地表水和地下水供水的水源，即非传统水源，主要包括基坑降水、雨水、生产和生活废水等的回收利用，既是一项重要的举措，又是实现水资源可持续利用的重要途径[7]。

然而，在建筑项目尤其是大型公共建筑项目中，对非传统水源的回收利用仍存在诸多问题与挑战，如施工过程中对雨水回收利用关注较少、水处理系统建设成本高、场地布置复杂、节水效率低下等[8][9]。因此，解决这些难题，就必须从建筑全寿命周期的角度出发，通过科学合理的系统设计，统筹施工和运营2 个阶段的水回收利用系统，制定更为有效的节水策略。

本文从建筑全寿命周期的角度出发，在对施工阶段和运营阶段节水与水回收利用措施分析的基础上，进行了节水与水回收利用体系集成设计。同时，在此基础上，以建筑信息模型（BIM）技术为实现手段，构建了基于BIM 的建筑全寿命周期节水与水回收利用集成体系。一方面，以绿色施工为指导理念，对施工现场水资源的回收利用进行了集成设计；另一方面，通过统筹施工和运营2 个阶段的水回收利用方案，旨在实现永久设施和临时设施的集成。

1 施工阶段节水与水回收利用措施分析

1.1 基坑降水回收利用

基坑施工阶段往往需要对基坑进行降水，该部分水源未受污染，属优质水源。基坑降水的处理一般采用沉砂池沉淀的处理方式，沉砂池出水口接供水管网或蓄水池，收集后的基坑降水经沉淀处理后可用于工程施工、扬尘控制、车辆冲洗等[10]。

1.2 雨水回收利用

雨水的回收主要通过绿地、地面、屋面3种介质，而施工阶段由于屋面还未完工，因此该阶段雨水的回收以绿地和地面为主。绿地收集雨水主要以渗流为主，经绿地渗滤后的雨水含泥量会减少，但可收集的量较少；地面收集雨水主要以径流为主，地面雨水径流通过雨水管道汇流入沉砂池或蓄水池中，经处理后回用。

1.3 洗车水回收利用

由于运输车辆在进出施工场地时一般需要对其进行清洗，因而可通过采用自动洗车喷淋装置和车辆冲洗废水回收利用系统对洗车水进行回收利用。当运输车辆经过时，装置自动感应并对其进行清洗，清洗后的水和污泥流入污泥池和沉砂池，经沉淀后流入清水池以备下一次使用，实现洗车水的循环利用。

1.4 生活废水回收利用

施工现场的生活废水主要来自生活区用水，需在生活区针对生活废水设置专门的水处理系统对收集的生活废水进行处理。根据《建筑中水设计标准》（GB 50336-2018）的规定，淋浴排水、洗衣排水、盥洗排水属于优质杂排水，因此可采用以生物处理为主的水处理工艺流程，当出水水质符合现行国家标准《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920）的规定时，可用于道路清扫、车辆冲洗、建筑施工、冲厕、绿化、消防等。

2 运营阶段节水与水回收利用措施分析

2.1 选用节水器具

运营阶段在选用节水器具时，应优先选用国家鼓励发展的节水设备、淋浴装置和器具，使用感应式节水龙头、感应式小便斗、感应式蹲便器等效率等级较高的卫生器具。一方面可以减少水资源的消耗，另一方面也可以减少水资源的浪费，从而达到节水的目的。

2.2 雨水回收利用

和施工阶段雨水回收利用措施不同的是，该阶段屋面已经建成，绿地雨水回收利用系统、地面雨水回收利用系统、屋面雨水回收利用系统均可投入使用，并可按照设计流量对雨水进行回收利用。其中，屋面雨水可采用有组织外排水方式，经雨水管排至雨水井或蓄水池，经处理后用于景观用水、绿化灌溉等。

2.3 生活废水回收利用

施工期间的生活废水处理系统可在运营阶段继续发挥作用，运营期间应根据生活废水来源和产生量确定其改扩建规模，确保系统的正常运行。

3 全寿命周期节水与水回收利用体系集成

3.1 集成路径分析

由以上节水与水回收利用措施分析可知，施工以及运营阶段可回收的水源种类不一，若针对每一种水源单独建立一套水回收利用系统，将会给施工现场管道的布置、水处理设施的布置带来极大困难，同时造成系统建设成本的提高。由于基坑降水、雨水等水源的水质相当，且施工阶段与运营阶段的水回收利用措施具有连续性，因此可从建筑全寿命周期的角度，从2 个路径集成设计节水喝水回收利用体系，即对施工阶段水回收利用系统、“施工阶段+运营阶段”水回收利用系统进行集成设计。

3.1.1 施工阶段水回收利用系统的集成

该集成主要是根据施工现场各种可回收水源的水质、水量及回用场景，合理布置回收管网、水处理设施、蓄水设施等。具体而言，从3 个方面进行，即①基坑降排水与雨水回收利用系统的集成；②施工现场生活废水（主要指优质杂排水）回收利用系统的集成；③水回收系统与供水系统的集成。

3.1.2 施工阶段临时设施与运营阶段永久设施的集成

该集成从项目全寿命周期的角度出发，充分论证施工和运营2 个阶段的可回收水源、水处理设施及回用水需求，通过管线共用、设施共用、场景共用等方法，降低系统建设成本，提高系统利用率。具体而言，从4 个方面进行，即①临时道路与永久道路的集成；②临时蓄水池与永久蓄水池的集成；③降尘喷淋系统与绿化灌溉系统的集成；④生活废水回收利用临时设施与永久设施的集成。

3.2 系统集成设计

3.2.1 基坑降水与雨水回收利用集成设计

3.2.1.1 降水量计算

（1）基坑涌水量计算

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）群井按大井简化时，基坑降水总涌水量Q1，按式（1）计算。

式中Q1—基坑降水总涌水量，m3/d；k—渗透系数，m/d；H—潜水含水层厚度，m；sd—基坑地下水位设计降深，m；R—降水影响半径，m；—基坑等效半径（，A 为基坑面积，m2），m。

（2）雨水降水量计算

根据《水文地质手册》，预测涌水量时，应分别计算正常涌水量与降雨量值，大气降水沿地面流入基坑内的水量按正常降雨量与设计频率暴雨量分别计算[11]。

正常降雨量时流入基坑的水量Q2，按式（2）计算。

式中Q2—正常降雨时流入基坑的雨水量，m3/d；F—基坑的汇水面积，m2；A—历年雨季日平均降雨量，m；—降雨时的地表径流系数。

设计频率暴雨时流入基坑的水量Q3，按式（3）计算。

式中Q3—暴雨时流入基坑的水量，m3/d；F—基坑的汇水面积，m2；—降雨时的地表径流系数；A暴—设计频率的雨量（一般可根据区气象站暴雨等值线查），m。

3.2.1.2 设计思路

根据降水量计算，综合考虑施工现场实际情况，合理选择降水方式、布置降水管网，各支管的水流入主降水管，然后汇入沉砂池进行沉淀处理。在基坑坑顶外围1m 处设置截水沟和集水坑，用于拦截和收集雨水和地表水，截水沟转角处设置集水坑，两侧截水沟较长中部布置沉砂池，沉砂池设计数量由降水总量和沉砂池设计尺寸决定。基坑内的雨水及滞留水沿排水沟排放至集水坑，再通过水泵抽至基坑外侧排至集水坑或沉砂池中，以达到土方疏干和回收利用的目的。回收后的基坑降排水和雨水经沉砂池处理后，接入供水管网或流入调蓄水池以备回用。

3.2.2 施工现场生活废水回收利用系统集成设计

生活废水中的淋浴排水、洗衣排水、盥洗排水同属优质杂排水，因其污染程度较低且水质相当，可对该部分水的回收利用进行集成设计。根据GB 50336-2018，生活废水（中水）原水量Qy，可按式(4)进行计算。

式中Qy—中水原水量，m3/d；β—建筑物按给水量计算排水量的折减系数；Qpj—建筑物平均日生活给水量，m3/d；b—建筑物分项给水百分率。

处理系统设计处理能力Qh，按式（5）计算。

式中Qh—处理系统设计处理能力，m3/h；Qz—最高日中水用水量，m3/d；t—处理系统每日设计运行时间，h/d；n1—处理设施自耗水系数。

3.2.3 水回收系统与供水系统的集成

施工期间根据用水点布设供水管网，处理后的基坑降水、雨水接入供水管网，将用于车辆冲洗、扬尘控制、工程施工等，实现水回收系统与供水系统的集成。由于回用水的不连续性，供水管网前端接入市政管网，稳定用水供应，水回收与供应系统集成如图1 所示。

图1 水回收与供应系统集成

3.2.4 临时设施与永久设施的集成设计

3.2.4.1 临时道路与永久道路的集成

施工阶段的临时道路与运营阶段的永久道路尽可能保持位置一致，两者通过共用路基、垫层等，减少重复铺设。施工阶段路面排水系统和雨水回收管道的布设综合考虑运营阶段的雨水径流控制和回收需求，使其能够在运营阶段继续发挥作用。

3.2.4.2 临时蓄水池与永久蓄水池的集成

通过将运营阶段的雨水蓄水池提前建造应用于施工阶段，用于储存施工期间的基坑降水和雨水等，同时作为施工阶段的临时消防水池，实现一池多用、避免重复建设，从而提高系统利用率，降低建造成本。

3.2.4.3 降尘喷淋系统与绿化灌溉系统的集成

施工期间主要通过塔吊喷淋系统、外脚手架喷淋系统、围挡喷淋系统等途径对现场进行扬尘控制。工程竣工后，喷淋系统拆除时保留地下管线，将其接入运营阶段绿化灌溉竖管及喷淋头，通过改造使降尘喷淋系统变为绿化灌溉系统[12]。

3.2.4.4 生活废水回收利用临时设施与永久设施的集成

施工阶段的生活废水回收利用设施在运营阶段可继续发挥作用，可根据运营阶段的生活废水产生量合理确定将其改造，在实现水资源回收利用的同时，通过临时设施和永久设施的集成，降低系统建造成本。

4 BIM 在节水与水回收利用体系集成中的应用

建筑项目尤其是大型公共建筑，仅施工阶段就有诸多管网与水处理设施，因此统筹施工和运营2 个阶段的水回收利用系统是一项复杂的系统工程，无疑给设计和施工带来了新的挑战与难题。然而，由于BIM 技术具有三维可视化、碰撞检测、模拟施工等功能，为上述难题的解决提供了科学有效的手段。

4.1 三维建模

由于二维图纸难以直观表达空间上的位置关系，因此利用Revit 进行三维建模，分阶段建立不同施工阶段的三维模型，提前发现设计中存在的问题，从而进行深化设计更好地指导施工。基坑施工阶段通过建立基坑支护与降排水模型，合理布置降水管网、降水井、截水沟等；主体施工阶段通过Revit 建模辅助场地布置，统筹施工和运营2 个阶段的水回收利用系统，通过管线共用、设备共用、场景共用等提前将运营阶段的水回收利用设施应用到施工阶段。

4.2 碰撞检测

用于碰撞检测的BIM 软件主要有Revit 和Navisworks，设计过程中可利用Revit 链接不同专业模型的方式进行碰撞检测，最终形成碰撞检测报告，通过检测报告快速定位模型中的碰撞位置，及时对模型进行调整。由于Revit只能检测硬碰撞，因此可将Revit 模型导出为.NWC 格式，利用Navisworks 进行间隙碰撞检测。相较于Revit 而言，Navisworks 运行碰撞检查对计算机的硬件配置比较低，且速度更快，更具有灵活性，工程中可针对实际需要选择相应的软件。

4.3 模拟施工

模拟施工可通过Navisworks 中的“Time-Liner”选项卡中的“添加任务”创立施工任务，并在添加的任务中设置各项施工工序的起止时间，然后点击“模拟”生成施工动画，从而提早发现施工中可能存在的问题，及时优化调整施工方案。

4.4 基于BIM 的节水与水回收利用集成体系

基于以上分析，以建筑全寿命周期节水与水回收利用体系集成为出发点，以BIM 技术为支撑，通过三维建模、碰撞检测、模拟施工等手段深化设计、优化方案，统筹施工和运营2 个阶段的水回收利用方案，构建基于BIM 的节水与水回收利用集成体系，如图2 所示。

图2 基于BIM 的建筑全寿命周期节水与水回收利用集成体系

结语

以节水为目的，从建筑全寿命周期的角度出发，在分析施工阶段和运营阶段节水与水回收利用措施的基础上，构建基于BIM 的节水与水回收利用集成体系，形成一整套节水设计流程和集成方案，可更好地为实现建筑节水提供参考。上述研究的不足之处在于，基坑降水用水量计算时只考虑了群井按大井简化时这一种情况，具有一定的局限性。而实际工程中，基坑降水涌水量的计算应根据基坑特点选择不同的简化方式，从而更加准确地辅助设计。另外，节水体系集成设计中未能考虑施工阶段混凝土养护用水、模板清洗用水等施工用水的回收利用，未来可通过进一步研究，将其纳入该体系，以取得更大的经济效益。