葉雄明，韓龍偉，周書東，麥鎮(zhèn)東，張 益

（1、東莞市建筑科學(xué)研究所 廣東東莞523809；2、中國水利水電第七工程局有限公司 成都610213）

0 引言

污水管網(wǎng)是保障城市日常運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，具有轉(zhuǎn)輸生活污水及工業(yè)廢水至污水處理廠的功能。對于城市的水體環(huán)境控制及城市社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)有效的發(fā)展有著重要的意義［1，2］。

污水管網(wǎng)作為整個排水系統(tǒng)的重要組成部分，占整個排水系統(tǒng)的投資比重較大。由于排水管線埋在地下，且管線分布復(fù)雜，同時由于設(shè)計(jì)和管理的不善，導(dǎo)致管網(wǎng)的混接錯接嚴(yán)重。在分流制區(qū)域內(nèi)，由于部分雨水管線與污水管線相通導(dǎo)致在雨天污水管網(wǎng)內(nèi)的水量猛增，增大了下游泵站及污水處理廠的運(yùn)行負(fù)荷［3-5］。過去關(guān)于水利模型在城市內(nèi)澇和溢流方面的應(yīng)用研究較多［6］，對BIM 技術(shù)指導(dǎo)污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管理方面的研究較少。本文以“茅洲河流域綜合整治（東莞部分）一期項(xiàng)目工程”為例，嘗試運(yùn)用BIM 技術(shù)對沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維深化設(shè)計(jì)、施工技術(shù)交底、模擬分析、進(jìn)度管理、成本管理、運(yùn)維管理和數(shù)字化城市，來挖掘它在污水管網(wǎng)工程中的價(jià)值，為日后污水管網(wǎng)工程應(yīng)用BIM技術(shù)提供參考和借鑒。

1 工程概況

茅洲河流域綜合整治（東莞部分）一期項(xiàng)目工程主要為長安鎮(zhèn)環(huán)山渠、新民排渠、東引運(yùn)河、霄邊排渠、陳蔡涌等5條河涌的污水次支管工程，擬建污水次支管總長約73.67 km，管徑DN400～DN1200，其中頂管長度約55.1 km，開挖埋管長度約18.57 km，頂管施工占管網(wǎng)工程總量73.67 km 的75%，開挖埋管施工占管網(wǎng)工程總量73.67 km 的25%。本文將BIM 技術(shù)在污水管網(wǎng)項(xiàng)目中的具體應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 三維設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際污水管網(wǎng)工程中的沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，將沉井結(jié)構(gòu)拆分成一片片井片，通過工廠井片的預(yù)制生產(chǎn)和現(xiàn)場管片螺栓干式連接形成沉井結(jié)構(gòu)。這種裝配式沉井結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)污水管網(wǎng)工程中的沉井結(jié)構(gòu)相比，最大區(qū)別是采用裝配的方式進(jìn)行建造，并在沉井施工完后，對沉井最頂端的井片進(jìn)行回收重復(fù)利用，提高污水管網(wǎng)工程的經(jīng)濟(jì)效益。

在深化設(shè)計(jì)階段，通過應(yīng)用BIM 技術(shù)建立沉井深化模型，進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)二維CAD 設(shè)計(jì)相比，三維模型更直觀、明了反映設(shè)計(jì)者的意圖，同時也方便各參與方對深化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行溝通和交流。其次，通過BIM 技術(shù)的三維模型可以很好反映各井片之間的位置關(guān)系和構(gòu)造要求，方便用來指導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件井片的生產(chǎn)和施工。通過提取沉井深化模型里的信息，可以準(zhǔn)確、清楚知道各井片的混凝土量、鋼筋量、吊耳個數(shù)、混凝土等級和鋼筋型號等信息。應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)還有個優(yōu)勢就是BIM 的協(xié)同工作原理，只要局部修改其余部分會自動更新，從而保證整個設(shè)計(jì)方案的整體性和可行性。確認(rèn)深化設(shè)計(jì)方案無誤后，可以從深化設(shè)計(jì)模型里面導(dǎo)出所需圖紙。以壁厚t=0.3 m、內(nèi)徑D=3 m、深度h=6 m 的裝配式沉井為例，其設(shè)計(jì)圖紙和模型如圖1～4所示。

3 施工技術(shù)交底

圖1 D=3.0m裝配式沉井下部井片俯視及正視圖Fig.1 D=3.0m Top and Elevationview of Lower Part of Fabricated Caisson

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

圖3 D=3.0m裝配式沉井上部井片俯視及正視圖Fig.3 D=3.0m Top and Elevationview of Upper Part of Fabricated Caisson

圖4 裝配式沉井BIM模型Fig.4 BIM Model of Assembled Caisson

應(yīng)用新技術(shù)和新工藝，需要向現(xiàn)場施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，通常的做法是通過集合大家在特定地點(diǎn)進(jìn)行開會，并通過技術(shù)人員現(xiàn)場講解和大家閱讀資料的方式將技術(shù)要點(diǎn)傳輸給大家，這個技術(shù)交底方式具有一定的局限性。因?yàn)槊總€施工人員的理解能力、識圖能力等都不一樣，很難保證每一位現(xiàn)場施工人員對施工技術(shù)交底內(nèi)容都能正確的理解、并掌握到位，故需換一種更簡單、更高效的技術(shù)交底方式。

目前，以應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工技術(shù)交底的項(xiàng)目還比較少。BIM 技術(shù)的模擬分析和可視化功能可以將施工技術(shù)交底內(nèi)容通過模型或者視頻的方式展示給大家，幫助大家更加高效、準(zhǔn)確理解技術(shù)交底內(nèi)容，包括里面涉及到的概念、原理、施工步驟和注意事項(xiàng)等。本文通過研究和實(shí)踐，利用BIM 技術(shù)在“茅洲河流域綜合整治（東莞部分）一期項(xiàng)目工程”上進(jìn)行施工技術(shù)交底：

3.1 新建管與既有管接駁施工技術(shù)交底

通過利用BIM 技術(shù)完成新建管與既有管接駁原理、工藝等方面的技術(shù)交底。根據(jù)接駁部位有無現(xiàn)狀檢查井，選擇對應(yīng)的接駁方式，具體有以下2種：

⑴與既有管接駁處無現(xiàn)狀檢查井時，根據(jù)圖紙及現(xiàn)場實(shí)際情況，在管道交叉部位，綜合考慮既有管尺寸大小和頂管機(jī)頭尺寸長度，確定逆作井尺寸及中心位置，施作偏心逆作接收井進(jìn)行頂管接駁（見圖5a）。利用BIM 技術(shù)的模擬分析和可視化功能對新建管與既有管接駁施工工藝進(jìn)行演示，幫助施工人員理解施工流程，減少因理解不足而造成操作失誤。具體演示內(nèi)容有：核定現(xiàn)狀管具體位置，選定逆作井位置?偏心逆作井施工前準(zhǔn)備?偏心逆作井分層施工?頂管施工，施作沉泥井，再破除現(xiàn)狀管實(shí)現(xiàn)接駁。

圖5 在接駁部位既有污水管網(wǎng)接駁模型Fig.5 Model of Existing Sewer Network Connection at Connection Site

⑵與既有管接駁處有現(xiàn)狀井時，先采用探挖方式，探明現(xiàn)狀井外部結(jié)構(gòu)邊線，沿著頂管軸線與現(xiàn)狀井相切施作逆作井，并在逆作井底部根據(jù)設(shè)計(jì)新建污水管軸線、標(biāo)高和坡度，澆筑混凝土弧形導(dǎo)向流槽，在頂管至逆作井內(nèi)后，先取出機(jī)頭，從頂管工作井內(nèi)繼續(xù)采用液壓油缸頂進(jìn)至現(xiàn)狀井內(nèi)與既有管接駁（見圖5b）。利用BIM 技術(shù)的模擬分析和可視化功能對新建管與既有管接駁施工工藝進(jìn)行演示，幫助施工人員理解施工流程，減少因理解不足而造成的操作失誤。具體演示內(nèi)容有：核定現(xiàn)狀井具體位置，選定逆作井位置?逆作井施工前準(zhǔn)備?逆作井分層施工，底部澆筑混凝土導(dǎo)向流槽?頂管至逆作井中，取出機(jī)頭后，在現(xiàn)狀井上靜力取孔，繼續(xù)頂管至現(xiàn)狀井實(shí)現(xiàn)接駁。

3.2 管線施工方案技術(shù)交底

污水管網(wǎng)工程在施工過程中，經(jīng)常涉及到需要遷改既有管線，但由于對周圍既有管線數(shù)量和準(zhǔn)確的位置關(guān)系不清楚，很難確保做出來的施工方案一定合理、可行。本工程在振安西路與上興路交匯處，通過應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行可視化施工方案技術(shù)交底，可以非常清楚知道周圍管線數(shù)量、位置關(guān)系、管線大小、管材等信息，并利用BIM技術(shù)可進(jìn)行碰撞檢查，根據(jù)碰撞檢查結(jié)果顯示電信_1×100（標(biāo)高為-0.95 m）、電力_1×150（標(biāo)高為-0.62 m）和電信_1×100（標(biāo)高為-0.26 m）3根管線需要遷改（見圖6）。

圖6 管線碰撞剖面及三維模型Fig.6 Pipeline Collision Profile and 3D Model

根據(jù)已有BIM 模型制定管線遷改施工方案，可確保方案的合理性和可實(shí)施性，同時利用BIM 技術(shù)的可視化進(jìn)行施工技術(shù)交底，可避免管線出現(xiàn)混接錯接，有利于確保管網(wǎng)施工質(zhì)量。在污水管網(wǎng)工程項(xiàng)目中應(yīng)用BIM 技術(shù)，還有利于實(shí)現(xiàn)管線整齊排列和地下空間的充分利用。

4 模擬分析

將BIM 模型導(dǎo)入Info Work CS 軟件中，可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)作的仿真模擬分析，通過BIM 技術(shù)仿真模擬分析不同條件下管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，由此獲得不同條件情況下的管道、泵站、調(diào)蓄池、污水廠等構(gòu)筑物水位、流量模擬值［7］，找出存在管網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，并對這些薄弱或者不合理處進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，為潛在污水管網(wǎng)問題提供合理、可行的解決方案。

5 進(jìn)度管理

通過將已建立好的污水管網(wǎng)模型與施工進(jìn)度計(jì)劃關(guān)聯(lián)，形成4D 施工模擬。觀察本項(xiàng)目實(shí)際建造進(jìn)度，對施工各關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行拍照跟蹤，上傳至BIM 模型中，通過虛實(shí)建造進(jìn)行進(jìn)度對比［8］，參建各方可實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度實(shí)時動態(tài)管理，有助于各方協(xié)同工作，提高建造效率。通過查看模擬分析、對比結(jié)果，若發(fā)現(xiàn)實(shí)際建造進(jìn)度與原定進(jìn)度計(jì)劃不符，各參建方可以查看模型與實(shí)際建造過程中的關(guān)鍵時間點(diǎn)，找出延期的原因，并采取相應(yīng)的措施，使項(xiàng)目工期處于可控的狀態(tài)。

6 成本管理

將已建立好的污水管網(wǎng)模型與施工進(jìn)度、成本關(guān)聯(lián)，形成5D 施工模擬分析，根據(jù)模擬分析結(jié)果和BIM模型中的工程量信息［9］，制定合理的采購計(jì)劃。在傳統(tǒng)污水管網(wǎng)項(xiàng)目采購環(huán)節(jié)，材料的購買只能通過工程量進(jìn)行估算，不能很好地跟施工進(jìn)度、成本進(jìn)行關(guān)聯(lián)，做到資源合理和充分地利用。通過5D施工模擬分析，能夠準(zhǔn)確分析出項(xiàng)目上各時間段所需施工材料及成本相關(guān)信息，對特定構(gòu)件的選取，會自動生成明細(xì)表（見表1），采購人員可以根據(jù)明細(xì)表進(jìn)行采購所需材料，使項(xiàng)目施工工期、成本處于更合理和可控的狀態(tài)。

表1 水泥攪拌樁明細(xì)Tab.1 Cement Mixing Pile List

7 運(yùn)維管理

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，全國各大城市的污水管網(wǎng)的新建、改擴(kuò)建速度加快、規(guī)模增大，污水管網(wǎng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)手工卡片式檔案管理與文本圖紙資料存儲的模式已經(jīng)無法適應(yīng)城市污水管網(wǎng)現(xiàn)代化管理的需要。如何有效地建立完整、準(zhǔn)確和高效的運(yùn)維模式，使其更好地為污水管網(wǎng)項(xiàng)目提供服務(wù)，是市政排水管理部門和相關(guān)工作人員所關(guān)注的問題［7］。

應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行污水管網(wǎng)工程的運(yùn)維管理，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①通過應(yīng)用已建立好的BIM 模型（見圖7、圖8）代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工卡片式檔案管理與文本圖紙資料存儲的方式，不僅可以方便獲取、儲存、管理和顯示各種市政管網(wǎng)信息，而且還可以對城市污水管網(wǎng)工程項(xiàng)目進(jìn)行有效的監(jiān)測、分析、評價(jià)、模擬、預(yù)測等管理及研究工作；②針對在城市污水管網(wǎng)的規(guī)劃，BIM 技術(shù)可以對污水管網(wǎng)整個排水系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)模擬分析，可以系統(tǒng)地評估規(guī)劃方案對城市水環(huán)境的影響，為規(guī)劃方案的調(diào)整和優(yōu)化提供理論性的指導(dǎo)［10］；③對于已經(jīng)建好的污水管網(wǎng)系統(tǒng)，可以通過BIM 仿真模擬分析功能找出癥結(jié)之處，并提出解決方案［11-12］；④可以結(jié)合當(dāng)?shù)嘏潘到y(tǒng)的GIS 等數(shù)據(jù)庫，建立完備的排水系統(tǒng)模型，并且逐步發(fā)展到利用在線模型進(jìn)行實(shí)時控制，優(yōu)化排水泵站管理等，做到充分利用系統(tǒng)容積，達(dá)到成本最低、效益最大［7］；⑤利用BIM 技術(shù)進(jìn)行運(yùn)維管理，可為日后污水管網(wǎng)工程、地下工程等項(xiàng)目規(guī)劃、新建、改擴(kuò)建方案提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型信息等。

圖7 項(xiàng)目局部BIM模型Fig.7 Project Local BIM Model

圖8 項(xiàng)目局部BIM管線模型Fig.8 Project Local BIM Pipeline Model

8 數(shù)字化城市

隨著城市化的快速發(fā)展，各大中城市市政主管部門比較重視信息產(chǎn)業(yè)對城市經(jīng)濟(jì)的影響，紛紛建立自己的信息中心，這些信息中心的建立有利于實(shí)現(xiàn)城市管理信息化，在城市市政設(shè)施規(guī)劃中起到了強(qiáng)大的輔助作用［7］。以BIM 模型為載體記錄城市管網(wǎng)的信息，可以為數(shù)據(jù)化城市建設(shè)提供基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)和模型，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化城市和智慧城市貢獻(xiàn)一份力量，以提升資源運(yùn)用的效率，優(yōu)化城市管理和服務(wù)，從而改善市民的生活質(zhì)量。

9 結(jié)論

本工程通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在污水管網(wǎng)工程中應(yīng)用BIM 具有以下優(yōu)點(diǎn)：①應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維深化設(shè)計(jì)，有利于提高裝配式沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量、施工效率和經(jīng)濟(jì)效益；②利用BIM技術(shù)的模擬分析和可視化功能進(jìn)行施工技術(shù)交底，有利于提高施工質(zhì)量和效率，避免因施工技術(shù)交底內(nèi)容理解不足而造成操作失誤和管網(wǎng)混接錯接現(xiàn)象；③利用BIM技術(shù)的4D、5D功能，有利于實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)工程的工期和成本處于更可控的狀態(tài)。④借助BIM的模擬分析和運(yùn)用管理，有利于提高污水管網(wǎng)運(yùn)維管理的效率和效益；⑤在污水管網(wǎng)工程中應(yīng)用BIM，有利于實(shí)現(xiàn)城市的數(shù)據(jù)化和智能化，提升資源運(yùn)用的效率，優(yōu)化城市管理和服務(wù)，改善市民的生活質(zhì)量。綜上所述，在污水管網(wǎng)工程中應(yīng)用BIM技術(shù)，有利于提升工程質(zhì)量和建造效率，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時，在城市現(xiàn)代化建設(shè)的過程中，利用BIM 技術(shù)指導(dǎo)城市排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和管理，是提升一個城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理的有效技術(shù)手段。