■ 北京市市政工程設計研究總院有限公司 曲蒙 王洋 閆京濤 薛廣進 胡田力

核心看點：東莞松山湖水廠為全亞洲一次性建成規(guī)模最大水廠，設計團隊緊緊圍繞傳統(tǒng)設計中面臨的六大重難點技術問題，將BIM技術應用于此超大規(guī)模給水廠站設計中，運用諸多數字化創(chuàng)新技術，攻克重難點技術問題，實現精細化、現代化、數字化、智慧化的運維管理，成為數字化創(chuàng)新應用于超大規(guī)模給水廠站設計的典范工程。

項目概述

松山湖水廠（圖1）位于廣東省東莞市松山湖高新區(qū)，是大灣區(qū)綜合性國家科學中心先行啟動區(qū)。工程規(guī)模110萬平方米/天，是目前亞洲一次性建成規(guī)模最大的給水廠。工程占地19.45公頃，總投資約38億元，設計出水水質標準達到國內領先、國際先進水平（圖2、圖3）。

圖1 給水廠站建構筑物整體布局效果圖

圖2 項目平面位置圖

圖3 項目用地原始地貌

該工程為國家重大水利工程的配套項目，是東莞市供水安全保障的重要節(jié)點，作為重要民生督導工程，以建設系統(tǒng)完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現代化水廠為目標。

項目重難點

該項目在設計實施過程中，面臨以下六大重難點（圖4）：一是原始地形復雜，池體構筑物較多，土方平衡及廠區(qū)合理布局難度大；二是廠區(qū)管道系統(tǒng)繁多，管線規(guī)格及埋深跨度大，設計復雜；三是工程規(guī)模大，專業(yè)眾多、結構復雜，工程量準確計算難度大；四是工程單體眾多、地層結構復雜，基坑支護設計難度大；五是地質土層起伏變化大，大型池體樁基精細化設計難度大；六是水處理規(guī)模超大，工藝流程復雜，運維管控難度大。

圖4 項目六大重難點分析

BIM創(chuàng)新應用

沉清疊合池樁基三維精細化設計

沉清疊合池基底面積大（34000平方米），樁基持力層起伏變化大，管樁樁數眾多（6000余根）且長短各異，承載力復核工作量大，工程量統(tǒng)計難度大（圖5、圖6）。

圖5 典型地質剖面

圖6 沉清疊合池樁基布置

針對上述難點，項目團隊開發(fā)了一整套解決方案，包括地勘孔點數據自動提取、生成三維地層，自動計算樁長和樁基承載力，樁基自動編號生成明細表。

Python編程實現一鍵框選地勘平剖面孔點數據，自動整理孔點土層數據至Excel，省去人工整理費時費力，大幅提升設計效率（圖7）。

圖7 Python變成自動實現地勘孔點數據提取至Excel并導入Revit形成三維土層模型

基于Revit二次開發(fā)三維樁基工具箱，實現樁長和樁基承載力值自動計算（圖8）。

圖8 Revit二次開發(fā)三維樁基工具箱

利用三維樁基工具箱，結合Revit原生功能，實現樁基自動編號出圖及樁基工程量自動統(tǒng)計，大幅提升出圖算量效率（圖9、圖10）。

圖9 Revit樁基自動排序編號

圖10 Revit樁基明細表

利用三維樁基精細化設計，較傳統(tǒng)設計方法總樁長節(jié)約6100米，工程總造價節(jié)約91.5萬元，經濟效益可觀。

三維基坑支護合理優(yōu)化設計

針對廠區(qū)基坑數量眾多、地層復雜等設計難點，利用自主研發(fā)地質軟件，導入地勘數據，生成三維地質模型。建立全廠基坑三維模型，通過三維地質、結構、基坑模型的結合，解決支護樁、管樁、攪拌樁、錨索碰撞問題（圖11）。

圖11 廠區(qū)基坑、結構組合三維模型

原設計水泥土攪拌樁為梅花形，承臺下為三樁，管樁與支護樁重疊，支護樁、管樁、攪拌樁、錨索碰撞無法施工。三維協(xié)調設計過程，將水泥土攪拌樁布置在相鄰錨索之間，三樁承臺調整為四樁承臺，合理地將樁基與錨索避開。重疊位置，加長支護樁，用作工程樁（圖12）。

圖12 廠區(qū)基坑、結構組合三維模型

選取最不利地質剖面，實現基坑合理分段，優(yōu)化設計（圖13）。

圖13 選取最不利基坑剖面分段設計

三維設計較常規(guī)設計樁長節(jié)約1219米，錨索長度節(jié)約5161米，節(jié)約工程造價174.1萬元。

快速生成國標工程量清單

基于自主研發(fā)的編碼工具實現對水廠模型的自動賦碼，關聯(lián)國標清單編碼，實現快速算量統(tǒng)計。利用編碼工具，通過編碼表建立編碼數據庫，完成快速的模型賦碼，并導出國標工程量清單（圖14）。

圖14 關聯(lián)國標清單編碼實現快速算量統(tǒng)計

復雜環(huán)境下設備吊裝模擬分析

水廠體量大、結構復雜、空間嵌套疊合，造成設備吊裝、檢修難度大。通過BIM模擬，確保每個設備都有合理的安裝及檢修條件（圖15）。

圖15 基于BIM的復雜工況設備安裝模擬

場地布局、廠區(qū)管線三維設計應用。

采用BIM技術，建立原始地形參數模型，基于模型根據池底單體標高要求進行動態(tài)調整，達到合理的土方平衡。在同一個場景環(huán)境下，搭建各專業(yè)模型并進行整合，可以直觀有效地進行空間關系協(xié)調（圖16）。

圖16 基于BIM技術的三維場地布局分析

廠區(qū)復雜管線綜合設計，避免管道碰撞，指導現場施工（圖17）。

圖17 廠區(qū)三維管線沖突分析

利用BIM軟件，可實現廠區(qū)內管道及管件數量的一鍵導出，節(jié)省了設計人員統(tǒng)計數量的時間，同時準確率也得到保障（圖18）。

圖18 廠區(qū)管道系統(tǒng)工程量自動統(tǒng)計

BIM+智慧水廠運維應用

依托工藝基礎，搭載控制+數理模型，采用先進自控系統(tǒng)和智慧水廠平臺，實現水廠精細化運行、智能化控制、全流程數字化運營（圖19）。

圖19 智慧水廠運維平臺

利用工業(yè)大數據的操作運行和設備狀態(tài)監(jiān)測的歷史數據，建立整個水廠生產或重要設備的數據模型，用模型生成的健康度監(jiān)測設備在線健康狀態(tài)，真正實現水廠的智能化監(jiān)視及預警（圖20）。

圖20 水廠重要設備數據模型

根據歷史數據建立數學模型，通過機器學習框架訓練，獲取出水水質與原水水質水量、運行參數之間的內在數學聯(lián)系模型；根據對水量、水質的變化提前進行加藥量計算，同時基于出水反饋值進行加藥量修正。

結語

項目針對復雜地質條件，構建大型水處理池體的三維樁基精細化設計方法；針對用地緊張、基坑數量多，開展全廠三維地質、結構、基坑模型整合應用；針對水廠規(guī)模超大、業(yè)主造價審核單位工作需要，研發(fā)全廠復雜水處理建構筑物BIM模型構件自動賦碼，實現BIM模型自動導出分部分項工程量清單；針對設備尺寸大、空間結構復雜，基于BIM模型開展復雜工況條件下的設備安裝及檢修模擬；利用BIM正向設計成果及無人機航拍技術，在施工階段開展可視化交底，現場漏、碰、缺檢查；基于BIM正向設計成果，構建“數字孿生水廠”，開展智慧運營管控、智慧安防、智能加藥等應用。此外，項目將BIM技術創(chuàng)新應用于超大型現代化水廠設計，解決傳統(tǒng)二維設計諸多痛點問題，取得了可觀的經濟、社會效益。該工程的順利實施，對于打造數智化+綠色低碳型供水工程具有重大示范意義。