创新BIM设计应用 满足城市供水需求

林晨 蒋奇 芦辰 吴明哲 何赢

通州位于北京的东南部，为北京市主要流域的下游，水量丰富，但水质性缺水严重。通州水厂以南水北调来水为水源，经通州支线工程输送原水至通州水厂。一期工程设计规模每日20万立方米，供水服务面积155平方公里，服务人口90万人。总设计规模每日60万立方米，供水服务面积906平方公里，服务人口200万人， 建成后地区供水能力提升至2011年的2.8倍。通州水厂项目将为优化首都水资源配置，保障北京城市副中心供水安全，保护生态环境带来重大意义。针对主要水源为南水北调来水的水质特点，通州水厂采用“预处理+常规处理+深度处理”的工艺，出水设计指标达到国家生活饮用水卫生标准。源水经输送到达水厂，先进入格栅间截留较大的悬浮物、漂浮物，通过配水井将原水进水分配至各期净化系列。第一步进入预臭氧接触池去除水中的藻类、色、嗅、味等，改善过滤效果;第二步进入高效沉淀池，使水中的藻类、悬浮物，混合、凝聚、沉淀;第三步进入砂滤池，进一步降低水的浊度。之后进入主臭氧-活性炭滤池，有效去除消毒副产物，改善水质的嗅、味等感官指标及生物稳定性;最后到达清水池，通过配水泵房将水输送出厂到达千家万户。场区内同时配有加药间、加氯加酸加碱间、臭氧制备间，以满足大规模生产的需要。

通州水厂的BIM设计过程

BIM（建筑信息化模型，Building Information Modeling）是一个完备的信息模型，能够将工程项目在全寿命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便地被工程各参与方使用。通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型，使该模型达到设计施工的一体化，各专业协同工作，从而降低了工程生产成本，保障工程按时按质完成。通州水厂全程采用BIM设计，对水处理车间、清水池、综合办公楼和其他附属建筑物等建立了数字化水厂三维模型。通过三维协同设计，使设计手段全面进化，逐步推行标准化，并对二维设计的施工图及工程量统计进行校验。引入全生命周期设计及管理理念，全面提高设计质量和工作效率，同时满足政府对建筑节能、降低施工成本和减少对周围环境影响的要求。

通州水厂项目采用ProjectWise作为三维设计的协同平台。由于工程复杂，参与三维协同设计的专业有：工艺、水工、建筑、结构、给排水、暖通、水机、电气、金结、地质、测绘等。各专业的基础设计资料、三维信息模型、抽取的二维图纸及工程量统计表均使用PW平台管理，通过相应的人员及权限管理，使13个专业的50名工程师可以共享数据和模型，避免了二维设计阶段各专业间按序提交设计资料和因为资料不统一造成的设计错误。

水工、金结、建筑、结构专业采用AECOsim Building Designer、ProStructures软件建立混凝土结构的三维信息模型并进行三维配筋工作。通州水厂设计中包含了大量的异形混凝土结构，AECOsim Building Designer软件能够方便直观地绘制各类复杂的异形混凝土结构模型。通过对二维图纸的临摹，建立混凝土结构的大概轮廓，然后应用诸如开孔，剪切实体等功能，使三维模型达到施工图模型深度，并通过后台添加模型属性使三维模型成为信息模型。绘制完成异型混凝土结构模型后，使用ReStation软件可以完成模型内部的三维配筋工作，通过定制模板可以大大提高三维配筋的工作效率。采用OpenRoad（PowerCivil for China）进行场地开挖和道路渠道设计，利用ECIDI二次开发的GeoStation三维地质建模程序进行地质数据管理、地质建模、分析计算、二维出图。形成精确的土方算量和场地开挖方案。

电气及自动化专业采用了Substation和BRCM软件，进行电缆敷设、电缆桥架及电气元件的建模布置。在传统二维设计模式下电气及自动化专业的设计人员需要花费大量的时间进行计算分析和人工制图，而且受二维设计环境的限制，很难参考其他专业的设计成果，设计效率较低。利用Substation和BRCM软件进行三维设计后，一方面设计人员有了统一的可协同的设计环境，保证了设计成品的标准化，提高了设计质量和协同水平;另一方面利用BRCM软件提供了自动敷设电缆的功能和实时材料统计功能，使设计效率得到提高，同时可实时了解电缆桥架的布置情况，从而对设计进行更多的优化。

工艺、暖通、给排水、水机专业利用OpenPlant系列软件进行水机、管道设计和出图。

景观绿化专业利用LumenRT软件结合各专业总装模型生成的iModel文件进行动画渲染和景观布置，使新建项目与自然环境及周边建筑物更协调。最终利用Navigator进行三维模型碰撞检查和校审，发现了40余处设计疏漏和错误。同时由于将精确的材料统计数据及时地反馈给施工单位，使得在电缆材料一项上就节省了10%左右的施工成本。多专业的协同配合下准确地完成各單体模型的建立，利用软件平台方便高效的出图功能，共生成二维图纸400余张。通过筛选整理最终制作了通州水厂一期工程三维数字化设计图集。图集中采用三维轴测图配以平（剖）面图的表示方法，使图纸包含了更多信息，得到了施工单位和业主的认可。

BIM设计与工程创新

采用Bentley三维设计软件之后，26位工程师耗时40天即完成了所有的三维建模、二维抽图和工程量统计工作，在工程量统计一项上节省了50%以上的设计工时。同时，采用三维模型的碰撞检查功能，削减了40%的图纸审核工时。

利用ProjectWise软件平台，提升了各个专业之间的协同设计水平和手段，利用WorkSpace的推送使各参与专业能够在一致的环境下建立模型，实现了标准化设计。同时利用ProjectWise软件梳理规范了三维设计流程，保证团队的协同工作，大幅提高了工作效率。通州水厂工程在设计理念阶段和项目执行阶段都采用了多项技术创新。

设计理念阶段的创新

（1） 净水工艺布置：结合厂区地形地势、利用原水水压，优化净水工艺构筑物的布置，减少了一级水泵提升，降低水厂运行电耗10%～15%。

（2） 供水泵变频调速系统：根据用水需求，通过设置变频装置调节供水泵的运行，降低水厂运行电耗15%～25%。

（3） 水源热泵机组系统：利用水源充足的有利条件，设置水源热泵循环系统，冬季供暖、夏季供冷，较普通中央空调系统降低能耗40%以上。

（4） 太阳能热水系统：充分利用地处平原地带光照的有利条件，利用太阳能加热，减少化石能源或电能消耗45%以上，有效降低碳排放量。

（5） 雨洪利用系统：通过布置下凹绿地及透水砖，收集厂区80%汇水面积内的雨水，回用于浇洒绿地。

在项目设计执行过程中的创新

（1）协同工作的创新：采用ProjectWise软件提高了多专业协同的水平和手段。

（2）质量管理的创新：模型碰撞检查提高了设计质量，减少了图纸审查的工作量，同时快速高效的工程量统计也减少了人工统计的误差和时间。

（3）设计手段的创新：采用AECOsim Building Designer软件能够直观绘制各类复杂的异形混凝土结构模型; ReStation软件可以完成模型内部的三维配筋工作，并生成施工图纸;Substation和BRCM两款软件为电气及自动化专业的设计人员提供了其他专业协同并行设计的绝佳工具。

北京市是城区人口达到2000万的特大城市，建设通州新城和北京城市副中心意味着北京市行政副中心建设不仅成为京津冀协同发展战略的关键节点，也肩负起逐步带动中心城区人口向通州转移，医治北京市“大城市病”的历史重任。通州水厂项目既解决了目前通州供水紧张的局面，也是未来北京城市副中心建设和发展的一项重要基础设施保障。通州水厂工程建成后，城市副中心及通州新城纳入南水北调供水范围，能够提升地区供水的水质、水量、水压，达到中心城的供水水平，出水水质达到或优于WHO及美国EPA标准，将大幅提升通州地区用水条件，是一项重要的民生工程。同时，通州水厂的提前建成，也为市政府向通州搬迁提供了用水条件，是未来城市副中心建设和发展的一项重要基础设施保障。

本项目投入运行后将为90萬人口提供62.9%的生活、生产用水供给，供水安全系数提升至1.3。同时以外调地表水置换本地地下水供水，使地下水源供水占比由2011年的74.2%下降至21.4%，充分涵养地下水源。

通州水厂一期工程三维设计，为工程建立了可靠的信息档案，其三维设计成果应用于设计、施工、管理等阶段，促进了参建各方的信息共享和交流，三维设计模型的复用大大提高了二期工程的设计效率，成为北京水利工程三维设计应用的典范。