BIM技术在超大规模给水厂站设计中的创新应用——以东莞松山湖水厂项目为例

■ 北京市市政工程设计研究总院有限公司 曲蒙 王洋 闫京涛 薛广进 胡田力

核心看点：东莞松山湖水厂为全亚洲一次性建成规模最大水厂，设计团队紧紧围绕传统设计中面临的六大重难点技术问题，将BIM技术应用于此超大规模给水厂站设计中，运用诸多数字化创新技术，攻克重难点技术问题，实现精细化、现代化、数字化、智慧化的运维管理，成为数字化创新应用于超大规模给水厂站设计的典范工程。

项目概述

松山湖水厂（图1）位于广东省东莞市松山湖高新区，是大湾区综合性国家科学中心先行启动区。工程规模110万平方米/天，是目前亚洲一次性建成规模最大的给水厂。工程占地19.45公顷，总投资约38亿元，设计出水水质标准达到国内领先、国际先进水平（图2、图3）。

图1 给水厂站建构筑物整体布局效果图

图2 项目平面位置图

图3 项目用地原始地貌

该工程为国家重大水利工程的配套项目，是东莞市供水安全保障的重要节点，作为重要民生督导工程，以建设系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化水厂为目标。

项目重难点

该项目在设计实施过程中，面临以下六大重难点（图4）：一是原始地形复杂，池体构筑物较多，土方平衡及厂区合理布局难度大；二是厂区管道系统繁多，管线规格及埋深跨度大，设计复杂；三是工程规模大，专业众多、结构复杂，工程量准确计算难度大；四是工程单体众多、地层结构复杂，基坑支护设计难度大；五是地质土层起伏变化大，大型池体桩基精细化设计难度大；六是水处理规模超大，工艺流程复杂，运维管控难度大。

图4 项目六大重难点分析

BIM创新应用

沉清叠合池桩基三维精细化设计

沉清叠合池基底面积大（34000平方米），桩基持力层起伏变化大，管桩桩数众多（6000余根）且长短各异，承载力复核工作量大，工程量统计难度大（图5、图6）。

图5 典型地质剖面

图6 沉清叠合池桩基布置

针对上述难点，项目团队开发了一整套解决方案，包括地勘孔点数据自动提取、生成三维地层，自动计算桩长和桩基承载力，桩基自动编号生成明细表。

Python编程实现一键框选地勘平剖面孔点数据，自动整理孔点土层数据至Excel，省去人工整理费时费力，大幅提升设计效率（图7）。

图7 Python变成自动实现地勘孔点数据提取至Excel并导入Revit形成三维土层模型

基于Revit二次开发三维桩基工具箱，实现桩长和桩基承载力值自动计算（图8）。

图8 Revit二次开发三维桩基工具箱

利用三维桩基工具箱，结合Revit原生功能，实现桩基自动编号出图及桩基工程量自动统计，大幅提升出图算量效率（图9、图10）。

图9 Revit桩基自动排序编号

图10 Revit桩基明细表

利用三维桩基精细化设计，较传统设计方法总桩长节约6100米，工程总造价节约91.5万元，经济效益可观。

三维基坑支护合理优化设计

针对厂区基坑数量众多、地层复杂等设计难点，利用自主研发地质软件，导入地勘数据，生成三维地质模型。建立全厂基坑三维模型，通过三维地质、结构、基坑模型的结合，解决支护桩、管桩、搅拌桩、锚索碰撞问题（图11）。

图11 厂区基坑、结构组合三维模型

原设计水泥土搅拌桩为梅花形，承台下为三桩，管桩与支护桩重叠，支护桩、管桩、搅拌桩、锚索碰撞无法施工。三维协调设计过程，将水泥土搅拌桩布置在相邻锚索之间，三桩承台调整为四桩承台，合理地将桩基与锚索避开。重叠位置，加长支护桩，用作工程桩（图12）。

图12 厂区基坑、结构组合三维模型

选取最不利地质剖面，实现基坑合理分段，优化设计（图13）。

图13 选取最不利基坑剖面分段设计

三维设计较常规设计桩长节约1219米，锚索长度节约5161米，节约工程造价174.1万元。

快速生成国标工程量清单

基于自主研发的编码工具实现对水厂模型的自动赋码，关联国标清单编码，实现快速算量统计。利用编码工具，通过编码表建立编码数据库，完成快速的模型赋码，并导出国标工程量清单（图14）。

图14 关联国标清单编码实现快速算量统计

复杂环境下设备吊装模拟分析

水厂体量大、结构复杂、空间嵌套叠合，造成设备吊装、检修难度大。通过BIM模拟，确保每个设备都有合理的安装及检修条件（图15）。

图15 基于BIM的复杂工况设备安装模拟

场地布局、厂区管线三维设计应用。

采用BIM技术，建立原始地形参数模型，基于模型根据池底单体标高要求进行动态调整，达到合理的土方平衡。在同一个场景环境下，搭建各专业模型并进行整合，可以直观有效地进行空间关系协调（图16）。

图16 基于BIM技术的三维场地布局分析

厂区复杂管线综合设计，避免管道碰撞，指导现场施工（图17）。

图17 厂区三维管线冲突分析

利用BIM软件，可实现厂区内管道及管件数量的一键导出，节省了设计人员统计数量的时间，同时准确率也得到保障（图18）。

图18 厂区管道系统工程量自动统计

BIM+智慧水厂运维应用

依托工艺基础，搭载控制+数理模型，采用先进自控系统和智慧水厂平台，实现水厂精细化运行、智能化控制、全流程数字化运营（图19）。

图19 智慧水厂运维平台

利用工业大数据的操作运行和设备状态监测的历史数据，建立整个水厂生产或重要设备的数据模型，用模型生成的健康度监测设备在线健康状态，真正实现水厂的智能化监视及预警（图20）。

图20 水厂重要设备数据模型

根据历史数据建立数学模型，通过机器学习框架训练，获取出水水质与原水水质水量、运行参数之间的内在数学联系模型；根据对水量、水质的变化提前进行加药量计算，同时基于出水反馈值进行加药量修正。

结语

项目针对复杂地质条件，构建大型水处理池体的三维桩基精细化设计方法；针对用地紧张、基坑数量多，开展全厂三维地质、结构、基坑模型整合应用；针对水厂规模超大、业主造价审核单位工作需要，研发全厂复杂水处理建构筑物BIM模型构件自动赋码，实现BIM模型自动导出分部分项工程量清单；针对设备尺寸大、空间结构复杂，基于BIM模型开展复杂工况条件下的设备安装及检修模拟；利用BIM正向设计成果及无人机航拍技术，在施工阶段开展可视化交底，现场漏、碰、缺检查；基于BIM正向设计成果，构建“数字孪生水厂”，开展智慧运营管控、智慧安防、智能加药等应用。此外，项目将BIM技术创新应用于超大型现代化水厂设计，解决传统二维设计诸多痛点问题，取得了可观的经济、社会效益。该工程的顺利实施，对于打造数智化+绿色低碳型供水工程具有重大示范意义。