東莞松山湖水廠為全亞洲一次性建成規模最大水廠，設計團隊緊緊圍繞傳統設計中面臨的六大重難點技術問題，将BIM技術應用于此超大規模給水廠站設計中，運用諸多數字化創新技術，攻克重難點技術問題，實作精細化、現代化、數字化、智慧化的運維管理，成為數字化創新應用于超大規模給水廠站設計的典範工程。
項目概述
圖1 給水廠站建構築物整體布局效果圖
松山湖水廠（圖1）位于廣東省東莞市松山湖高新區，是大灣區綜合性國家科學中心先行啟動區。工程規模110萬平方米/天，是目前亞洲一次性建成規模最大的給水廠。工程占地19.45公頃，總投資約38億元，設計出水水質标準達到國内領先、國際先進水準（圖2、圖3）。
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點，作為重要民生督導工程，以建設系統完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現代化水廠為目标。
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）：一是原始地形複雜，池體構築物較多，土方平衡及廠區合理布局難度大；二是廠區管道系統繁多，管線規格及埋深跨度大，設計複雜；三是工程規模大，專業衆多、結構複雜，工程量準确計算難度大；四是工程單體衆多、地層結構複雜，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；六是水處理規模超大，工藝流程複雜，運維管控難度大。
圖4 項目六大重難點分析
BIM創新應用
沉清疊合池樁基三維精細化設計
圖5 典型地質剖面
沉清疊合池基底面積大（34000平方米），樁基持力層起伏變化大，管樁樁數衆多（6000餘根）且長短各異，承載力複核工作量大，工程量統計難度大（圖5、圖6）。
圖6 沉清疊合池樁基布置
針對上述難點，項目團隊開發了一整套解決方案，包括地勘孔點資料自動提取、生成三維地層，自動計算樁長和樁基承載力，樁基自動編号生成明細表。
Python程式設計實作一鍵框選地勘平剖面孔點資料，自動整理孔點土層資料至Excel，省去人工整理費時費力，大幅提升設計效率（圖7）。
圖7 Python變成自動實作地勘孔點資料提取至Excel并導入Revit形成三維土層模型
基于Revit二次開發三維樁基工具箱，實作樁長和樁基承載力值自動計算（圖8）。
圖8 Revit二次開發三維樁基工具箱
利用三維樁基工具箱，結合Revit原生功能，實作樁基自動編号出圖及樁基工程量自動統計，大幅提升出圖算量效率（圖9、圖10）。
圖9 Revit樁基自動排序編号
圖10 Revit樁基明細表
利用三維樁基精細化設計，較傳統設計方法總樁長節約6100米，工程總造價節約91.5萬元，經濟效益可觀。
三維基坑支護合理優化設計
針對廠區基坑數量衆多、地層複雜等設計難點，利用自主研發地質軟體，導入地勘資料，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 廠區基坑、結構組合三維模型
原設計水泥土攪拌樁為梅花形，承台下為三樁，管樁與支護樁重疊，支護樁、管樁、攪拌樁、錨索碰撞無法施工。三維協調設計過程，将水泥土攪拌樁布置在相鄰錨索之間，三樁承台調整為四樁承台，合理地将樁基與錨索避開。重疊位置，加長支護樁，用作工程樁（圖12）。
圖12 廠區基坑、結構組合三維模型
選取最不利地質剖面，實作基坑合理分段，優化設計（圖13）。
圖13 選取最不利基坑剖面分段設計
三維設計較正常設計樁長節約1219米，錨索長度節約5161米，節約工程造價174.1萬元。
快速生成國标工程量清單
基于自主研發的編碼工具實作對水廠模型的自動賦碼，關聯國标清單編碼，實作快速算量統計。利用編碼工具，通過編碼表建立編碼資料庫，完成快速的模型賦碼，并導出國标工程量清單（圖14）。
圖14 關聯國标清單編碼實作快速算量統計
複雜環境下裝置吊裝模拟分析
水廠體量大、結構複雜、空間嵌套疊合，造成裝置吊裝、檢修難度大。通過BIM模拟，確定每個裝置都有合理的安裝及檢修條件（圖15）。
圖15 基于BIM的複雜工況裝置安裝模拟
場地布局、廠區管線三維設計應用
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标高要求進行動态調整，達到合理的土方平衡。在同一個場景環境下，搭建各專業模型并進行整合，可以直覺有效地進行空間關系協調（圖16）。
圖16 基于BIM技術的三維場地布局分析
廠區複雜管線綜合設計，避免管道碰撞，指導現場施工（圖17）。
圖17 廠區三維管線沖突分析
利用BIM軟體，可實作廠區内管道及管件數量的一鍵導出，節省了設計人員統計數量的時間，同時準确率也得到保障（圖18）。
圖18 廠區管道系統工程量自動統計
BIM+智慧水廠運維應用
依托工藝基礎，搭載控制+數理模型，采用先進自控系統和智慧水廠平台，實作水廠精細化運作、智能化控制、全流程數字化營運（圖19）。
圖19 智慧水廠運維平台
利用工業大資料的操作運作和裝置狀态監測的曆史資料，建立整個水廠生産或重要裝置的資料模型，用模型生成的健康度監測裝置線上健康狀态，真正實作水廠的智能化監視及預警（圖20）。
圖20 水廠重要裝置資料模型
根據曆史資料建立數學模型，通過機器學習架構訓練，擷取出水水質與原水水質水量、運作參數之間的内在數學聯系模型；根據對水量、水質的變化提前進行加藥量計算，同時基于出水回報值進行加藥量修正。
結 語
項目針對複雜地質條件，建構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；針對水廠規模超大、業主造價稽核機關工作需要，研發全廠複雜水處理建構築物BIM模型構件自動賦碼，實作BIM模型自動導出分部分項工程量清單；針對裝置尺寸大、空間結構複雜，基于BIM模型開展複雜工況條件下的裝置安裝及檢修模拟；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，建構“數字孿生水廠”，開展智慧營運管控、智慧安防、智能加藥等應用。此外，項目将BIM技術創新應用于超大型現代化水廠設計，解決傳統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範意義。
來源：中國勘察設計雜志
北京市市政工程設計研究總院有限公司
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