三維技術助力通州水廠智慧建設

文｜林晨 蔣奇

通州位于北京的東南部，為北京市主要流域的下游，水量豐富，但水質性缺水嚴重。地表水的污染使得眾多河流失去了作為飲用水水源的條件，通州成了北京水資源最緊缺的地區之一。該區處于城市自來水管網供水東部末端，地下水超采嚴重，水廠供水能力不足，外調水量得不到保證，無法滿足遠期規劃要求。

建立水廠標準化生產模式

通州水廠項目將為優化首都水資源配置，保障北京城市副中心供水安全，保護生態環境帶來重大意義。通州水廠以南水北調來水為水源，經通州支線工程輸送原水至通州水廠。一期工程設計規模20萬立方米每日，供水服務面積155平方公里，服務人口90萬人。總設計規模60萬立方米每日，供水服務面積906平方公里，服務人口200萬人，建成后地區供水能力提升至2011年的2.8倍。

針對主要水源為南水北調來水的水質特點，通州水廠采用“預處理+常規處理+深度處理”的工藝，出水設計指標達到國家生活飲用水衛生標準。源水經輸送到達水廠，先進入格柵間截留較大的懸浮物、漂浮物，通過配水井將原水進水分配至各期凈化系列。第一步進入預臭氧接觸池去除水中的藻類、色、嗅、味等，改善過濾效果；第二步進入高效沉淀池，使水中的藻類、懸浮物，混合、凝聚、沉淀；第三步進入砂濾池，進一步降低水的濁度。之后進入主臭氧-活性炭濾池，有效去除消毒副產物，改善水質的嗅、味等感官指標及生物穩定性。最后到達清水池，通過配水泵房將水輸送出廠到達千家萬戶。場區內同時配有加藥間、加氯加酸加堿間、臭氧制備間，以滿足大規模生產的需要。

建筑信息模型能夠將工程項目在全壽命周期中各個不同階段的工程信息、過程和資源集成在一個模型中，方便被工程各參與方使用。通過三維數字技術模擬建筑物所具有的真實信息，為工程設計和施工提供相互協調、內部一致的信息模型，使該模型達到設計施工的一體化，各專業協同工作，從而降低了工程生產成本，保障工程按時按質完成。

通州水廠全程采用了BIM設計,對水處理車間、清水池、綜合辦公樓和其他附屬建筑物等建立了數字化水廠三維模型。通過三維協同設計，使設計手段全面進化，逐步推行標準化，并對二維設計的施工圖及工程量統計進行校驗。引入全生命周期設計及管理理念，全面提高設計質量和工作效率，同時滿足政府對建筑節能、降低施工成本和減少對周圍環境影響的要求。

多專業協同保證項目質量

通州水廠項目采用ProjectWise作為三維設計的協同平臺。由于工程復雜，參與三維協同設計的專業包括：工藝、水工、建筑、結構、給排水、暖通、水機、電氣、金結、地質、測繪等。

各專業的基礎設計資料、三維信息模型、抽取的二維圖紙及工程量統計表均使用PW平臺管理。通過相應的人員及權限管理，使13個專業的50名工程師可以共享數據和模型，避免了二維設計階段各專業間按序提交設計資料和因為資料不統一造成的設計錯誤。

水工、金結、建筑、結構專業采用AECOsim Building Designer、ProStructures軟件建立混凝土結構的三維信息模型并進行三維配筋工作。通州水廠設計中包含了大量的異形混凝土結構，該軟件能夠方便直觀的繪制各類復雜的異形混凝土結構模型。通過對二維圖紙的臨摹，建立混凝土結構的大概輪廓，然后應用諸如開、剪切實體等功能，使三維模型達到施工圖模型深度，并通過后臺添加模型屬性，使三維模型成為信息模型。繪制完成異型混凝土結構模型后，使用ReStation軟件可以完成模型內部的三維配筋工作，通過定制模板可以大大提高三維配筋的工作效率。采用OpenRoad（PowerCivil for China）進行場地開挖和道路渠道設計，利用ECIDI二次開發的GeoStation三維地質建模程序進行地質數據管理、地質建模、分析計算、二維出圖，形成精確的土方算量和場地開挖方案。

電氣及自動化專業采用了Substation和BRCM軟件，進行電纜敷設、電纜橋架及電氣元件的建模布置。在傳統二維設計模式下電氣及自動化專業的設計人員需要花費大量的時間進行計算分析和人工制圖，而且受二維設計環境的限制，很難參考其他專業的設計成果，設計效率較低。利用Substation和BRCM軟件進行三維設計后，一方面設計人員有了統一的可協同的設計環境，保證了設計成品的標準化，提高了設計質量和協同水平；另一方面利用BRCM軟件提供了自動敷設電纜的功能和實時材料統計功能，使設計效率得到提高，同時可實時了解電纜橋架的布置情況，從而對設計進行更多的優化。

工藝、暖通、給排水、水機專業利用OpenPlant系列軟件進行水機、管道設計和出圖。景觀綠化專業利用LumenRT軟件結合各專業總裝模型生成的iModel文件進行動畫渲染和景觀布置，使新建項目與自然環境及周邊建筑物更協調。

最終利用Navigator進行三維模型碰撞檢查和校審，發現了40余處設計疏漏和錯誤。同時由于精確的材料統計數據及時的反饋給施工單位，使得在電纜材料一項上就節省了10%左右的施工成本。

在多專業的協同配合下準確的完成各單體模型的建立，利用軟件平臺方便高效的出圖功能，共生成二維圖紙400余張。通過篩選整理最終制作了通州水廠一期工程三維數字化設計圖集，圖集中采用三維軸測圖配以平（剖）面圖的表示方法，使圖紙包含了更多信息，得到了施工單位和業主的認可。

打造水利工程三維設計應用典范

采用了三維設計軟件之后，26位工程師耗時40天即完成了所有的三維建模、二維抽圖和工程量統計工作，僅在工程量統計一項上就節省了50%以上的設計工時。同時，采用三維模型的碰撞檢查功能，削減了40%的圖紙審核工時。

利用ProjectWise軟件平臺，提升了各個專業之間的協同設計水平和手段，利用WorkSpace的推送使各參與專業能夠在一致的環境下建立模型，實現了標準化設計。同時利用了ProjectWise軟件梳理規范了三維設計流程，保證團隊的協同工作，大幅提高了工作效率。

通州水廠工程在設計理念階段和項目執行階段都采用了多項技術創新。

設計理念階段的創新包括：凈水工藝布置，結合廠區地形地勢，利用原水水壓，優化凈水工藝構筑物的布置，減少了一級水泵提升，降低水廠運行電耗10%～15%。

供水泵變頻調速系統，根據用水需求的變化，通過設置變頻裝置調節供水泵的運行，降低水廠運行電耗15%～25%。

水源熱泵機組系統，利用水源充足的有利條件，設置水源熱泵循環系統，冬季供暖、夏季供冷，較普通中央空調系統節省能耗40%以上。

太陽能熱水系統，充分利用地處平原地帶光照的有利條件，利用太陽能加熱，減少化石能源或電能消耗45%以上，有效降低碳排放量。

雨洪利用系統，通過布置下凹綠地及透水磚，收集廠區80%匯水面積內的雨水，回用于澆灑綠地。

在項目設計執行過程中的創新則包括，協同工作的創新，采用ProjectWise軟件提高了多專業協同的水平和手段。

質量管理的創新，模型碰撞檢查提高了設計質量，減少了圖紙審查的工作量，同時快速高效的工程量統計也減少了人工統計的誤差和時間。

設計手段的創新，采用AECOsim Building Designer軟件能夠方便直觀的繪制各類復雜的異形混凝土結構模型； ReStation軟件可以完成模型內部的三維配筋工作，并生成施工圖紙；Substation和BRCM兩款軟件為電氣及自動化專業的設計人員提供了其他專業協同并行設計的絕佳工具。

北京市是城區人口達到2000萬的特大城市，建設通州新城和北京城市副中心意味著北京市行政副中心建設不僅成為京津冀協同發展戰略的關鍵節點，也肩負起逐步帶動中心城區人口向通州轉移，醫治北京市“大城市病”的歷史重任。通州水廠項目既解決了目前通州供水緊張的局面，也是未來北京城市副中心建設和發展的一項重要基礎設施保障。

通州水廠工程建成后，城市副中心及通州新城納入南水北調供水范圍，能夠提升地區供水的水質、水量、水壓，達到中心城的供水水平，出水水質達到或優于WHO及美國EPA標準，將大幅提升通州地區用水條件，是一項重要的民生工程。同時，通州水廠的提前建成，也為市政府向通州搬遷提供了用水條件，是未來城市副中心建設和發展的一項重要基礎設施保障。

本項目投入運行后將為90萬人口提供62.9%的生活、生產用水供給，供水安全系數提升至1.3。同時以外調地表水置換本地地下水供水，使地下水源供水占比由2011年的74.2%下降至21.4%，充分涵養地下水源。

通州水廠一期工程三維設計，為工程建立了可靠的信息檔案，其三維設計成果應用于設計、施工、管理等階段，促進了參建各方的信息共享和交流，三維設計模型的復用大大提高了二期工程的設計效率，成為了北京水利工程三維設計應用的典范。