基于BIM 的建筑全壽命周期節(jié)水與水回收利用體系集成

黃修譜，梁泳鋒

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

引言

水資源的可持續(xù)利用是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性問(wèn)題，然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水污染、水短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，并成為了全球性問(wèn)題[1]。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署估計(jì)，建筑業(yè)消耗了全球淡水的30%[2]。因此，日益增加的水資源短缺問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)建筑行業(yè)采取節(jié)水與水資源回收利用技術(shù)與措施，一方面通過(guò)節(jié)水減少水資源的消耗，另一方面通過(guò)回收地下水、雨水等實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用[3～6]。

目前，從節(jié)水的角度，建筑項(xiàng)目全壽命周期分為施工和運(yùn)營(yíng)2 個(gè)階段[2]。其中，施工階段可通過(guò)采用節(jié)水器具、回收利用基坑降水、洗車(chē)用水等措施進(jìn)行節(jié)水，運(yùn)營(yíng)階段可通過(guò)回收利用雨水、布置用水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、提高用戶(hù)節(jié)水意識(shí)等措施進(jìn)行節(jié)水。在諸多節(jié)水措施中，對(duì)不同于傳統(tǒng)地表水和地下水供水的水源，即非傳統(tǒng)水源，主要包括基坑降水、雨水、生產(chǎn)和生活廢水等的回收利用，既是一項(xiàng)重要的舉措，又是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要途徑[7]。

然而，在建筑項(xiàng)目尤其是大型公共建筑項(xiàng)目中，對(duì)非傳統(tǒng)水源的回收利用仍存在諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，如施工過(guò)程中對(duì)雨水回收利用關(guān)注較少、水處理系統(tǒng)建設(shè)成本高、場(chǎng)地布置復(fù)雜、節(jié)水效率低下等[8][9]。因此，解決這些難題，就必須從建筑全壽命周期的角度出發(fā)，通過(guò)科學(xué)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌施工和運(yùn)營(yíng)2 個(gè)階段的水回收利用系統(tǒng)，制定更為有效的節(jié)水策略。

本文從建筑全壽命周期的角度出發(fā)，在對(duì)施工階段和運(yùn)營(yíng)階段節(jié)水與水回收利用措施分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了節(jié)水與水回收利用體系集成設(shè)計(jì)。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，以建筑信息模型（BIM）技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段，構(gòu)建了基于BIM 的建筑全壽命周期節(jié)水與水回收利用集成體系。一方面，以綠色施工為指導(dǎo)理念，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)水資源的回收利用進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)；另一方面，通過(guò)統(tǒng)籌施工和運(yùn)營(yíng)2 個(gè)階段的水回收利用方案，旨在實(shí)現(xiàn)永久設(shè)施和臨時(shí)設(shè)施的集成。

1 施工階段節(jié)水與水回收利用措施分析

1.1 基坑降水回收利用

基坑施工階段往往需要對(duì)基坑進(jìn)行降水，該部分水源未受污染，屬優(yōu)質(zhì)水源。基坑降水的處理一般采用沉砂池沉淀的處理方式，沉砂池出水口接供水管網(wǎng)或蓄水池，收集后的基坑降水經(jīng)沉淀處理后可用于工程施工、揚(yáng)塵控制、車(chē)輛沖洗等[10]。

1.2 雨水回收利用

雨水的回收主要通過(guò)綠地、地面、屋面3種介質(zhì)，而施工階段由于屋面還未完工，因此該階段雨水的回收以綠地和地面為主。綠地收集雨水主要以滲流為主，經(jīng)綠地滲濾后的雨水含泥量會(huì)減少，但可收集的量較少；地面收集雨水主要以徑流為主，地面雨水徑流通過(guò)雨水管道匯流入沉砂池或蓄水池中，經(jīng)處理后回用。

1.3 洗車(chē)水回收利用

由于運(yùn)輸車(chē)輛在進(jìn)出施工場(chǎng)地時(shí)一般需要對(duì)其進(jìn)行清洗，因而可通過(guò)采用自動(dòng)洗車(chē)噴淋裝置和車(chē)輛沖洗廢水回收利用系統(tǒng)對(duì)洗車(chē)水進(jìn)行回收利用。當(dāng)運(yùn)輸車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，裝置自動(dòng)感應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行清洗，清洗后的水和污泥流入污泥池和沉砂池，經(jīng)沉淀后流入清水池以備下一次使用，實(shí)現(xiàn)洗車(chē)水的循環(huán)利用。

1.4 生活廢水回收利用

施工現(xiàn)場(chǎng)的生活廢水主要來(lái)自生活區(qū)用水，需在生活區(qū)針對(duì)生活廢水設(shè)置專(zhuān)門(mén)的水處理系統(tǒng)對(duì)收集的生活廢水進(jìn)行處理。根據(jù)《建筑中水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50336-2018）的規(guī)定，淋浴排水、洗衣排水、盥洗排水屬于優(yōu)質(zhì)雜排水，因此可采用以生物處理為主的水處理工藝流程，當(dāng)出水水質(zhì)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920）的規(guī)定時(shí)，可用于道路清掃、車(chē)輛沖洗、建筑施工、沖廁、綠化、消防等。

2 運(yùn)營(yíng)階段節(jié)水與水回收利用措施分析

2.1 選用節(jié)水器具

運(yùn)營(yíng)階段在選用節(jié)水器具時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的節(jié)水設(shè)備、淋浴裝置和器具，使用感應(yīng)式節(jié)水龍頭、感應(yīng)式小便斗、感應(yīng)式蹲便器等效率等級(jí)較高的衛(wèi)生器具。一方面可以減少水資源的消耗，另一方面也可以減少水資源的浪費(fèi)，從而達(dá)到節(jié)水的目的。

2.2 雨水回收利用

和施工階段雨水回收利用措施不同的是，該階段屋面已經(jīng)建成，綠地雨水回收利用系統(tǒng)、地面雨水回收利用系統(tǒng)、屋面雨水回收利用系統(tǒng)均可投入使用，并可按照設(shè)計(jì)流量對(duì)雨水進(jìn)行回收利用。其中，屋面雨水可采用有組織外排水方式，經(jīng)雨水管排至雨水井或蓄水池，經(jīng)處理后用于景觀(guān)用水、綠化灌溉等。

2.3 生活廢水回收利用

施工期間的生活廢水處理系統(tǒng)可在運(yùn)營(yíng)階段繼續(xù)發(fā)揮作用，運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)根據(jù)生活廢水來(lái)源和產(chǎn)生量確定其改擴(kuò)建規(guī)模，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 全壽命周期節(jié)水與水回收利用體系集成

3.1 集成路徑分析

由以上節(jié)水與水回收利用措施分析可知，施工以及運(yùn)營(yíng)階段可回收的水源種類(lèi)不一，若針對(duì)每一種水源單獨(dú)建立一套水回收利用系統(tǒng)，將會(huì)給施工現(xiàn)場(chǎng)管道的布置、水處理設(shè)施的布置帶來(lái)極大困難，同時(shí)造成系統(tǒng)建設(shè)成本的提高。由于基坑降水、雨水等水源的水質(zhì)相當(dāng)，且施工階段與運(yùn)營(yíng)階段的水回收利用措施具有連續(xù)性，因此可從建筑全壽命周期的角度，從2 個(gè)路徑集成設(shè)計(jì)節(jié)水喝水回收利用體系，即對(duì)施工階段水回收利用系統(tǒng)、“施工階段+運(yùn)營(yíng)階段”水回收利用系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。

3.1.1 施工階段水回收利用系統(tǒng)的集成

該集成主要是根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)各種可回收水源的水質(zhì)、水量及回用場(chǎng)景，合理布置回收管網(wǎng)、水處理設(shè)施、蓄水設(shè)施等。具體而言，從3 個(gè)方面進(jìn)行，即①基坑降排水與雨水回收利用系統(tǒng)的集成；②施工現(xiàn)場(chǎng)生活廢水（主要指優(yōu)質(zhì)雜排水）回收利用系統(tǒng)的集成；③水回收系統(tǒng)與供水系統(tǒng)的集成。

3.1.2 施工階段臨時(shí)設(shè)施與運(yùn)營(yíng)階段永久設(shè)施的集成

該集成從項(xiàng)目全壽命周期的角度出發(fā)，充分論證施工和運(yùn)營(yíng)2 個(gè)階段的可回收水源、水處理設(shè)施及回用水需求，通過(guò)管線(xiàn)共用、設(shè)施共用、場(chǎng)景共用等方法，降低系統(tǒng)建設(shè)成本，提高系統(tǒng)利用率。具體而言，從4 個(gè)方面進(jìn)行，即①臨時(shí)道路與永久道路的集成；②臨時(shí)蓄水池與永久蓄水池的集成；③降塵噴淋系統(tǒng)與綠化灌溉系統(tǒng)的集成；④生活廢水回收利用臨時(shí)設(shè)施與永久設(shè)施的集成。

3.2 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

3.2.1 基坑降水與雨水回收利用集成設(shè)計(jì)

3.2.1.1 降水量計(jì)算

（1）基坑涌水量計(jì)算

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）群井按大井簡(jiǎn)化時(shí)，基坑降水總涌水量Q1，按式（1）計(jì)算。

式中Q1—基坑降水總涌水量，m3/d；k—滲透系數(shù)，m/d；H—潛水含水層厚度，m；sd—基坑地下水位設(shè)計(jì)降深，m；R—降水影響半徑，m；—基坑等效半徑（，A 為基坑面積，m2），m。

（2）雨水降水量計(jì)算

根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》，預(yù)測(cè)涌水量時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算正常涌水量與降雨量值，大氣降水沿地面流入基坑內(nèi)的水量按正常降雨量與設(shè)計(jì)頻率暴雨量分別計(jì)算[11]。

正常降雨量時(shí)流入基坑的水量Q2，按式（2）計(jì)算。

式中Q2—正常降雨時(shí)流入基坑的雨水量，m3/d；F—基坑的匯水面積，m2；A—?dú)v年雨季日平均降雨量，m；—降雨時(shí)的地表徑流系數(shù)。

設(shè)計(jì)頻率暴雨時(shí)流入基坑的水量Q3，按式（3）計(jì)算。

式中Q3—暴雨時(shí)流入基坑的水量，m3/d；F—基坑的匯水面積，m2；—降雨時(shí)的地表徑流系數(shù)；A暴—設(shè)計(jì)頻率的雨量（一般可根據(jù)區(qū)氣象站暴雨等值線(xiàn)查），m。

3.2.1.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)降水量計(jì)算，綜合考慮施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理選擇降水方式、布置降水管網(wǎng)，各支管的水流入主降水管，然后匯入沉砂池進(jìn)行沉淀處理。在基坑坑頂外圍1m 處設(shè)置截水溝和集水坑，用于攔截和收集雨水和地表水，截水溝轉(zhuǎn)角處設(shè)置集水坑，兩側(cè)截水溝較長(zhǎng)中部布置沉砂池，沉砂池設(shè)計(jì)數(shù)量由降水總量和沉砂池設(shè)計(jì)尺寸決定。基坑內(nèi)的雨水及滯留水沿排水溝排放至集水坑，再通過(guò)水泵抽至基坑外側(cè)排至集水坑或沉砂池中，以達(dá)到土方疏干和回收利用的目的。回收后的基坑降排水和雨水經(jīng)沉砂池處理后，接入供水管網(wǎng)或流入調(diào)蓄水池以備回用。

3.2.2 施工現(xiàn)場(chǎng)生活廢水回收利用系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

生活廢水中的淋浴排水、洗衣排水、盥洗排水同屬優(yōu)質(zhì)雜排水，因其污染程度較低且水質(zhì)相當(dāng)，可對(duì)該部分水的回收利用進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。根據(jù)GB 50336-2018，生活廢水（中水）原水量Qy，可按式(4)進(jìn)行計(jì)算。

式中Qy—中水原水量，m3/d；β—建筑物按給水量計(jì)算排水量的折減系數(shù)；Qpj—建筑物平均日生活給水量，m3/d；b—建筑物分項(xiàng)給水百分率。

處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力Qh，按式（5）計(jì)算。

式中Qh—處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力，m3/h；Qz—最高日中水用水量，m3/d；t—處理系統(tǒng)每日設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間，h/d；n1—處理設(shè)施自耗水系數(shù)。

3.2.3 水回收系統(tǒng)與供水系統(tǒng)的集成

施工期間根據(jù)用水點(diǎn)布設(shè)供水管網(wǎng)，處理后的基坑降水、雨水接入供水管網(wǎng)，將用于車(chē)輛沖洗、揚(yáng)塵控制、工程施工等，實(shí)現(xiàn)水回收系統(tǒng)與供水系統(tǒng)的集成。由于回用水的不連續(xù)性，供水管網(wǎng)前端接入市政管網(wǎng)，穩(wěn)定用水供應(yīng)，水回收與供應(yīng)系統(tǒng)集成如圖1 所示。

圖1 水回收與供應(yīng)系統(tǒng)集成

3.2.4 臨時(shí)設(shè)施與永久設(shè)施的集成設(shè)計(jì)

3.2.4.1 臨時(shí)道路與永久道路的集成

施工階段的臨時(shí)道路與運(yùn)營(yíng)階段的永久道路盡可能保持位置一致，兩者通過(guò)共用路基、墊層等，減少重復(fù)鋪設(shè)。施工階段路面排水系統(tǒng)和雨水回收管道的布設(shè)綜合考慮運(yùn)營(yíng)階段的雨水徑流控制和回收需求，使其能夠在運(yùn)營(yíng)階段繼續(xù)發(fā)揮作用。

3.2.4.2 臨時(shí)蓄水池與永久蓄水池的集成

通過(guò)將運(yùn)營(yíng)階段的雨水蓄水池提前建造應(yīng)用于施工階段，用于儲(chǔ)存施工期間的基坑降水和雨水等，同時(shí)作為施工階段的臨時(shí)消防水池，實(shí)現(xiàn)一池多用、避免重復(fù)建設(shè)，從而提高系統(tǒng)利用率，降低建造成本。

3.2.4.3 降塵噴淋系統(tǒng)與綠化灌溉系統(tǒng)的集成

施工期間主要通過(guò)塔吊噴淋系統(tǒng)、外腳手架?chē)娏芟到y(tǒng)、圍擋噴淋系統(tǒng)等途徑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行揚(yáng)塵控制。工程竣工后，噴淋系統(tǒng)拆除時(shí)保留地下管線(xiàn)，將其接入運(yùn)營(yíng)階段綠化灌溉豎管及噴淋頭，通過(guò)改造使降塵噴淋系統(tǒng)變?yōu)榫G化灌溉系統(tǒng)[12]。

3.2.4.4 生活廢水回收利用臨時(shí)設(shè)施與永久設(shè)施的集成

施工階段的生活廢水回收利用設(shè)施在運(yùn)營(yíng)階段可繼續(xù)發(fā)揮作用，可根據(jù)運(yùn)營(yíng)階段的生活廢水產(chǎn)生量合理確定將其改造，在實(shí)現(xiàn)水資源回收利用的同時(shí)，通過(guò)臨時(shí)設(shè)施和永久設(shè)施的集成，降低系統(tǒng)建造成本。

4 BIM 在節(jié)水與水回收利用體系集成中的應(yīng)用

建筑項(xiàng)目尤其是大型公共建筑，僅施工階段就有諸多管網(wǎng)與水處理設(shè)施，因此統(tǒng)籌施工和運(yùn)營(yíng)2 個(gè)階段的水回收利用系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，無(wú)疑給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)與難題。然而，由于BIM 技術(shù)具有三維可視化、碰撞檢測(cè)、模擬施工等功能，為上述難題的解決提供了科學(xué)有效的手段。

4.1 三維建模

由于二維圖紙難以直觀(guān)表達(dá)空間上的位置關(guān)系，因此利用Revit 進(jìn)行三維建模，分階段建立不同施工階段的三維模型，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，從而進(jìn)行深化設(shè)計(jì)更好地指導(dǎo)施工。基坑施工階段通過(guò)建立基坑支護(hù)與降排水模型，合理布置降水管網(wǎng)、降水井、截水溝等；主體施工階段通過(guò)Revit 建模輔助場(chǎng)地布置，統(tǒng)籌施工和運(yùn)營(yíng)2 個(gè)階段的水回收利用系統(tǒng)，通過(guò)管線(xiàn)共用、設(shè)備共用、場(chǎng)景共用等提前將運(yùn)營(yíng)階段的水回收利用設(shè)施應(yīng)用到施工階段。

4.2 碰撞檢測(cè)

用于碰撞檢測(cè)的BIM 軟件主要有Revit 和Navisworks，設(shè)計(jì)過(guò)程中可利用Revit 鏈接不同專(zhuān)業(yè)模型的方式進(jìn)行碰撞檢測(cè)，最終形成碰撞檢測(cè)報(bào)告，通過(guò)檢測(cè)報(bào)告快速定位模型中的碰撞位置，及時(shí)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。由于Revit只能檢測(cè)硬碰撞，因此可將Revit 模型導(dǎo)出為.NWC 格式，利用Navisworks 進(jìn)行間隙碰撞檢測(cè)。相較于Revit 而言，Navisworks 運(yùn)行碰撞檢查對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件配置比較低，且速度更快，更具有靈活性，工程中可針對(duì)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的軟件。

4.3 模擬施工

模擬施工可通過(guò)Navisworks 中的“Time-Liner”選項(xiàng)卡中的“添加任務(wù)”創(chuàng)立施工任務(wù)，并在添加的任務(wù)中設(shè)置各項(xiàng)施工工序的起止時(shí)間，然后點(diǎn)擊“模擬”生成施工動(dòng)畫(huà)，從而提早發(fā)現(xiàn)施工中可能存在的問(wèn)題，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整施工方案。

4.4 基于BIM 的節(jié)水與水回收利用集成體系

基于以上分析，以建筑全壽命周期節(jié)水與水回收利用體系集成為出發(fā)點(diǎn)，以BIM 技術(shù)為支撐，通過(guò)三維建模、碰撞檢測(cè)、模擬施工等手段深化設(shè)計(jì)、優(yōu)化方案，統(tǒng)籌施工和運(yùn)營(yíng)2 個(gè)階段的水回收利用方案，構(gòu)建基于BIM 的節(jié)水與水回收利用集成體系，如圖2 所示。

圖2 基于BIM 的建筑全壽命周期節(jié)水與水回收利用集成體系

結(jié)語(yǔ)

以節(jié)水為目的，從建筑全壽命周期的角度出發(fā)，在分析施工階段和運(yùn)營(yíng)階段節(jié)水與水回收利用措施的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于BIM 的節(jié)水與水回收利用集成體系，形成一整套節(jié)水設(shè)計(jì)流程和集成方案，可更好地為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)水提供參考。上述研究的不足之處在于，基坑降水用水量計(jì)算時(shí)只考慮了群井按大井簡(jiǎn)化時(shí)這一種情況，具有一定的局限性。而實(shí)際工程中，基坑降水涌水量的計(jì)算應(yīng)根據(jù)基坑特點(diǎn)選擇不同的簡(jiǎn)化方式，從而更加準(zhǔn)確地輔助設(shè)計(jì)。另外，節(jié)水體系集成設(shè)計(jì)中未能考慮施工階段混凝土養(yǎng)護(hù)用水、模板清洗用水等施工用水的回收利用，未來(lái)可通過(guò)進(jìn)一步研究，將其納入該體系，以取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。