BIM在城市給水排水工程中的應用研究

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，城市給水排水工程的建設與管理面臨著日益復雜的挑戰。傳統的工程設計與施工模式在應對工程規模較大、施工環境復雜多變的情況時，容易導致工程進度延誤、成本超支、質量難以保障等問題。近年來，BIM技術作為一種集成化的數字化設計與管理工具，逐漸被引入到城市基礎設施建設中[]。BIM能夠通過數字化模型的構建與信息化管理，促進設計、施工和運營各階段的協同工作，從而提升工程的整體效率和質量[2]。本文將深入探討BIM技術在城市給水排水工程中的應用，分析其在管網布局設計等方面的作用，為相關領域的工程技術人員提供參考和借鑒。

1BIM技術概述

1.1 BIM技術的應用

BIM是一種基于數字化三維模型的建筑工程信息管理技術，通過集成和管理工程項目各階段的相關數據與信息，提供一個統一的數字平臺，支持各方參與協作與決策[3]。BIM不僅僅是一個三維建模工具，它能夠整合空間、時間、成本和信息等多維數據，為建筑項目的設計、施工、運營和維護等各個階段提供全面的支持。BIM在工程項目中的應用范圍如圖1所示。

1.2BIM技術的優勢

BIM的核心優勢在于信息的集成與共享[4。通過構建統一的數字平臺，項目的各個參與方，包括設計人員、施工單位、業主和維護團隊，能夠實時共享項目信息，減少了傳統項目管理中信息孤島和溝通障礙的問題，確保各方能夠在同一信息源基礎上進行協同工作。

隨著大數據、云計算和物聯網等新興技術的快速發展，BIM技術的應用領域和功能不斷擴展，已經逐步滲透到城市基礎設施建設中，尤其在城市給水排水、道路交通等領域。BIM的應用不僅能夠提高設計和施工階段的效率，還能為工程的長期運營與管理提供強有力的支持，正逐步成為推動建筑行業數字化轉型的重要技術[5]。

2工程概況

本工程項目為某新開發城鎮的一項住宅小區建設，項目地位于城市中心區域，交通便捷，周圍配套設施完善。項目總建筑面積約3萬 m² ，包括6棟住宅樓和1個標準籃球場。其中，每棟住宅樓為7層，總建筑面積約2.5萬 m² ，設計有多種戶型，滿足不同家庭的居住需求。

住宅樓采用鋼筋混凝土框架結構，外立面設計現代簡約，配有節能玻璃窗、陽臺和儲物空間。小區東側規劃了一個小型籃球場，場地面積約 1500m² ，配有照明設施，確保夜間使用，作為居民運動及休閑的多功能場地。此外，項目內基礎設施齊全，包括給水、供電、排水、天然氣管網及通信設施等，所有系統均按照市政標準建設。

3BIM數據模型

3.1給排水管網結構與系統劃分

隨著城市化進程的加速以及對可持續發展的重視，現代化的給排水管網系統越來越依賴于信息技術的支持，特別是BIM技術的應用，能夠通過精確的三維建模、數據共享與集成，有效提高管網設計與施工的效率，同時為管網后期運營和維護提供有力支持。

3.1.1 給排水管網組成結構

給排水管網系統由給水系統和排水系統兩大部分組成。給水系統負責將水源通過管道輸送到建筑物或區域內的各個用水點，確保生活、生產和消防等用水需求，通常包括水源、水廠、加壓泵站、供水管道以及用戶終端的水表和用水設備。在設計過程中，需要根據區域內用水量、管網布局、地形高差等因素進行合理規劃，確保水流暢通、壓力穩定，并能夠滿足高峰期的用水需求。

排水系統則是將建筑物或區域內的廢水、雨水等排放到市政管網或處理設施中，主要用于收集和排放生活污水、工業廢水等，需經過污水處理設施處理后方可排放。排水系統還用于收集和排放降雨后的雨水，避免雨水積聚造成城市內澇。排水管網的設計需要考慮到水流的流速、管道的布局以及排水設施的處理能力，確保排水系統的高效運行。

3.1.2給排水管網系統劃分

給排水管網系統是城市基礎設施的重要組成部分，涵蓋供水、排水以及廢水處理等多項功能，用于確保城市日常生活和工業生產的水資源供應和污水排放。根據給排水管網系統的功能，可將其劃分為水源取水系統、給水處理系統、給水管網系統、排水管網系統、廢水處理系統以及排放和重復利用系統6個子系統。給排水管網系統劃分表如表1所示。

3.2給排水管網多尺度模型

3.2.1LOD技術特點

LOD技術起源于計算機圖形學，最初應用于三維圖形渲染領域。該技術可以根據物體在顯示環境中所處的位置、大小以及視距等因素，動態地調整渲染的細節層次，以提高渲染效率并優化計算資源的使用。L0D技術的核心思想是根據物體的視角距離、重要程度和用戶的交互需求，決定物體的渲染細節，從而在保證視覺效果的同時，降低計算負擔、提升系統性能。

在BIM模型中，LOD定義了模型中各個元素的精細程度和可視化的細節級別，通常從低到高逐步增加，分別對應不同的細節和精度，以混凝土結構柱的模型為例，不同LOD等級的模型圖如圖2所示。

3.2.2給排水管網LOD模型應用

應用LOD技術后，BIM模型能夠在不同階段根據需求呈現不同層次的細節，這不僅提高了模型的可用性和管理效率，還能有效節約計算資源。在設計初期，可使用LOD較低的模型進行快速分析和討論。而在施工階段或竣工后，則需要高精度、高細節的LOD模型來支持施工、驗收和設施管理。

以本工程的給排水管網數據進行L0D100至L0D400層級的三維建模，隨著LOD層級的提高，管網模型幾何細節和信息內容不斷豐富。本工程給排水管網L0D模型如圖3所示。

通過這種逐步增加細節的建模過程，可以明顯看到，基于BIM技術的多尺度模型相較于傳統的二維管線資料，已從簡單的線條和符號發展為具有幾何細節的構件布置，且逐漸轉向全信息模型的表達方式。這使得設計、施工和管理環節的協同效率得到了顯著提升。

傳統的二維管線資料僅能通過簡單的符號和線條呈現，而BIM模型則能夠為項目提供全面、精確的建筑信息，貫穿項目全生命周期，為智能化建筑管理和決策提供了強有力的支持。

4給排水管網三維可視化

4.1建筑內管道可視化

本文構建了不同LOD層次的排水管網組成要素BIM模型，這些模型在建筑信息管理和施工過程中提供了重要的支持，但其空間分析能力仍顯不足，由于使用的數據格式存在不兼容問題，難以實現跨平臺的信息共享和協同工作。

4.1.1存在的問題

在LOD400層級的模型中，室內管線通常會被墻體、門窗等構件遮擋，從而給建筑的室內可視化帶來困難。這種情況使得用戶無法直觀地觀察到室內管網的空間分布和它們的外觀特征，尤其是在進行管網安裝、調整和維護等操作時，缺乏清晰的可視化效果會增加施工人員的工作難度，并可能導致施工質量問題。

4.1.2可視化優化方案

通過數據集成重新建模，可以實現調節住宅樓的透明度來凸顯室內整體的管點與管線，不僅能提升排水管網模型的空間分析能力，還能使BIM模型排水管網可視化表達。通過集成導出的數據，將管道系統模型與建筑外部模型分開建模，是實現BIM應用中模型精細化管理和提升可操作性的有效方式，這一做法能夠簡化模型的復雜度，還能夠提高工程數據的整合性和靈活性。

4.1.3模型構建與管理

建筑外部模型包括外立面、屋頂、窗戶、門以及相關的結構元素，而管道系統模型則包含排水管道、供水管道、管道連接件、閥門和泵站等細節。通過這種分開建模、調整透明度的方式，BIM模型不僅能更好地進行空間分析和優化，減少設計階段的沖突，還能提高項目管理和施工階段的數據可用性和精度，最終實現更加高效和精細的建筑和管網管理。

4.2地下管道可視化

4.2.1 存在問題

在BIM模型中，地下管道數據往往因為建筑結構或地面設施的重疊，無法對地下管道的布置和空間分布進行觀察。地下管道通常埋藏在土層中，即使在LOD400系統的模型中，其細節仍可能被地面或其他結構所遮蓋。

4.2.2可視化優化方案

構建地面三維瓦片的節點，并清除被遮擋網格部分的地面瓦片節點，是一種常用于提高BIM模型可視化精度的技術，尤其是處理地下管網和地表展示問題。具體而言，可將地面以三維瓦片的方式進行細分，每個瓦片節點代表地面上的一個小區域，每一個瓦片包含空間坐標、幾何信息、地面材質以及高度相關的數據。

通過按需調整地表的透明度因子，將其設置為透明狀態，即可觀察到地下管道。地下管道可視化效果如圖4所示。該方法能夠實現地面模型與地下建筑的精確互動，同時避免傳統模型中地面各建筑的重疊問題，從而提升項目階段的可視化效果。

5結束語

在城市給排水管網系統應用BIM技術，不僅提升了設計、施工與運營管理的效率，還為各階段的協同工作提供了可靠的數據支持。通過不同LOD層級的建模方法，可以在項目的不同階段精確地展示管網系統的空間布局與構件細節，從而避免設計沖突、優化施工方案，并減少錯誤與風險的發生。

對于實際應用中面臨如管線遮擋、數據格式不兼容等問題，關鍵在于實現數據集成與模型的可視化優化。

隨著BIM技術的不斷發展和相關標準的完善，管網系統的數字化管理和可視化表達將更加精準，為城市基礎設施建設和管理提供更加智能化、系統化的解決方案，并為可持續發展的城市建設提供強有力的技術支持。

參考文獻

[1]涂敏，劉光勝，楊紅兵，等.建筑給水排水BIM正向設計的應用及思考：以長沙黃花國際機場T3航站樓為例[J].給水排水，2022，58（12）：122-130.

[2]朱攀.BIM技術在市政給排水設計中的應用[J].工程建設與設計，2024（6）：84-86.

[3]唐洪軍，孫軍星.BIM技術在道路工程設計中的應用研究[J].工程技術研究，2024，9（10）：191-193.

[4]李琦玉，李明檜，林澤東，等.BIM技術在園區綜合管溝施工中的應用研究：以鋰電科技學院建設項目為例[J].四川建筑，2024，44（4）：275-277.

[5]毛世清.BIM技術在建筑給排水設計中的應用[J].工程建設與設計，2024（16）：104-106.