地下式污水處理廠BIM技術應用

　　近年來，隨著人們對水環(huán)境和空氣環(huán)境治理的要求提升，城市污水處理廠的建設模式逐步從傳統(tǒng)地上分散式，轉變?yōu)榈叵路忾]式。地下式污水處理廠主要分布在在國內一二線城市或沿海經濟發(fā)達區(qū)域。具不完全統(tǒng)計，截止至2018年，國內的地下式污水處理廠數量約30余座，工藝形式以AAO和MBR為主。BIM技術目前在市政工程領域，特別是污水處理廠建設領域，應用案例較少。張呂偉等介紹了采用REVIT軟件進行給排水工程協(xié)同建模方式的探索。李明奎在槐房再生水廠工程中進行了一系列的關于BIM技術的課題研究，通過BIM技術進行場地分析、采光分析、疏散分析、除臭分析、施工模擬等應用，實現(xiàn)了地下再生水廠工程的BIM技術全過程應用。但目前還未有一座地下式污水處理廠采用BIM技術進行深入應用的報道。因此，本文從某新建地下污水廠的建設過程出發(fā)，闡述在項目建設過程中BIM技術的應用模式和應用價值。

　　一、地下污水廠建設難點分析

　　以上海某新建地下污水處理廠為例，污水廠近期工程規(guī)模40萬m3/d，遠期工程規(guī)模55萬m3/d。另包括一座15萬m3的系統(tǒng)調蓄池。污水廠采用“AAO+深度處理”工藝，出水水質執(zhí)行國家一級A標準。結構形式采用全地下式一體化箱體結構，BIM模型見圖1。主要分為三層，包括地面層、箱體上部操作層、箱體下部構筑物層。

　　該項目的實施難點主要有5個方面：

　　(1)深基坑工程：本污水廠主體工藝段采用集約化箱體結構設計，整體尺寸為350m×350m，共分為兩層，下層為構筑物池體，上層為操作層。箱體底部不同區(qū)域的標高為-11.3m和-8.3m，頂部標高5.5m，基坑深度為14.3m~17.5m，頂部頂板以上還有1.5m厚覆土，采用“逆作法”施工的單體深基坑，具有深度深、面積大的特點，施工難度非常高。

　　(2)管線系統(tǒng)復雜：本污水廠作為全地下式設計，為改善污水廠運行環(huán)境，確保密閉空間中的有毒有害廢氣濃度在安全范圍內，在設計過程中，對全廠的通風系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)進行了精細化設計，導致在地下空間中的各類工藝管線、風管和電氣管線錯綜復雜，需要對管線進行綜合排布優(yōu)化，確保操作層中的凈空高度滿足設備安裝維修要求，又要盡可能減小管線層高度，降低結構層高，繼而減小基坑開挖深度和施工難度，節(jié)省投資。

　　(3)設備種類和數量多，管理難度大：本污水廠設備種類繁多，大型設備數量超過2000臺(套)，是一般傳統(tǒng)污水廠的4倍以上，對設備的采購、發(fā)貨、驗收、資料整理、安裝調試等各項工作帶來巨大的壓力，亟需一套完整的信息化系統(tǒng)來進行數據的管理和流程的管控。

　　(4)安全管理要求高：為方便污水廠設備進場和吊裝，頂板和中板上預留了50多個設備吊裝孔洞，由于設備安裝時間比較集中，需要對各單位使用洞口的時間和權限進行協(xié)調，管理難度較大。雖然項目建設單位制訂了《狹小空間作業(yè)安全管理辦法》，但辦法的落實和實施，需要相應的流程和手續(xù)進行管理。單純靠監(jiān)理人員進行人工管理，面對眾多的洞口位置，溝通和協(xié)調難度非常大。

　　(5)通水調試難度大：作為集約化設計的非常規(guī)工藝污水處理廠，通水調試的方案設計和理解對調試人員的專業(yè)能力提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。一方面本項目調試周期要求非常緊，僅為常規(guī)工程的一半時間，另一方面非常規(guī)的工藝流程設計的調試方案需要借助其他的手段來協(xié)助方案的說明和論證。

　　二、BIM技術應用策劃

　　圍繞地下污水廠建設的難點，針對項目需要進行BIM技術應用的策劃，用于指導建設過程的BIM應用開展，見表1。

　　三、BIM技術應用分析

　　3.1 基坑施工方案模擬

　　本項目基坑支撐體系共有3道水平支撐和1道斜?撐，采用蓋挖逆作法施工，該方案利用操作層樓板作為支撐，下層加盆式開挖和斜撐。該施工方案對結構的構造要求高，施工步序復雜且嚴格。

　　根據施工方案，主要施工工序如下：

　　(1)地連墻澆筑完成后，放坡開挖至2.00m標高，澆筑冠梁，開挖至-1.00m標高，施工操作層樓板及以上部分，預留出土孔。

　　(2)進行蓋挖法施工，大面積盆式開挖至-14.3m深處，澆筑A、C區(qū)底板及B、D區(qū)第三道臨時支撐。

　　(3)施工第二道斜拋撐，A、C區(qū)域撐在底板上，B、D區(qū)域撐在第三道臨時支撐上。

　　(4)挖除周邊預留土坡，拆除斜拋撐。

　　(5)B、D區(qū)域繼續(xù)開挖至-17.5m深處，澆筑底板及池壁。

　　結合基坑BIM模型，將開挖過程分解為12個步驟分別演示，如圖2所示。通過BIM模型的可視化功能，清晰地將工序開展過程、設備布置、出入場路線等在基坑模型上進行綜合展示，從而協(xié)助施工交底。

　　3.2 管線深化設計和綜合

　　為降低工程造價，減小地下箱體的埋深，污水廠一體化箱體地下一層的操作層的設計層高僅6.5m，層內布置了工藝、暖通、除臭、電氣、儀表5個專業(yè)共20多種管線系統(tǒng)。地下二層的構筑物層，所有主要工藝管道都布置在相鄰構筑物間約3m寬的狹窄管廊內，最大工藝管道管徑超DN1500，最大除臭風管尺寸超2000mm×1500mm。管線設計排布既要實現(xiàn)功能的合理性，又要降低管道工程的成本和安裝難度，還要考慮今后巡檢人員的日常巡邏、維修的便利性，設計難度非常高。

　　通過BIM模型的管線綜合，對所有管線進行綜合協(xié)同審查，如圖3兩個節(jié)點所示，對管線空間碰撞節(jié)點進行協(xié)調避讓，對閥門等操作手柄不合理的對象進行方向調整，對需要結構上預留孔洞的位置和尺寸進行復核，通過協(xié)調將原有發(fā)現(xiàn)的碰撞點由2000多處降低到不到50處，再通過設計的優(yōu)化修改將剩余的問題全部解決。

　　為方便設計和施工人員對存在問題進行討論，還可以通過VR設備、觸摸大屏等手段，讓相關人員快速查看管線設計方案，“親身”體驗今后巡檢和維修的便利性，通過優(yōu)化管線布置，實現(xiàn)管線系統(tǒng)的最優(yōu)設計。

　　3.3 設備管理系統(tǒng)

　　地下污水廠設備眾多，而且專用的特殊大型設備占的比例較高，項目建成后設備管理對污水廠運行具有重要的作用，因此在建設階段設備資料的整理和數據采集具有重要的價值。

　　在施工階段，項目要求所有標段設備供應商必須提交設備BIM構件，以及布置好設備構件的構筑物BIM模型文件，并要求在模型中填寫完整的設備編號等信息。通過BIM輕量化技術處理后，可以通過網頁瀏覽器查看設備模型，如圖4所示。實現(xiàn)污水廠竣工后設備模型和信息的數字化交付。

　　通過基于BIM模型的輕量化和信息化開發(fā)，項目中定制開發(fā)了設備管理系統(tǒng)，包括產品資料庫、采購計劃、安裝計劃、設備管理臺帳等多個模塊，將所有廠內設備的信息從廠家資料、到采購發(fā)貨，再到進場和安裝驗收全過程，進行資料收集和數據錄入，實現(xiàn)隨時掌握設備安裝進度的要求。同時，所有采購設備的編號和BIM模型的設備編號保持一致，并進行自動匹配，可以相互校對，避免遺漏或多余，通過系統(tǒng)統(tǒng)計生成設備的統(tǒng)一報表，方便建設過程的管理查詢。

　　3.4 安全管理系統(tǒng)

　　根據本項目建設單位發(fā)布的《狹小空間作業(yè)安全管理辦法》，為保證管理辦法的執(zhí)行效果，以BIM模型為基礎，開發(fā)洞口安全管理系統(tǒng)，以對建設過程中的吊裝預留孔洞的使用、移交和封閉全過程進行規(guī)范化管理。主要管理流程如圖5所示。

　　在BIM模型中對預留洞口進行建模和編碼，可以生成完整的洞口統(tǒng)計列表，開發(fā)基于BIM可視化的洞口管理系統(tǒng)，可以在模型上查看和選擇各個洞口，通過洞口的移交和封閉流程的審批管理，實現(xiàn)各標段洞口的使用權限和責任、實時記錄安裝人員出入洞口的數量和名單等功能。當各標段安裝作業(yè)人員進出洞口時，監(jiān)理人員需查驗審批流程無誤后方可通行，基于三維模型還可以查看洞口所在位置，精確掌握洞口的實際使用狀態(tài)。采用信息化的管理系統(tǒng)，大大簡化了洞口安全管理的難度，提升了建設管理效率。

　　3.5 通水調試方案模擬

　　地下污水廠采用的結構是一體化箱體結構，工藝進出水方式和常規(guī)污水廠差別較大，在項目進入調試階段時，基于二維設計圖的進水調試方案匯報時，遇到了較大的困難。因此，建設單位要求利用BIM模型進行調試方案的模擬演示，以方便調試過程和以后投入運行后對操作人員的指導。

　　利用BIM模型導入unity3D中，根據通水調試方案的文本，利用動畫模擬水流通過管道、箱涵和構筑物內的全過程，展現(xiàn)通水過程各種設備和閥門的開啟順序，以及構筑物內的水位變化情況。如污水廠中的調蓄池，由于運行工藝較為復雜，在清水調試階段，可以將全過程分解為10個階段(圖6)：

　　(1)臨排管道將清水注入到調蓄池，作為后續(xù)污水廠調試的源水。

　　(2)打開底部閘門，清水通過第一組調蓄池流入調蓄池泵房底部。

　　(3)打開第二組調蓄池底部閘門，清水從底部空腔流入到第二組調蓄池并注滿。

　　(4)調蓄池注滿水后，打開上部閘門開始出水，清水自流到泵房上部。

　　(5)打開泵房上部左側出水閘門，水自流從左側渠道出水。

　　(6)調蓄池上部清水出水完畢后，關閉泵房上部所有閘門。

　　(7)打開調蓄池下部閘門，清水流入泵房底部空間。

　　(8)開啟調蓄池的軸流泵抽水，將泵房底部的水提升至泵房上部。

　　(9)清水通過拍門注滿泵房上部空間。

　　(10)調蓄池打開泵房上部左側出水閘門，水自流從左側渠道出水。

　　通過對調試方案的步序分解，將調蓄池的工藝流程進行模擬，可以大大提高通水方案的討論效率，協(xié)助各方快速理解調試方案的具體過程，對今后投入正式運行后的運行工況調整也具有重要的意義。

　　四、結語

　　針對地下式污水處理廠的建設難點和復雜點，利用BIM模型在可視化、模擬分析和信息傳遞上的優(yōu)勢，制定項目BIM應用目標和方案，推進BIM技術在建設中的落地應用。地下式污水處理廠作為污水處理廠工程中結構和系統(tǒng)最為復雜的類型，BIM技術在其建設過程中具有重要的應用價值和意義。(來源：上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司)