地下式污水處理廠BIM技術(shù)應(yīng)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(shè)模式逐步從傳統(tǒng)地上分散式，轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵路忾]式。地下式污水處理廠主要分布在在國內(nèi)一二線城市或沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域。具不完全統(tǒng)計(jì)，截止至2018年，國內(nèi)的地下式污水處理廠數(shù)量約30余座，工藝形式以AAO和MBR為主。BIM技術(shù)目前在市政工程領(lǐng)域，特別是污水處理廠建設(shè)領(lǐng)域，應(yīng)用案例較少。張呂偉等介紹了采用REVIT軟件進(jìn)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(jìn)行了一系列的關(guān)于BIM技術(shù)的課題研究，通過BIM技術(shù)進(jìn)行場地分析、采光分析、疏散分析、除臭分析、施工模擬等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了地下再生水廠工程的BIM技術(shù)全過程應(yīng)用。但目前還未有一座地下式污水處理廠采用BIM技術(shù)進(jìn)行深入應(yīng)用的報(bào)道。因此，本文從某新建地下污水廠的建設(shè)過程出發(fā)，闡述在項(xiàng)目建設(shè)過程中BIM技術(shù)的應(yīng)用模式和應(yīng)用價(jià)值。

　　一、地下污水廠建設(shè)難點(diǎn)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(yuǎn)期工程規(guī)模55萬m3/d。另包括一座15萬m3的系統(tǒng)調(diào)蓄池。污水廠采用“AAO+深度處理”工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行國家一級A標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)形式采用全地下式一體化箱體結(jié)構(gòu)，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(gòu)筑物層。

　　該項(xiàng)目的實(shí)施難點(diǎn)主要有5個(gè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體尺寸為350m×350m，共分為兩層，下層為構(gòu)筑物池體，上層為操作層。箱體底部不同區(qū)域的標(biāo)高為-11.3m和-8.3m，頂部標(biāo)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(diǎn)，施工難度非常高。

　　(2)管線系統(tǒng)復(fù)雜：本污水廠作為全地下式設(shè)計(jì)，為改善污水廠運(yùn)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(nèi)，在設(shè)計(jì)過程中，對全廠的通風(fēng)系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在地下空間中的各類工藝管線、風(fēng)管和電氣管線錯(cuò)綜復(fù)雜，需要對管線進(jìn)行綜合排布優(yōu)化，確保操作層中的凈空高度滿足設(shè)備安裝維修要求，又要盡可能減小管線層高度，降低結(jié)構(gòu)層高，繼而減小基坑開挖深度和施工難度，節(jié)省投資。

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

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

　　(5)通水調(diào)試難度大：作為集約化設(shè)計(jì)的非常規(guī)工藝污水處理廠，通水調(diào)試的方案設(shè)計(jì)和理解對調(diào)試人員的專業(yè)能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面本項(xiàng)目調(diào)試周期要求非常緊，僅為常規(guī)工程的一半時(shí)間，另一方面非常規(guī)的工藝流程設(shè)計(jì)的調(diào)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(shù)應(yīng)用策劃

　　圍繞地下污水廠建設(shè)的難點(diǎn)，針對項(xiàng)目需要進(jìn)行BIM技術(shù)應(yīng)用的策劃，用于指導(dǎo)建設(shè)過程的BIM應(yīng)用開展，見表1。

　　三、BIM技術(shù)應(yīng)用分析

　　3.1 基坑施工方案模擬

　　本項(xiàng)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(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求高，施工步序復(fù)雜且嚴(yán)格。

　　根據(jù)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(biāo)高，澆筑冠梁，開挖至-1.00m標(biāo)高，施工操作層樓板及以上部分，預(yù)留出土孔。

　　(2)進(jìn)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(shí)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(shí)支撐上。

　　(4)挖除周邊預(yù)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(jié)合基坑BIM模型，將開挖過程分解為12個(gè)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(shè)備布置、出入場路線等在基坑模型上進(jìn)行綜合展示，從而協(xié)助施工交底。

　　3.2 管線深化設(shè)計(jì)和綜合

　　為降低工程造價(jià)，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(shè)計(jì)層高僅6.5m，層內(nèi)布置了工藝、暖通、除臭、電氣、儀表5個(gè)專業(yè)共20多種管線系統(tǒng)。地下二層的構(gòu)筑物層，所有主要工藝管道都布置在相鄰構(gòu)筑物間約3m寬的狹窄管廊內(nèi)，最大工藝管道管徑超DN1500，最大除臭風(fēng)管尺寸超2000mm×1500mm。管線設(shè)計(jì)排布既要實(shí)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(shè)計(jì)難度非常高。

　　通過BIM模型的管線綜合，對所有管線進(jìn)行綜合協(xié)同審查，如圖3兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所示，對管線空間碰撞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)避讓，對閥門等操作手柄不合理的對象進(jìn)行方向調(diào)整，對需要結(jié)構(gòu)上預(yù)留孔洞的位置和尺寸進(jìn)行復(fù)核，通過協(xié)調(diào)將原有發(fā)現(xiàn)的碰撞點(diǎn)由2000多處降低到不到50處，再通過設(shè)計(jì)的優(yōu)化修改將剩余的問題全部解決。

　　為方便設(shè)計(jì)和施工人員對存在問題進(jìn)行討論，還可以通過VR設(shè)備、觸摸大屏等手段，讓相關(guān)人員快速查看管線設(shè)計(jì)方案，“親身”體驗(yàn)今后巡檢和維修的便利性，通過優(yōu)化管線布置，實(shí)現(xiàn)管線系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

　　3.3 設(shè)備管理系統(tǒng)

　　地下污水廠設(shè)備眾多，而且專用的特殊大型設(shè)備占的比例較高，項(xiàng)目建成后設(shè)備管理對污水廠運(yùn)行具有重要的作用，因此在建設(shè)階段設(shè)備資料的整理和數(shù)據(jù)采集具有重要的價(jià)值。

　　在施工階段，項(xiàng)目要求所有標(biāo)段設(shè)備供應(yīng)商必須提交設(shè)備BIM構(gòu)件，以及布置好設(shè)備構(gòu)件的構(gòu)筑物BIM模型文件，并要求在模型中填寫完整的設(shè)備編號等信息。通過BIM輕量化技術(shù)處理后，可以通過網(wǎng)頁瀏覽器查看設(shè)備模型，如圖4所示。實(shí)現(xiàn)污水廠竣工后設(shè)備模型和信息的數(shù)字化交付。

　　通過基于BIM模型的輕量化和信息化開發(fā)，項(xiàng)目中定制開發(fā)了設(shè)備管理系統(tǒng)，包括產(chǎn)品資料庫、采購計(jì)劃、安裝計(jì)劃、設(shè)備管理臺帳等多個(gè)模塊，將所有廠內(nèi)設(shè)備的信息從廠家資料、到采購發(fā)貨，再到進(jìn)場和安裝驗(yàn)收全過程，進(jìn)行資料收集和數(shù)據(jù)錄入，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)掌握設(shè)備安裝進(jìn)度的要求。同時(shí)，所有采購設(shè)備的編號和BIM模型的設(shè)備編號保持一致，并進(jìn)行自動(dòng)匹配，可以相互校對，避免遺漏或多余，通過系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)生成設(shè)備的統(tǒng)一報(bào)表，方便建設(shè)過程的管理查詢。

　　3.4 安全管理系統(tǒng)

　　根據(jù)本項(xiàng)目建設(shè)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(chǔ)，開發(fā)洞口安全管理系統(tǒng)，以對建設(shè)過程中的吊裝預(yù)留孔洞的使用、移交和封閉全過程進(jìn)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(yù)留洞口進(jìn)行建模和編碼，可以生成完整的洞口統(tǒng)計(jì)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(gè)洞口，通過洞口的移交和封閉流程的審批管理，實(shí)現(xiàn)各標(biāo)段洞口的使用權(quán)限和責(zé)任、實(shí)時(shí)記錄安裝人員出入洞口的數(shù)量和名單等功能。當(dāng)各標(biāo)段安裝作業(yè)人員進(jìn)出洞口時(shí)，監(jiān)理人員需查驗(yàn)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(shí)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(shè)管理效率。

　　3.5 通水調(diào)試方案模擬

　　地下污水廠采用的結(jié)構(gòu)是一體化箱體結(jié)構(gòu)，工藝進(jìn)出水方式和常規(guī)污水廠差別較大，在項(xiàng)目進(jìn)入調(diào)試階段時(shí)，基于二維設(shè)計(jì)圖的進(jìn)水調(diào)試方案匯報(bào)時(shí)，遇到了較大的困難。因此，建設(shè)單位要求利用BIM模型進(jìn)行調(diào)試方案的模擬演示，以方便調(diào)試過程和以后投入運(yùn)行后對操作人員的指導(dǎo)。

　　利用BIM模型導(dǎo)入unity3D中，根據(jù)通水調(diào)試方案的文本，利用動(dòng)畫模擬水流通過管道、箱涵和構(gòu)筑物內(nèi)的全過程，展現(xiàn)通水過程各種設(shè)備和閥門的開啟順序，以及構(gòu)筑物內(nèi)的水位變化情況。如污水廠中的調(diào)蓄池，由于運(yùn)行工藝較為復(fù)雜，在清水調(diào)試階段，可以將全過程分解為10個(gè)階段(圖6)：

　　(1)臨排管道將清水注入到調(diào)蓄池，作為后續(xù)污水廠調(diào)試的源水。

　　(2)打開底部閘門，清水通過第一組調(diào)蓄池流入調(diào)蓄池泵房底部。

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

　　(4)調(diào)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(cè)出水閘門，水自流從左側(cè)渠道出水。

　　(6)調(diào)蓄池上部清水出水完畢后，關(guān)閉泵房上部所有閘門。

　　(7)打開調(diào)蓄池下部閘門，清水流入泵房底部空間。

　　(8)開啟調(diào)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(diào)蓄池打開泵房上部左側(cè)出水閘門，水自流從左側(cè)渠道出水。

　　通過對調(diào)試方案的步序分解，將調(diào)蓄池的工藝流程進(jìn)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(diào)試方案的具體過程，對今后投入正式運(yùn)行后的運(yùn)行工況調(diào)整也具有重要的意義。

　　四、結(jié)語

　　針對地下式污水處理廠的建設(shè)難點(diǎn)和復(fù)雜點(diǎn)，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(xiàng)目BIM應(yīng)用目標(biāo)和方案，推進(jìn)BIM技術(shù)在建設(shè)中的落地應(yīng)用。地下式污水處理廠作為污水處理廠工程中結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)最為復(fù)雜的類型，BIM技術(shù)在其建設(shè)過程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值和意義。(來源：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司)