地下式污水处理厂BIM技术应用

　　近年来，随着人们对水环境和空气环境治理的要求提升，城市污水处理厂的建设模式逐步从传统地上分散式，转变为地下封闭式。地下式污水处理厂主要分布在在国内一二线城市或沿海经济发达区域。具不完全统计，截止至2018年，国内的地下式污水处理厂数量约30余座，工艺形式以AAO和MBR为主。BIM技术目前在市政工程领域，特别是污水处理厂建设领域，应用案例较少。张吕伟等介绍了采用REVIT软件进行给排水工程协同建模方式的探索。李明奎在槐房再生水厂工程中进行了一系列的关于BIM技术的课题研究，通过BIM技术进行场地分析、采光分析、疏散分析、除臭分析、施工模拟等应用，实现了地下再生水厂工程的BIM技术全过程应用。但目前还未有一座地下式污水处理厂采用BIM技术进行深入应用的报道。因此，本文从某新建地下污水厂的建设过程出发，阐述在项目建设过程中BIM技术的应用模式和应用价值。

　　一、地下污水厂建设难点分析

　　以上海某新建地下污水处理厂为例，污水厂近期工程规模40万m3/d，远期工程规模55万m3/d。另包括一座15万m3的系统调蓄池。污水厂采用“AAO+深度处理”工艺，出水水质执行国家一级A标准。结构形式采用全地下式一体化箱体结构，BIM模型见图1。主要分为三层，包括地面层、箱体上部操作层、箱体下部构筑物层。

　　该项目的实施难点主要有5个方面：

　　(1)深基坑工程：本污水厂主体工艺段采用集约化箱体结构设计，整体尺寸为350m×350m，共分为两层，下层为构筑物池体，上层为操作层。箱体底部不同区域的标高为-11.3m和-8.3m，顶部标高5.5m，基坑深度为14.3m~17.5m，顶部顶板以上还有1.5m厚覆土，采用“逆作法”施工的单体深基坑，具有深度深、面积大的特点，施工难度非常高。

　　(2)管线系统复杂：本污水厂作为全地下式设计，为改善污水厂运行环境，确保密闭空间中的有毒有害废气浓度在安全范围内，在设计过程中，对全厂的通风系统、除臭系统进行了精细化设计，导致在地下空间中的各类工艺管线、风管和电气管线错综复杂，需要对管线进行综合排布优化，确保操作层中的净空高度满足设备安装维修要求，又要尽可能减小管线层高度，降低结构层高，继而减小基坑开挖深度和施工难度，节省投资。

　　(3)设备种类和数量多，管理难度大：本污水厂设备种类繁多，大型设备数量超过2000台(套)，是一般传统污水厂的4倍以上，对设备的采购、发货、验收、资料整理、安装调试等各项工作带来巨大的压力，亟需一套完整的信息化系统来进行数据的管理和流程的管控。

　　(4)安全管理要求高：为方便污水厂设备进场和吊装，顶板和中板上预留了50多个设备吊装孔洞，由于设备安装时间比较集中，需要对各单位使用洞口的时间和权限进行协调，管理难度较大。虽然项目建设单位制订了《狭小空间作业安全管理办法》，但办法的落实和实施，需要相应的流程和手续进行管理。单纯靠监理人员进行人工管理，面对众多的洞口位置，沟通和协调难度非常大。

　　(5)通水调试难度大：作为集约化设计的非常规工艺污水处理厂，通水调试的方案设计和理解对调试人员的专业能力提出了严峻的挑战。一方面本项目调试周期要求非常紧，仅为常规工程的一半时间，另一方面非常规的工艺流程设计的调试方案需要借助其他的手段来协助方案的说明和论证。

　　二、BIM技术应用策划

　　围绕地下污水厂建设的难点，针对项目需要进行BIM技术应用的策划，用于指导建设过程的BIM应用开展，见表1。

　　三、BIM技术应用分析

　　3.1 基坑施工方案模拟

　　本项目基坑支撑体系共有3道水平支撑和1道斜�撑，采用盖挖逆作法施工，该方案利用操作层楼板作为支撑，下层加盆式开挖和斜撑。该施工方案对结构的构造要求高，施工步序复杂且严格。

　　根据施工方案，主要施工工序如下：

　　(1)地连墙浇筑完成后，放坡开挖至2.00m标高，浇筑冠梁，开挖至-1.00m标高，施工操作层楼板及以上部分，预留出土孔。

　　(2)进行盖挖法施工，大面积盆式开挖至-14.3m深处，浇筑A、C区底板及B、D区第三道临时支撑。

　　(3)施工第二道斜抛撑，A、C区域撑在底板上，B、D区域撑在第三道临时支撑上。

　　(4)挖除周边预留土坡，拆除斜抛撑。

　　(5)B、D区域继续开挖至-17.5m深处，浇筑底板及池壁。

　　结合基坑BIM模型，将开挖过程分解为12个步骤分别演示，如图2所示。通过BIM模型的可视化功能，清晰地将工序开展过程、设备布置、出入场路线等在基坑模型上进行综合展示，从而协助施工交底。

　　3.2 管线深化设计和综合

　　为降低工程造价，减小地下箱体的埋深，污水厂一体化箱体地下一层的操作层的设计层高仅6.5m，层内布置了工艺、暖通、除臭、电气、仪表5个专业共20多种管线系统。地下二层的构筑物层，所有主要工艺管道都布置在相邻构筑物间约3m宽的狭窄管廊内，最大工艺管道管径超DN1500，最大除臭风管尺寸超2000mm×1500mm。管线设计排布既要实现功能的合理性，又要降低管道工程的成本和安装难度，还要考虑今后巡检人员的日常巡逻、维修的便利性，设计难度非常高。

　　通过BIM模型的管线综合，对所有管线进行综合协同审查，如图3两个节点所示，对管线空间碰撞节点进行协调避让，对阀门等操作手柄不合理的对象进行方向调整，对需要结构上预留孔洞的位置和尺寸进行复核，通过协调将原有发现的碰撞点由2000多处降低到不到50处，再通过设计的优化修改将剩余的问题全部解决。

　　为方便设计和施工人员对存在问题进行讨论，还可以通过VR设备、触摸大屏等手段，让相关人员快速查看管线设计方案，“亲身”体验今后巡检和维修的便利性，通过优化管线布置，实现管线系统的最优设计。

　　3.3 设备管理系统

　　地下污水厂设备众多，而且专用的特殊大型设备占的比例较高，项目建成后设备管理对污水厂运行具有重要的作用，因此在建设阶段设备资料的整理和数据采集具有重要的价值。

　　在施工阶段，项目要求所有标段设备供应商必须提交设备BIM构件，以及布置好设备构件的构筑物BIM模型文件，并要求在模型中填写完整的设备编号等信息。通过BIM轻量化技术处理后，可以通过网页浏览器查看设备模型，如图4所示。实现污水厂竣工后设备模型和信息的数字化交付。

　　通过基于BIM模型的轻量化和信息化开发，项目中定制开发了设备管理系统，包括产品资料库、采购计划、安装计划、设备管理台帐等多个模块，将所有厂内设备的信息从厂家资料、到采购发货，再到进场和安装验收全过程，进行资料收集和数据录入，实现随时掌握设备安装进度的要求。同时，所有采购设备的编号和BIM模型的设备编号保持一致，并进行自动匹配，可以相互校对，避免遗漏或多余，通过系统统计生成设备的统一报表，方便建设过程的管理查询。

　　3.4 安全管理系统

　　根据本项目建设单位发布的《狭小空间作业安全管理办法》，为保证管理办法的执行效果，以BIM模型为基础，开发洞口安全管理系统，以对建设过程中的吊装预留孔洞的使用、移交和封闭全过程进行规范化管理。主要管理流程如图5所示。

　　在BIM模型中对预留洞口进行建模和编码，可以生成完整的洞口统计列表，开发基于BIM可视化的洞口管理系统，可以在模型上查看和选择各个洞口，通过洞口的移交和封闭流程的审批管理，实现各标段洞口的使用权限和责任、实时记录安装人员出入洞口的数量和名单等功能。当各标段安装作业人员进出洞口时，监理人员需查验审批流程无误后方可通行，基于三维模型还可以查看洞口所在位置，精确掌握洞口的实际使用状态。采用信息化的管理系统，大大简化了洞口安全管理的难度，提升了建设管理效率。

　　3.5 通水调试方案模拟

　　地下污水厂采用的结构是一体化箱体结构，工艺进出水方式和常规污水厂差别较大，在项目进入调试阶段时，基于二维设计图的进水调试方案汇报时，遇到了较大的困难。因此，建设单位要求利用BIM模型进行调试方案的模拟演示，以方便调试过程和以后投入运行后对操作人员的指导。

　　利用BIM模型导入unity3D中，根据通水调试方案的文本，利用动画模拟水流通过管道、箱涵和构筑物内的全过程，展现通水过程各种设备和阀门的开启顺序，以及构筑物内的水位变化情况。如污水厂中的调蓄池，由于运行工艺较为复杂，在清水调试阶段，可以将全过程分解为10个阶段(图6)：

　　(1)临排管道将清水注入到调蓄池，作为后续污水厂调试的源水。

　　(2)打开底部闸门，清水通过第一组调蓄池流入调蓄池泵房底部。

　　(3)打开第二组调蓄池底部闸门，清水从底部空腔流入到第二组调蓄池并注满。

　　(4)调蓄池注满水后，打开上部闸门开始出水，清水自流到泵房上部。

　　(5)打开泵房上部左侧出水闸门，水自流从左侧渠道出水。

　　(6)调蓄池上部清水出水完毕后，关闭泵房上部所有闸门。

　　(7)打开调蓄池下部闸门，清水流入泵房底部空间。

　　(8)开启调蓄池的轴流泵抽水，将泵房底部的水提升至泵房上部。

　　(9)清水通过拍门注满泵房上部空间。

　　(10)调蓄池打开泵房上部左侧出水闸门，水自流从左侧渠道出水。

　　通过对调试方案的步序分解，将调蓄池的工艺流程进行模拟，可以大大提高通水方案的讨论效率，协助各方快速理解调试方案的具体过程，对今后投入正式运行后的运行工况调整也具有重要的意义。

　　四、结语

　　针对地下式污水处理厂的建设难点和复杂点，利用BIM模型在可视化、模拟分析和信息传递上的优势，制定项目BIM应用目标和方案，推进BIM技术在建设中的落地应用。地下式污水处理厂作为污水处理厂工程中结构和系统最为复杂的类型，BIM技术在其建设过程中具有重要的应用价值和意义。(来源：上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司)