近年來(lái)，隨著(zhù)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(chǎng)的建設模式逐步從傳統地上分散式，轉變?yōu)榈叵路忾]式。地下式污水處理廠(chǎng)主要分布在在國內一二線(xiàn)城市或沿海經(jīng)濟發(fā)達區域。具不完全統計，截止至2018年，國內的地下式污水處理廠(chǎng)數量約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(chǎng)建設領(lǐng)域，應用案例較少。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(chǎng)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(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)地分析、采光分析、疏散分析、除臭分析、施工模擬等應用，實(shí)現了地下再生水廠(chǎng)工程的BIM技術(shù)全過(guò)程應用。但目前還未有一座地下式污水處理廠(chǎng)采用BIM技術(shù)進(jìn)行深入應用的報道。因此，本文從某新建地下污水廠(chǎng)的建設過(guò)程出發(fā)，闡述在項目建設過(guò)程中BIM技術(shù)的應用模式和應用價(jià)值。

　　一、地下污水廠(chǎng)建設難點(diǎn)分析

　　以上海某新建地下污水處理廠(chǎng)為例，污水廠(chǎng)近期工程規模40萬(wàn)m3/d，遠期工程規模55萬(wàn)m3/d。另包括一座15萬(wàn)m3的系統調蓄池。污水廠(chǎng)采用“AAO+深度處理”工藝，出水水質(zhì)執行國家一級A標準。結構形式采用全地下式一體化箱體結構，BIM模型見(jiàn)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(shí)施難點(diǎn)主要有5個(gè)方面：

　　(1)深基坑工程：本污水廠(chǎng)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(diǎn)，施工難度非常高。

　　(2)管線(xiàn)系統復雜：本污水廠(chǎng)作為全地下式設計，為改善污水廠(chǎng)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(guò)程中，對全廠(chǎng)的通風(fēng)系統、除臭系統進(jìn)行了精細化設計，導致在地下空間中的各類(lèi)工藝管線(xiàn)、風(fēng)管和電氣管線(xiàn)錯綜復雜，需要對管線(xiàn)進(jìn)行綜合排布優(yōu)化，確保操作層中的凈空高度滿(mǎn)足設備安裝維修要求，又要盡可能減小管線(xiàn)層高度，降低結構層高，繼而減小基坑開(kāi)挖深度和施工難度，節省投資。

　　(3)設備種類(lèi)和數量多，管理難度大：本污水廠(chǎng)設備種類(lèi)繁多，大型設備數量超過(guò)2000臺(套)，是一般傳統污水廠(chǎng)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(lái)巨大的壓力，亟需一套完整的信息化系統來(lái)進(jìn)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(chǎng)設備進(jìn)場(chǎng)和吊裝，頂板和中板上預留了50多個(gè)設備吊裝孔洞，由于設備安裝時(shí)間比較集中，需要對各單位使用洞口的時(shí)間和權限進(jìn)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(shí)和實(shí)施，需要相應的流程和手續進(jìn)行管理。單純靠監理人員進(jìn)行人工管理，面對眾多的洞口位置，溝通和協(xié)調難度非常大。

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

　　二、BIM技術(shù)應用策劃

　　圍繞地下污水廠(chǎng)建設的難點(diǎn)，針對項目需要進(jìn)行BIM技術(shù)應用的策劃，用于指導建設過(guò)程的BIM應用開(kāi)展，見(jiàn)表1。

　　三、BIM技術(shù)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(kāi)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(kāi)挖至2.00m標高，澆筑冠梁，開(kāi)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(jìn)行蓋挖法施工，大面積盆式開(kāi)挖至-14.3m深處，澆筑A、C區底板及B、D區第三道臨時(shí)支撐。

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

　　(4)挖除周邊預留土坡，拆除斜拋撐。

　　(5)B、D區域繼續開(kāi)挖至-17.5m深處，澆筑底板及池壁。

　　結合基坑BIM模型，將開(kāi)挖過(guò)程分解為12個(gè)步驟分別演示，如圖2所示。通過(guò)BIM模型的可視化功能，清晰地將工序開(kāi)展過(guò)程、設備布置、出入場(chǎng)路線(xiàn)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(xiàn)深化設計和綜合

　　為降低工程造價(jià)，減小地下箱體的埋深，污水廠(chǎng)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(gè)專(zhuān)業(yè)共20多種管線(xiàn)系統。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(fēng)管尺寸超2000mm×1500mm。管線(xiàn)設計排布既要實(shí)現功能的合理性，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(guò)BIM模型的管線(xiàn)綜合，對所有管線(xiàn)進(jìn)行綜合協(xié)同審查，如圖3兩個(gè)節點(diǎn)所示，對管線(xiàn)空間碰撞節點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調避讓?zhuān)瑢﹂y門(mén)等操作手柄不合理的對象進(jìn)行方向調整，對需要結構上預留孔洞的位置和尺寸進(jìn)行復核，通過(guò)協(xié)調將原有發(fā)現的碰撞點(diǎn)由2000多處降低到不到50處，再通過(guò)設計的優(yōu)化修改將剩余的問(wèn)題全部解決。

　　為方便設計和施工人員對存在問(wèn)題進(jìn)行討論，還可以通過(guò)VR設備、觸摸大屏等手段，讓相關(guān)人員快速查看管線(xiàn)設計方案，“親身”體驗今后巡檢和維修的便利性，通過(guò)優(yōu)化管線(xiàn)布置，實(shí)現管線(xiàn)系統的最優(yōu)設計。

　　3.3 設備管理系統

　　地下污水廠(chǎng)設備眾多，而且專(zhuān)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(chǎng)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(jià)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(xiě)完整的設備編號等信息。通過(guò)BIM輕量化技術(shù)處理后，可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器查看設備模型，如圖4所示。實(shí)現污水廠(chǎng)竣工后設備模型和信息的數字化交付。

　　通過(guò)基于BIM模型的輕量化和信息化開(kāi)發(fā)，項目中定制開(kāi)發(fā)了設備管理系統，包括產(chǎn)品資料庫、采購計劃、安裝計劃、設備管理臺帳等多個(gè)模塊，將所有廠(chǎng)內設備的信息從廠(chǎng)家資料、到采購發(fā)貨，再到進(jìn)場(chǎng)和安裝驗收全過(guò)程，進(jìn)行資料收集和數據錄入，實(shí)現隨時(shí)掌握設備安裝進(jìn)度的要求。同時(shí)，所有采購設備的編號和BIM模型的設備編號保持一致，并進(jìn)行自動(dòng)匹配，可以相互校對，避免遺漏或多余，通過(guò)系統統計生成設備的統一報表，方便建設過(guò)程的管理查詢(xún)。

　　3.4 安全管理系統

　　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行效果，以BIM模型為基礎，開(kāi)發(fā)洞口安全管理系統，以對建設過(guò)程中的吊裝預留孔洞的使用、移交和封閉全過(guò)程進(jìn)行規范化管理。主要管理流程如圖5所示。

　　在BIM模型中對預留洞口進(jìn)行建模和編碼，可以生成完整的洞口統計列表，開(kāi)發(fā)基于BIM可視化的洞口管理系統，可以在模型上查看和選擇各個(gè)洞口，通過(guò)洞口的移交和封閉流程的審批管理，實(shí)現各標段洞口的使用權限和責任、實(shí)時(shí)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(jìn)出洞口時(shí)，監理人員需查驗審批流程無(wú)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，大大簡(jiǎn)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(chǎng)采用的結構是一體化箱體結構，工藝進(jìn)出水方式和常規污水廠(chǎng)差別較大，在項目進(jìn)入調試階段時(shí)，基于二維設計圖的進(jìn)水調試方案匯報時(shí)，遇到了較大的困難。因此，建設單位要求利用BIM模型進(jìn)行調試方案的模擬演示，以方便調試過(guò)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(dòng)畫(huà)模擬水流通過(guò)管道、箱涵和構筑物內的全過(guò)程，展現通水過(guò)程各種設備和閥門(mén)的開(kāi)啟順序，以及構筑物內的水位變化情況。如污水廠(chǎng)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(guò)程分解為10個(gè)階段(圖6)：

　　(1)臨排管道將清水注入到調蓄池，作為后續污水廠(chǎng)調試的源水。

　　(2)打開(kāi)底部閘門(mén)，清水通過(guò)第一組調蓄池流入調蓄池泵房底部。

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

　　(4)調蓄池注滿(mǎn)水后，打開(kāi)上部閘門(mén)開(kāi)始出水，清水自流到泵房上部。

　　(5)打開(kāi)泵房上部左側出水閘門(mén)，水自流從左側渠道出水。

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

　　(7)打開(kāi)調蓄池下部閘門(mén)，清水流入泵房底部空間。

　　(8)開(kāi)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(guò)拍門(mén)注滿(mǎn)泵房上部空間。

　　(10)調蓄池打開(kāi)泵房上部左側出水閘門(mén)，水自流從左側渠道出水。

　　通過(guò)對調試方案的步序分解，將調蓄池的工藝流程進(jìn)行模擬，可以大大提高通水方案的討論效率，協(xié)助各方快速理解調試方案的具體過(guò)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(yǔ)

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