地下式污水處理廠建設BIM 技術應用

蔣力儉

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 200092)

引言

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(shù)量約30 余座, 工藝形式以 AAO 和 MBR 為主[1]。 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[2]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[3]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。

1 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(shù)量多, 管理難度大: 本污水廠設備種類繁多, 大型設備數(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(shù)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。

2 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。

表1 項目BIM 技術應用點總覽Tab.1 Overview of BIM Technology application issues

3 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道斜拋撐, 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。

圖2 基坑施工工序模擬Fig.2 Construction simulation of deep excavation

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。

圖3 工藝管廊的復雜節(jié)點碰撞協(xié)調Fig.3 Collision coordination of complex nodes in pipe gallery

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(shù)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(shù)字化交付。

圖4 BIM 模型輕量化后的設備構件和信息Fig.4 Information query in lightweight model

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(shù)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)

圖5 洞口安全管理流程Fig.5 Management process of reserved holes

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(shù)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unity 3D 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。

圖6 調蓄池清水調試方案BIM 模擬Fig.8 The trail run simulation of the storage tank

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。

4 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。