BIM技術(shù)在上海泰和污水處理廠工程中的應用

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

圖1 泰和污水處理廠工藝流程圖

1 工程概況

泰和污水處理廠位于上海市寶山區(qū)上海外環(huán)線以內(nèi)，規(guī)劃共富路、規(guī)劃梅林路、泰聯(lián)路、蕰藻浜北側(cè)綠化帶圍合的區(qū)域內(nèi)，屬于上海市中心城區(qū)。

泰和廠規(guī)劃總規(guī)模為60萬m3/d，本次一期工程建設(shè)規(guī)模為40萬m3/d[1]。出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準，其中氨氮和總磷指標執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)Ⅳ類水標準，污泥需處理至含水率按小于等于40%后外運處理處置。

為最大限度減少污水廠設(shè)施對周邊環(huán)境的影響，同時亦滿足用地規(guī)劃的控制要求，泰和廠采用了全地下式的布置形式。廠區(qū)以聯(lián)誼路為界分為南北兩塊，北側(cè)地塊面積為14.91 hm2，地塊內(nèi)為全地下一體化箱體，建設(shè)有預處理區(qū)、反應區(qū)、深度處理區(qū)、出水區(qū)及泥處理區(qū)。南側(cè)地塊包括一座容積為15萬m3的系統(tǒng)調(diào)蓄池、廠前區(qū)、出水高位井及遠期建設(shè)的預留用地(如圖2所示)。

圖2 泰和污水處理廠平面圖

泰和污水處理廠從2017年4月開工建設(shè)，2017年11月正式開始主體工程的施工，2019年10月項目建成實現(xiàn)達標通水，整個施工工期僅約2年半時間。泰和污水處理廠是目前國內(nèi)水、泥、氣、聲綜合治理標準最高的污水處理廠工程，以及國內(nèi)采用全流程集約化布置規(guī)模最大的全地下污水處理廠工程。

2 BIM應用需求分析

2.1 水務工程BIM應用現(xiàn)狀分析

BIM思想源于20世紀70年代，并隨著時代進步，內(nèi)涵逐漸豐富完整。目前BIM技術(shù)已廣泛應用于工程建設(shè)領(lǐng)域，BIM技術(shù)的相關(guān)研究也是信息技術(shù)領(lǐng)域的重大熱點[2]，在水務項目建設(shè)全生命周期中也有一定的應用[3]。隨著近年地下式污水廠的建設(shè)逐步鋪開，BIM技術(shù)對污水廠建設(shè)及管理帶來了許多新思路和新手段。

2.2 工程挑戰(zhàn)及BIM應用需求分析

作為上海市中心城區(qū)規(guī)模最大的全地下污水廠，本工程的建設(shè)面臨著如下挑戰(zhàn)：

(1)集約化布局設(shè)計要求高。泰和廠一體化箱體尺寸為349m×350m，共分為兩層，基坑深度為14.3～17.5m，箱體設(shè)計需要充分協(xié)調(diào)各專業(yè)設(shè)計原則，確保布局合理，并全面統(tǒng)籌考慮水流、泥流、人流、車流的合理組織[4]。

(2)軟土地區(qū)超大超深基坑建設(shè)難度大。作為地下式大型基礎(chǔ)設(shè)施，其基坑面積達12.2萬m2，且采用“逆作法”施工，合理的支撐布置和設(shè)計一方面需保證基坑安全，同時還要結(jié)合工期要求整體考慮基坑開挖及施工次序問題[5]。

(3)水、氣流態(tài)復雜。全地下污水處理廠有別于傳統(tǒng)污水廠，一般為雙層集約化布置，下層為緊湊布置的生產(chǎn)性構(gòu)筑物及管廊層，上層為空間較為開闊的操作層[6]。通過傳統(tǒng)人工計算的方式，難以真實了解水、氣流的真實分布情況。

(4)運行管理智慧化要求高。作為上海市中心城區(qū)規(guī)模最大的全地下污水廠，同時也將要打造成“環(huán)境友好型”的花園式污水廠。本工程的運行環(huán)境、運行安全、自動化控制管理要求更高，需要引入先進技術(shù)手段，打造標準化、科學化、精細化的智慧污水廠。

基于上述難點及挑戰(zhàn)，本工程對超大規(guī)模地下式污水廠開展了設(shè)計、建設(shè)及運維全方位的BIM應用。

3 BIM技術(shù)應用框架

本工程在項目開展初期充分考慮本工程的建設(shè)難點，展開全生命周期BIM技術(shù)應用策劃，并把未來高質(zhì)高效的運行也納入考慮。本工程BIM應用總體架構(gòu)如圖3。

架構(gòu)的底層為打通全生命周期數(shù)據(jù)接口，形成三維數(shù)字化應用標準體系。統(tǒng)一的應用標準的建立，將規(guī)范本工程全生命周期應用，有利于解決本工程管理過程中“信息孤島”、“多方協(xié)同”的難題，突破工程信息化管理的瓶頸。

架構(gòu)的頂層為結(jié)合多種創(chuàng)新技術(shù)，形成面向智慧化運維需求的數(shù)據(jù)儲備。必須要結(jié)合多種創(chuàng)新技術(shù)，圍繞運維需求進行三維數(shù)字化數(shù)據(jù)的重構(gòu)，保證數(shù)據(jù)能被有效應用至運維階段，為智慧化運維提供技術(shù)支撐和決策支持。

4 設(shè)計階段BIM技術(shù)應用

地下式污水廠的特點是采用高度集約化布局形式，泰和廠的絕大部分功能單元都集成在約349m×350m的地下整體構(gòu)筑物內(nèi)，如圖4所示。各功能單元的功能構(gòu)造和結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件共壁共用，同時又與銜接各功能單元之間的渠道和管道的布局相互影響制約，各功能單元和各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計非常復雜，因此，本工程采用基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計手段，探索適用于地下式污水廠的、高效且準確的設(shè)計協(xié)同方法。

圖3 本工程BIM應用總體架構(gòu)

圖4 本工程管廊層總平面圖

4.1 快速三維設(shè)計工具應用

由于地下式污水廠集約化設(shè)計的特點，前期方案的穩(wěn)定及完善對工程后期的整合及協(xié)調(diào)效率的提升尤為重要。

本工程采用Formit軟件對多個設(shè)計方案進行設(shè)計比選，并通過插件直接導入Revit中，實現(xiàn)與其他處理單元的快速整合。通過Formit軟件還可實現(xiàn)SKP、RFA和Formit文件(AXM)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，大大減少了集約化處理設(shè)施的設(shè)計溝通成本，為設(shè)計校核優(yōu)化提供了方便易用的手段。

圖5 多個方案快速三維設(shè)計

4.2 多專業(yè)設(shè)計方案整合及展示

對于地下式污水廠設(shè)計，需結(jié)合各專業(yè)分工情況，在項目前期對各單體、各專業(yè)模型的分界面進行規(guī)定。對于排水、暖通、除臭、電氣、儀表等以管線為主體的專業(yè)，采用中心文件進行專業(yè)內(nèi)的協(xié)同，由專業(yè)負責人承擔模型整合及統(tǒng)籌調(diào)整的工作，中心文件以鏈接文件的形式匯總至整體模型中。

圖6 各專業(yè)設(shè)計模型

圖7 多專業(yè)設(shè)計方案整合 圖8 實景全景渲染展示

4.3 碰撞檢查工具應用

地下式污水廠采用集約式布置，管線眾多，錯綜復雜。本工程嘗試了Revit、Navisworks、Fuzor等多種工具進行碰撞檢查。

對于Revit自帶的碰撞工具，目前只能對默認的模型類別進行碰撞，生成的碰撞報告也相對簡單，其優(yōu)點是可以直接在設(shè)計軟件中完成檢查并直接進行修改。將各專業(yè)Revit模型導出成nwc文件，通過Navisworks中的crash detective工具可以完成全專業(yè)或單專業(yè)之間的檢查，如僅進行排水、電氣專業(yè)的檢查，還可以按照樓層進行碰撞檢查。Fuzor提供的碰撞對象跟Revit類似，生成的報告跟Navisworks類似，不僅包含圖片，還包括碰撞的相關(guān)信息，如距離、位置、對象等。

對于污水廠設(shè)計中各專業(yè)管線排布初期或?qū)I(yè)內(nèi)的碰撞，可采用Revit自帶的碰撞工具進行檢查； 待項目進入最終的管綜調(diào)整時，擬由各專業(yè)負責人進行模型整合后，在Navisworks中進行檢查并組織各專業(yè)協(xié)調(diào)討論。

圖9 管廊層管線綜合碰撞設(shè)計

圖10 管線綜合碰撞檢查

4.4 水力流態(tài)分析

傳統(tǒng)設(shè)計過程中，對于處理設(shè)施的流態(tài)情況，很難通過人工計算的方式得到準確的流態(tài)數(shù)據(jù)。本工程結(jié)合計算流體力學(CFD)的分析方法對水力流態(tài)進行分析。

以進水泵房為例，本工程以BIM模型為基礎(chǔ)，對格柵、潛水泵處等局部進行合理簡化，建立自進水井、格柵井、導流區(qū)、泵機區(qū)的三維數(shù)值計算模型，對泵房內(nèi)部流態(tài)進行模擬及分析。采用相關(guān)流態(tài)模擬軟件，模擬處理設(shè)施不同工況、不同布置方案下的水流狀態(tài)，為工藝設(shè)計參數(shù)的設(shè)定提供一定的理論依據(jù)。通過計算結(jié)果，最終選擇水流更平穩(wěn)，波動較小，基本無較大渦流、水翅，水泵吸水口流量分布更為均勻的方案作為設(shè)計方案。

圖11 水力流態(tài)模擬

4.5 氣流組織模擬分析

因地下式污水廠的封閉性及特殊性，目前尚無針對地下式污水廠制定的通風設(shè)計標準，大部分地下式污水廠通風設(shè)計具有較大余量，造成一定的建設(shè)投資浪費和不必要的能源浪費。

為得到對地下式污水廠氣流組織情況的準確認知，本工程結(jié)合計算流體力學(CFD)的分析方法對單根風管均勻性、各通風系統(tǒng)均勻性、大空間氣流組織等進行了精細化的分析。

以大空間氣流組織分析為例，本工程對機械進機械排/自然進機械排、兩邊進中間排/中間進兩邊排等不同模式進行對比驗證，最終確定處理效果最優(yōu)的模式三作為本工程的通風模式。同時，以CFD仿真結(jié)果為依據(jù)，本工程最終也優(yōu)化了將近30%的風管長度。通過BIM技術(shù)結(jié)合CFD的分析探索，可為形成相關(guān)標準作技術(shù)儲備。

圖12 本工程的通風模式比選

5 施工階段BIM技術(shù)應用

5.1 超大基坑受力分析

本工程依托BIM技術(shù)手段，在Robot軟件中進行基坑總體設(shè)計方案選型、基坑內(nèi)部支撐體系、逆筑法施工取土孔優(yōu)化布置等受力分析，并進行復雜蓋挖逆作法施工過程的精細化模擬，并形成軟土地區(qū)無梁板換撐條件下全地下污水處理廠超大平面深基坑總體設(shè)計及施工方案。本工程頂板取土孔面積達4萬m2，控制基坑變形在1.4‰以內(nèi)，節(jié)約近40%的地墻、槽壁加固、支撐花費，與順作法相比減少近20%的施工工期。

圖14 一體化基坑施工次序模擬

5.2 基于BIM建設(shè)管理平臺的有限空間作業(yè)管理

本工程采用蓋挖逆作一體化箱體施工方法，為保證后期設(shè)備運輸、吊裝及安裝工作，需預留后澆洞口。

本工程在Revit當中進行預留洞口的設(shè)計及編碼后，利用清單工具進行統(tǒng)計，施工過程中一體化箱體頂板預留洞口約30多個，中板預留洞口約50多個，給施工現(xiàn)場帶來狹小空間施工作業(yè)安全隱患。因此，本工程也利用BIM技術(shù)加強施工現(xiàn)場交叉及穿插作業(yè)管控。

圖15 一體化箱體預留洞口統(tǒng)計

對于大型設(shè)備，本工程提前利用BIM模型進行運輸安裝模擬，對施工路徑進行精確預演和協(xié)調(diào)。同時，結(jié)合地下式污水廠的特點及建設(shè)管理需求，采用自主研發(fā)的基于BIM的建設(shè)管理平臺進行施工全過程的管理，并創(chuàng)新性地開發(fā)有限空間安全管理模塊[8]，實現(xiàn)預留洞口的安全責任人、使用狀態(tài)及使用人員的統(tǒng)計，并通過線上信息化審批流程實現(xiàn)有限空間作業(yè)人員和作業(yè)區(qū)域的有效管理。

圖16 有限空間安全管理模塊

6 全地下污水廠BIM+智慧化應用

將設(shè)計、建設(shè)積累的BIM數(shù)據(jù)及實時運行的全廠多源異構(gòu)數(shù)據(jù)綜合匯聚集成，能真正使數(shù)據(jù)產(chǎn)生價值[9-10]。借助先進的GIS、圖形引擎技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，充分發(fā)掘多種BIM+智慧化應用，能有效提升泰和污水處理廠的精細化水平。

6.1 BIM+SCADA生產(chǎn)實時監(jiān)視

本工程對運維階段數(shù)據(jù)應用的需求開展了調(diào)研，對數(shù)據(jù)進行解析、提取、優(yōu)化、重構(gòu)的技術(shù)進行了研究，使BIM數(shù)據(jù)能便捷地應用在運維階段。

在BIM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，結(jié)合污水廠自控SCADA系統(tǒng)，將設(shè)計、建設(shè)以及實時運行多維數(shù)據(jù)綜合整理匯聚，并通過圖形顯示引擎和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，便捷直觀地將各項數(shù)據(jù)按需展示給運維管理人員，并以此為基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)各項運維管理工作的信息化，實現(xiàn)廠區(qū)“一圖統(tǒng)觀，一網(wǎng)統(tǒng)管”智慧化管理。

圖17 基于BIM的生產(chǎn)實時監(jiān)視系統(tǒng)

6.2 BIM+UWB環(huán)控及安全管理

本工程全生命周期的BIM數(shù)據(jù)積累，為打造一座“數(shù)字孿生”概念的智慧工廠提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖18 基于BIM的環(huán)控及安全管理系統(tǒng)

本工程引入UWB室內(nèi)定位技術(shù)，以BIM數(shù)據(jù)及輕量化引擎為基礎(chǔ)，實現(xiàn)廠區(qū)人員身份確認、位置定位、軌跡回放、照明聯(lián)動控制。通過手持智慧終端實現(xiàn)廠區(qū)人員安全權(quán)限管理、導航參觀人員位置定位、工單路線導航、逃生出口導航、緊急一鍵撤離導航等智慧化功能。

7 總結(jié)與展望

面對超大規(guī)模全地下式污水廠建設(shè)及運維的技術(shù)挑戰(zhàn)，本工程借助BIM技術(shù)，緊密圍繞著“BIM+智慧化”助力水務工程綠色發(fā)展和工程全生命周期精細化管理的先進理念，開展了超大規(guī)模地下式污水廠BIM技術(shù)應用探索。在BIM技術(shù)的助力下，采用BIM技術(shù)進行高精度的性能模擬分析，為本工程提供了高效的、精準的、可量化的決策依據(jù)，充分體現(xiàn)設(shè)計階段BIM技術(shù)不可替代的應用價值。在建設(shè)階段積累的豐富BIM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將BIM技術(shù)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、先進傳感器等新興技術(shù)相融合，形成了運維階段的多種智慧化應用，促成了全地下污水廠新型智慧化運維管理模式的誕生，也為本工程運維水平進一步的智慧化提升奠定了良好基礎(chǔ)。