BIM技術(shù)在水廠改擴(kuò)建工程中的研究與應(yīng)用

鐘亞麗

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

建筑信息模型(BIM)是繼計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)后出現(xiàn)的建設(shè)領(lǐng)域又一重要的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，通過建立數(shù)字智能化模型對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維等過程進(jìn)行優(yōu)化管理，為運(yùn)營維護(hù)管理提供全模型數(shù)據(jù)倉庫與工程資產(chǎn)全信息管理，BIM技術(shù)和理念將成為未來整個(gè)建設(shè)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向[1- 2]。將BIM技術(shù)應(yīng)用到工程建設(shè)全過程中，能夠有效解決水廠改擴(kuò)建類項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計(jì)專業(yè)多、建設(shè)各階段銜接不暢、協(xié)同管理困難等問題。

隨著市政工程建設(shè)行業(yè)的迅速發(fā)展，大型公共項(xiàng)目具有周期長、成本高、管理難度大等特點(diǎn)，針對(duì)項(xiàng)目的特點(diǎn)引入BIM理念與技術(shù)，從傳統(tǒng)二維轉(zhuǎn)向以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的三維協(xié)同管理模式，通過BIM理念和技術(shù)為市政工程建設(shè)和管理提高效率[3- 4]。2016年9月，在上海市人民政府印發(fā)的文件《上海市推進(jìn)智慧城市建設(shè)“十三五”規(guī)劃》(滬府發(fā)〔2016〕80號(hào))中，要求進(jìn)一步提升城市水務(wù)、電力、環(huán)保、安全監(jiān)管等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域城市精細(xì)化水平?！爸腔鬯畯S”這一概念已不再陌生，即以應(yīng)用新一代信息技術(shù)為手段，結(jié)合監(jiān)測和感知設(shè)備并采用可視化的方式整合信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)、調(diào)度和服務(wù)等全方位、全過程各環(huán)節(jié)高度信息互通、反應(yīng)快捷、管理有序的高效節(jié)能型水廠[5- 6]。應(yīng)用BIM技術(shù)提高項(xiàng)目建設(shè)和管理過程中的智慧化和精細(xì)化已成為當(dāng)前建設(shè)工程行業(yè)研究及應(yīng)用的熱點(diǎn)話題[7]。在水利工程中，郭光智等分析了BIM技術(shù)在水利建設(shè)中的應(yīng)用以及發(fā)展前景[8- 9]，陳文亮等分析了BIM技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用及發(fā)展前景[10- 11]。以上研究為BIM技術(shù)在水廠改擴(kuò)建中的研究奠定了良好的基礎(chǔ)，也為水廠改擴(kuò)建工程提供新的思路。

文章以BIM技術(shù)在南匯南水廠深處理改造工程中的研究與應(yīng)用為例，利用數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)，將BIM理念和技術(shù)運(yùn)用在方案與設(shè)計(jì)、施工階段，也為之后的數(shù)字化運(yùn)維提供信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[12- 13]，結(jié)合項(xiàng)目的工程內(nèi)容多、涉及專業(yè)多、地下設(shè)施多、工程實(shí)施周期緊以及重點(diǎn)工程影響大等特點(diǎn)和Bentley軟件的特長，制訂了以一套以三維協(xié)同為基礎(chǔ)、模型構(gòu)架為先導(dǎo)、階段應(yīng)用為目的的項(xiàng)目BIM整體解決方案，如圖1所示。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

南匯南水廠位于浦東新區(qū)惠南鎮(zhèn)，分兩期建成，現(xiàn)狀供水規(guī)模為44萬m3/d，包括原惠南水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模24萬m3/d，南水廠一期設(shè)計(jì)供水規(guī)模20萬m3/d。水廠以清草沙水庫來水為原水，采用“混凝—沉淀—過濾”常規(guī)處理凈水工藝，工藝流程圖如圖2所示。

本次深度處理工程中，現(xiàn)狀常規(guī)處理構(gòu)筑物基本保留，工程內(nèi)容包括新建一座預(yù)臭氧接觸池、一座中間提升泵房及后臭氧接觸池、一座活性炭濾池、一座反沖洗泵房及臭氧發(fā)生器車間、一座回收水池、一座液氧站以及對(duì)南水廠一期現(xiàn)狀20萬m3/d砂濾池出水總渠、鼓風(fēng)機(jī)房及現(xiàn)狀加氯加氨間局部改造。

圖1 BIM整體解決方案

圖2 南匯南水廠工藝流程圖

1.2 項(xiàng)目重點(diǎn)和難點(diǎn)

南匯南水廠在項(xiàng)目實(shí)施期間，在專業(yè)多、管網(wǎng)密度大、工期要求緊的情況下，需保持正常生產(chǎn)運(yùn)行，給項(xiàng)目的施工帶來了較大難度，其主要表現(xiàn)見表1，正是BIM技術(shù)的應(yīng)用，給項(xiàng)目的建設(shè)提供了解決思路。

表1 項(xiàng)目重點(diǎn)難點(diǎn)

1.3 項(xiàng)目應(yīng)用目標(biāo)

BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用需要充分利用BIM三維設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，解決多專業(yè)協(xié)同問題、減少錯(cuò)漏碰缺，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)技術(shù)交底，為各方及時(shí)探討方案提供支持；BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用需要利用BIM精細(xì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)技術(shù)交底，模擬技術(shù)處理方案、重大危險(xiǎn)源和變形監(jiān)測技術(shù)，為施工質(zhì)量、進(jìn)度和安全保駕護(hù)航；BIM技術(shù)在交付階段的應(yīng)用需要提交水廠BIM三維信息模型，作為減少單位運(yùn)維管理重要數(shù)字資產(chǎn)，在智能化管理和智慧化運(yùn)維中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用。

2 應(yīng)用結(jié)果與效果

2.1 方案與設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用結(jié)果與效果

水廠改擴(kuò)建工程在方案設(shè)與設(shè)計(jì)階段是BIM應(yīng)用的開始，通過多源模型的融合、新建單體工藝細(xì)節(jié)展示與可視化交底技術(shù)等功能，可以更加直觀、形象化地展示設(shè)計(jì)理念。結(jié)合全過程的三維協(xié)同設(shè)計(jì)理念，統(tǒng)籌規(guī)劃將場平進(jìn)行合理的布置，運(yùn)用BIM技術(shù)在很大程度上減少圖紙會(huì)審工作量，提高在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.1.1三維協(xié)同設(shè)計(jì)

協(xié)同設(shè)計(jì)是BIM技術(shù)在方案與設(shè)計(jì)階段較為突顯的優(yōu)點(diǎn)之一，南匯南水廠設(shè)計(jì)包含地質(zhì)、基坑、建筑、結(jié)構(gòu)、工藝、電氣等多個(gè)專業(yè)，該項(xiàng)目基于ProjectWise協(xié)同管理平臺(tái)，將項(xiàng)目專業(yè)劃分目錄，根據(jù)不同專業(yè)目錄賦予設(shè)計(jì)人員獨(dú)立的權(quán)限，可以有效地保證自己的工作內(nèi)容不被任意修改，當(dāng)其他專業(yè)模型發(fā)生變更時(shí)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的變更。通過不同專業(yè)的模型整合，可以對(duì)單體建筑物平面布置合理性、完整性進(jìn)行檢查，最終形成固化模型，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全過程、全專業(yè)、三維協(xié)同設(shè)計(jì)，提升信息共享的及時(shí)性、有效性和準(zhǔn)確性，全面提升設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1.2統(tǒng)籌規(guī)劃合理平面布置

南匯南水廠項(xiàng)目利用BIM技術(shù)構(gòu)建方案模型，可以從空間、景觀、投資等多方面進(jìn)行有效的對(duì)比分析，選擇合適的場地環(huán)境。結(jié)合勘測數(shù)據(jù)建立地質(zhì)模型，根據(jù)模型分析，為廠區(qū)既有管線進(jìn)行精準(zhǔn)定位，為新建管線、道路及綠化設(shè)計(jì)等提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，基于BIM技術(shù)，借助模型，完成平面布置的整體規(guī)劃。

2.1.3圖紙會(huì)審與碰撞檢查減少返工，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

水廠工程設(shè)計(jì)涵蓋工藝、結(jié)構(gòu)、建筑、管線、電氣、地質(zhì)、基坑等多個(gè)專業(yè)，在二維平面圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中，常常會(huì)出現(xiàn)專業(yè)之間和專業(yè)內(nèi)部的碰撞問題，如管線與管線的碰撞，管線與梁柱的碰撞等。在三維立體空間中，利用BIM技術(shù)的多專業(yè)協(xié)同優(yōu)勢(shì)可以最大程度地發(fā)現(xiàn)圖紙中的“錯(cuò)、漏、碰、缺”等問題，有效解決了二維圖紙由于溝通不當(dāng)而造成的返工、工程浪費(fèi)等問題，也可以有效解決結(jié)構(gòu)預(yù)留孔定位和規(guī)格大小復(fù)核等問題，避免結(jié)構(gòu)專業(yè)和工藝專業(yè)預(yù)留孔設(shè)計(jì)矛盾，在很大程度上提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。當(dāng)BIM模型深化到一定程度后，可以準(zhǔn)確地獲取模型信息，結(jié)合細(xì)節(jié)及時(shí)對(duì)圖紙進(jìn)行變更，有效減少設(shè)計(jì)變更問題，在很大程度上減輕了圖紙會(huì)審的工作量[14]，縮短了圖紙審核時(shí)間。

2.1.4BIM模型創(chuàng)建

BIM技術(shù)應(yīng)用于水廠項(xiàng)目要密切關(guān)注其整體布局和工藝流程分析，重視廠區(qū)建(構(gòu))筑物單體的功能和工藝參數(shù)。本項(xiàng)目BIM模型創(chuàng)建包括廠區(qū)現(xiàn)狀實(shí)景模型、現(xiàn)狀及新建建(構(gòu))筑物單體、廠區(qū)道路及場平以及總圖管線模型等，并將上述模型進(jìn)行總裝。

(1)多源模型融合提供數(shù)字化底圖

在項(xiàng)目開展前期，使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)南匯南水廠的現(xiàn)狀進(jìn)行航拍，整個(gè)廠區(qū)包括廠區(qū)道路、加藥間、生物接觸氧化池、排泥水處理綜合設(shè)施、清水池、濾池、調(diào)節(jié)池、沉淀池、綜合樓、泵房以及本次項(xiàng)目實(shí)施的主要區(qū)域等，通過專業(yè)軟件創(chuàng)建實(shí)景模型。通過實(shí)景現(xiàn)狀模型的建設(shè)，可以對(duì)廠區(qū)整體布局進(jìn)行清晰的展示，再將新建單體模型與實(shí)景模型相融合，可以輔助設(shè)計(jì)方案的展示、分析和比選。

(2)單體模型創(chuàng)建展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

結(jié)合水廠現(xiàn)狀常規(guī)處理工藝構(gòu)建建筑物布置，考慮工藝流程銜接順暢，深度處理工藝單元布置在南水廠一期20萬m3/d生產(chǎn)系統(tǒng)砂濾池東側(cè)的預(yù)留空地上，空地西片由南向北依次布置中間提升泵房及后臭氧接觸池，反沖洗泵房、臭氧發(fā)生器間及配電間，回收水池；空地東側(cè)布置一座活性炭濾池下疊接觸消毒池。根據(jù)廠區(qū)地質(zhì)條件，更新提升泵房及后臭氧接觸池、回用水池、活性炭濾池等主要建筑物基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)模型，在三維空間全面檢查基坑設(shè)計(jì)的合理性，提升基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)質(zhì)量。全專業(yè)BIM模型能夠有效解決水廠改擴(kuò)建類項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計(jì)專業(yè)多、協(xié)同管理困難等問題，可以通過三維剖切等方式展示工藝流程和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

(3)管網(wǎng)模型創(chuàng)建解決空間排布與距離要求

廠區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)密度較高，空間位置管線錯(cuò)綜復(fù)雜，且物探資料存在部分不明管線，在此基礎(chǔ)上須穿插布置新的工藝生產(chǎn)管線，與新建項(xiàng)目相比，設(shè)計(jì)難度大。為此充分收集地下各類管線的圖紙和物探資料，建立現(xiàn)狀管網(wǎng)三維模型，與深度處理改造工程設(shè)計(jì)管網(wǎng)模型進(jìn)行空間拼裝，檢查設(shè)計(jì)管線與現(xiàn)狀管線是否存在空間位置矛盾，調(diào)整和細(xì)化總管設(shè)計(jì)，通過凈高檢查，復(fù)核行車、導(dǎo)軌標(biāo)高與凈距離，能夠滿足大件設(shè)備吊裝要求，有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.2 施工階段的應(yīng)用結(jié)果與效果

工程質(zhì)量的影響最為直接的階段當(dāng)屬施工階段，而運(yùn)用BIM技術(shù)可以有效解決施工信息表達(dá)傳遞不及時(shí)和不明確、施工變更數(shù)量多、專業(yè)交叉作業(yè)矛盾多等問題[8]。結(jié)合BIM技術(shù)在安全、質(zhì)量、進(jìn)度等方面關(guān)鍵技術(shù)的研究，論述BIM技術(shù)為市政水廠工程帶來的綜合效益。

2.2.1基于BIM技術(shù)的施工安全管理

安全管理作為施工過程中最為關(guān)鍵的一部分，可視化安全監(jiān)測顯得尤為重要。項(xiàng)目基于BIM技術(shù)和二次開發(fā)，對(duì)南匯南水廠活性炭濾池基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)快速讀取并驅(qū)動(dòng)成三維可視化模型，直觀判斷土體變形趨勢(shì)，超警戒值高亮顯示預(yù)警，有力提升安全監(jiān)測水平。

2.2.2基于BIM技術(shù)的施工質(zhì)量管理

質(zhì)量管理在施工過程中起到非常關(guān)鍵的作用，運(yùn)用BIM技術(shù)提升工程項(xiàng)目中的質(zhì)量也顯得尤為重要。本項(xiàng)目基于BIM技術(shù)，采用工程設(shè)計(jì)施工復(fù)核技術(shù)，利用無人機(jī)航拍施工實(shí)景模型與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行疊加對(duì)比，復(fù)核現(xiàn)場是否“按圖施工”，及時(shí)提醒并確保工程施工質(zhì)量，保證設(shè)計(jì)意圖的實(shí)現(xiàn)。在處理施工現(xiàn)場問題時(shí)，由于施工測量定位偏差，導(dǎo)致活性炭濾池及接觸消毒池基坑格構(gòu)柱與接觸消毒池壁板位置沖突，可以借助BIM模型和動(dòng)畫模擬技術(shù)，有效解決沖突問題，全面提升施工質(zhì)量以及各方溝通協(xié)調(diào)效率。

2.2.3基于BIM技術(shù)的施工進(jìn)度管理

進(jìn)度管理在施工過程中也是一項(xiàng)重要內(nèi)容，項(xiàng)目結(jié)合4D模擬以及共享二維碼技術(shù)，有效管理施工進(jìn)度。通過4D動(dòng)畫模擬關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工過程，排布施工資源，輔助制定施工組織技術(shù)，從而優(yōu)化施工方案。如圖3所示，運(yùn)用共享二維碼技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)布和共享航拍、管網(wǎng)模型及施工BIM應(yīng)用等成果，方便施工各方及時(shí)掌控施工現(xiàn)場整體進(jìn)度，安排下一步施工部署，有效降低溝通成本，提升收集資料共享效率，保證施工進(jìn)度。

3 結(jié)語

BIM技術(shù)在本次水廠改擴(kuò)建中主要體現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于模型開展碰撞檢查、模型融合等應(yīng)用，有效避免設(shè)計(jì)圖面錯(cuò)誤，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置和產(chǎn)品質(zhì)量；

(2)基于設(shè)計(jì)交底模型，在施工單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，開展施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度方面的應(yīng)用，有效輔助現(xiàn)場施工管理，提升施工管理能力；

(3)通過數(shù)字資產(chǎn)的積累與收集，可以提升運(yùn)維管理信息化水平。

雖然BIM技術(shù)在水廠建設(shè)中取得了一定的成果，但在設(shè)計(jì)與施工的交互中還存在著信息交流不暢、無法共享等問題，嚴(yán)重制約了BIM技術(shù)的進(jìn)一步推進(jìn)。

圖3 共享二維碼應(yīng)用示意圖