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(shè)模式逐步從傳統(tǒng)地上分散式，轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵路忾]式。地下式污水處理廠主要分布在在國內(nèi)一二線城市或沿海經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域。具不完全統(tǒng)計，截止至2018年，國內(nèi)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。BIM技術(shù)目前在市政工程領(lǐng)域，特別是污水處理廠建設(shè)領(lǐng)域，應(yīng)用案例較少。張呂偉等介紹了采用REVIT軟件進行給排水工程協(xié)同建模方式的探索。李明奎在槐房再生水廠工程中進行了一系列的關(guān)于BIM技術(shù)的課題研究，通過BIM技術(shù)進行場地分析、采光分析、疏散分析、除臭分析、施工模擬等應(yīng)用，實現(xiàn)了地下再生水廠工程的BIM技術(shù)全過程應(yīng)用。但目前還未有一座地下式污水處理廠采用BIM技術(shù)進行深入應(yīng)用的報道。因此，本文從某新建地下污水廠的建設(shè)過程出發(fā)，闡述在項目建設(shè)過程中BIM技術(shù)的應(yīng)用模式和應(yīng)用價值。
一、地下污水廠建設(shè)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(diào)蓄池。污水廠采用“AAO+深度處理”工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行國家一級A標準。結(jié)構(gòu)形式采用全地下式一體化箱體結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計，整體尺寸為350m×350m，共分為兩層，下層為構(gòu)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(fù)雜：本污水廠作為全地下式設(shè)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(nèi)，在設(shè)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(shè)計，導(dǎo)致在地下空間中的各類工藝管線、風管和電氣管線錯綜復(fù)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(shè)備安裝維修要求，又要盡可能減小管線層高度，降低結(jié)構(gòu)層高，繼而減小基坑開挖深度和施工難度，節(jié)省投資。
(3)設(shè)備種類和數(shù)量多，管理難度大：本污水廠設(shè)備種類繁多，大型設(shè)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(shè)備的采購、發(fā)貨、驗收、資料整理、安裝調(diào)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(jù)的管理和流程的管控。
(4)安全管理要求高：為方便污水廠設(shè)備進場和吊裝，頂板和中板上預(yù)留了50多個設(shè)備吊裝孔洞，由于設(shè)備安裝時間比較集中，需要對各單位使用洞口的時間和權(quán)限進行協(xié)調(diào)，管理難度較大。雖然項目建設(shè)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(yīng)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(diào)難度非常大。
(5)通水調(diào)試難度大：作為集約化設(shè)計的非常規(guī)工藝污水處理廠，通水調(diào)試的方案設(shè)計和理解對調(diào)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(diào)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(shè)計的調(diào)試方案需要借助其他的手段來協(xié)助方案的說明和論證。
二、BIM技術(shù)應(yīng)用策劃
圍繞地下污水廠建設(shè)的難點，針對項目需要進行BIM技術(shù)應(yīng)用的策劃，用于指導(dǎo)建設(shè)過程的BIM應(yīng)用開展，見表1。
三、BIM技術(shù)應(yīng)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(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求高，施工步序復(fù)雜且嚴格。
根據(jù)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(yù)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(yù)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(jié)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(shè)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。
3.2 管線深化設(shè)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(shè)計層高僅6.5m，層內(nèi)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(gòu)筑物層，所有主要工藝管道都布置在相鄰構(gòu)筑物間約3m寬的狹窄管廊內(nèi)，最大工藝管道管徑超DN1500，最大除臭風管尺寸超2000mm×1500mm。管線設(shè)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(shè)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(diào)避讓，對閥門等操作手柄不合理的對象進行方向調(diào)整，對需要結(jié)構(gòu)上預(yù)留孔洞的位置和尺寸進行復(fù)核，通過協(xié)調(diào)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(shè)計的優(yōu)化修改將剩余的問題全部解決。
為方便設(shè)計和施工人員對存在問題進行討論，還可以通過VR設(shè)備、觸摸大屏等手段，讓相關(guān)人員快速查看管線設(shè)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(shè)計。
3.3 設(shè)備管理系統(tǒng)
地下污水廠設(shè)備眾多，而且專用的特殊大型設(shè)備占的比例較高，項目建成后設(shè)備管理對污水廠運行具有重要的作用，因此在建設(shè)階段設(shè)備資料的整理和數(shù)據(jù)采集具有重要的價值。
在施工階段，項目要求所有標段設(shè)備供應(yīng)商必須提交設(shè)備BIM構(gòu)件，以及布置好設(shè)備構(gòu)件的構(gòu)筑物BIM模型文件，并要求在模型中填寫完整的設(shè)備編號等信息。通過BIM輕量化技術(shù)處理后，可以通過網(wǎng)頁瀏覽器查看設(shè)備模型，如圖4所示。實現(xiàn)污水廠竣工后設(shè)備模型和信息的數(shù)字化交付。
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(shè)備管理系統(tǒng)，包括產(chǎn)品資料庫、采購計劃、安裝計劃、設(shè)備管理臺帳等多個模塊，將所有廠內(nèi)設(shè)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(jù)錄入，實現(xiàn)隨時掌握設(shè)備安裝進度的要求。同時，所有采購設(shè)備的編號和BIM模型的設(shè)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(shè)備的統(tǒng)一報表，方便建設(shè)過程的管理查詢。
3.4 安全管理系統(tǒng)
根據(jù)本項目建設(shè)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(chǔ)，開發(fā)洞口安全管理系統(tǒng)，以對建設(shè)過程中的吊裝預(yù)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(yù)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(quán)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(shè)管理效率。
3.5 通水調(diào)試方案模擬
地下污水廠采用的結(jié)構(gòu)是一體化箱體結(jié)構(gòu)，工藝進出水方式和常規(guī)污水廠差別較大，在項目進入調(diào)試階段時，基于二維設(shè)計圖的進水調(diào)試方案匯報時，遇到了較大的困難。因此，建設(shè)單位要求利用BIM模型進行調(diào)試方案的模擬演示，以方便調(diào)試過程和以后投入運行后對操作人員的指導(dǎo)。
利用BIM模型導(dǎo)入unity3D中，根據(jù)通水調(diào)試方案的文本，利用動畫模擬水流通過管道、箱涵和構(gòu)筑物內(nèi)的全過程，展現(xiàn)通水過程各種設(shè)備和閥門的開啟順序，以及構(gòu)筑物內(nèi)的水位變化情況。如污水廠中的調(diào)蓄池，由于運行工藝較為復(fù)雜，在清水調(diào)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(diào)蓄池，作為后續(xù)污水廠調(diào)試的源水。
(2)打開底部閘門，清水通過第一組調(diào)蓄池流入調(diào)蓄池泵房底部。
(3)打開第二組調(diào)蓄池底部閘門，清水從底部空腔流入到第二組調(diào)蓄池并注滿。
(4)調(diào)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(cè)出水閘門，水自流從左側(cè)渠道出水。
(6)調(diào)蓄池上部清水出水完畢后，關(guān)閉泵房上部所有閘門。
(7)打開調(diào)蓄池下部閘門，清水流入泵房底部空間。
(8)開啟調(diào)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(diào)蓄池打開泵房上部左側(cè)出水閘門，水自流從左側(cè)渠道出水。
通過對調(diào)試方案的步序分解，將調(diào)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(diào)試方案的具體過程，對今后投入正式運行后的運行工況調(diào)整也具有重要的意義。
四、結(jié)語
針對地下式污水處理廠的建設(shè)難點和復(fù)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(yīng)用目標和方案，推進BIM技術(shù)在建設(shè)中的落地應(yīng)用。地下式污水處理廠作為污水處理廠工程中結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)最為復(fù)雜的類型，BIM技術(shù)在其建設(shè)過程中具有重要的應(yīng)用價值和意義。( >
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