李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程BIM技術應用

文｜中國市政工程華北設計研究總院有限公司 馬文新 李旭 杜愷忻 曹雪梅 仝冰潔 胡江濤

1 工程概況

李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程位于青島市市北區環灣大道與規劃長沙路交口，緊鄰現狀李村河污水處理廠南側，廠區用地面積48835.40m2，建筑面積14904.90m2。本工程提標規模25 萬m3/d，近期擴建規模5 萬m3/d，建設完成后總規模30 萬m3/d，污水處理廠出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級A 標準及省控重點河流斷面水質目標要求，是目前青島市處理規模最大、出水標準最高的污水處理廠。

按照城鎮污水處理廠環境集約友好型要求，青島市李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程采用半地下建設方式，地下空間利用深度達到15 米，污水處理主要工藝設施集中在地下箱體內，處理單元集約化程度高，較同規模城鎮污水處理廠節約城市用地36%以上。同時，地下箱體封閉性強，采用先進的生物除臭系統，實現生物凈化技術和空間除臭技術相結合，箱體頂部和各出入口采用立體式景觀綠化覆蓋，進一步提高了污水處理廠環境集約友好程度。

本工程采用高速氣浮、臭氧氧化、MBR 膜處理、板框脫水等國內一流的污水污泥處理技術，出水過濾精度0.1 微米以上，污泥產量降低40%以上，產生的高品質再生水利用率達到100%，并與李村河河道形成廠網河一體化生態補水模式。

2019年12月30日，青島市李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程已建成投入運行，出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級A 標準及省控重點河流斷面水質目標要求。

2 BIM 技術應用

2.1 應用目標

李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程包括三部分：一是將李村河污水處理廠原排水口由排入膠州灣調整至李村河河道的改造工程，二是將污水處理廠原城鎮污水處理廠的出水指標提標至地表IV 類水標準的提標工程，三是增加5 萬噸/日污水處理規模的擴容工程。提標及擴容工程規模大，建構筑物數量多而且結構復雜，總平面布置空間緊湊、管線錯綜復雜，任何一處設計紕漏都可能造成后續施工困難；改造工程系統復雜，隱蔽性強，不確定因素及外部干擾因素多，容易發生事故。為順利完成本工程，我們在設計階段引入BIM 技術，借助三維設計手段來解決設計上遇到的難題，提高工程設計及施工質量，更好地開展該工程的項目管理，達到環境友好、社會和諧、功能齊全、綠色高效的水廠的設計階段目標。另外由于本工程主要工藝設施集中在地下箱體內，增加了污水廠日常運維管理難度，為解決這一難題，我們利用BIM 的天然特性及BIM 技術三維體驗、視覺化管理、信息集成交互三方面的優勢，將數據指標與三維場景融合，建設BIM 可視化運維管理平臺，提升運維管理效率，降低運維成本，將本工程打造為全國“智慧污水廠”的典范。

2.2 軟硬件環境

在 BIM 實施過程中項目使用了 Bentley OBD、Bentley OPM、Navigator、ArchiCAD 等工具類軟件，并采用了Project Wise、 Unity 平臺類軟件，配套使用了網絡服務器、固定工作站等硬件設備。

2.3 模擬仿真及智能設計

2.3.1 基于BIM 模型的碰撞檢查及圖紙輸出

BIM 模型是對整個設計的一次“預演”，建模的過程同時也是一次全面的“三維校審” 過程。 在此過程中可發現大量隱藏在設計中與專業配合緊密相關的問題,或者屬于空間高度上的沖突，在傳統的單專業校審過程中很難被發現。通過BIM 技術提供的碰撞檢查功能，可直觀地發現圖紙中的錯、漏、碰、缺與專業間的沖突。從而預檢施工過程中可能出現的問題，提前解決，避免工期延誤或返工。

對于李村河污水處理廠復雜的設計而言，將復雜的三維模型組織為二維輸出，并為此建立了多套視圖樣板,形成了多套出圖體系，提升出圖效率，對電子圖紙的分類匯總，可以迅速查詢到打印所需的圖紙，實現了電子文檔與圖紙檔案并存的高效管理模式。另外二維圖紙可與模型實時聯動，更改模型則圖紙可自動更新，保證各專業BIM 模型與二維施工圖一致，無需設計人員逐一進行手動更改，減少因設計變更而引起的工作量，同時降低圖紙出現錯漏的概率。

圖1 BIM 模型生成圖紙

圖2 模型碰撞檢查

2.3.2 基于BIM 模型的材料統計

本工程工藝復雜，建筑單體相對較多，設備及材料的種類和數量繁多，如果僅依靠人工統計設備和材料的工程量，難免會出現錯漏統計。由于BIM 模型包含構件的所有信息資料，因此在BIM 模型建立過程中，對構件材質進行準確定義，在模型建立完善之后，可快速生成工程量明細表，提升算量效率，為施工成本管理提供數據支持。

同時，材料清單列表內容與模型實時聯動，在出現設計變動的情況下，更改BIM 模型結構或者某些構件材質，材料清單中的材料統計量及工程量都會隨著模型的變更而變動，操作便捷的同時還能夠保證算量統計的準確性。

2.3.3 三維虛擬漫游

通過三維虛擬漫游，可以檢查管道的空間布局與設備位置是否合理，為施工階段的設備安裝提供了空間保障。

圖3 原模型和原清單

圖4 改動后的模型和清單

圖5 虛擬漫游效果圖

2.4 基于BIM 技術的可視化運維管理

李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程BIM可視化運維管理平臺的建設，主要以實現數字化運維管理為目標，通過運用BIM、大數據、物聯網等信息化技術，打造“智慧污水廠”運維管理平臺。本平臺包含的功能模塊如圖6所示：

李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程BIM可視化運維管理平臺目前已開發完成的功能模塊包括首頁、綜合總覽、設備管線及后臺管理中的一些相關模塊，其他功能模塊正在開發進行中，已完成的各模塊的主要功能如下：

2.4.1 首頁

該頁面主要對污水處理廠概況、工藝流程簡介、運行指標、電耗統計圖、進水水質指標、出水水質指標及整個污水處理廠整體外景全貌進行展示。

2.4.2 綜合總覽

本模塊用于顯示全廠的三維場景，包含廠區總覽和工藝流程兩項子功能，在廠區功能下可以查看指定建構筑物的土建信息。

圖6 功能模塊清單示意圖

圖7 首頁界面

圖8 綜合總覽-廠區總覽界面

圖9 綜合總覽-廠區總覽-構筑物土建信息界面

圖11 設備管線-管線詳情界面

選擇綜合總覽后會默認進入旗下第一個功能“廠區總覽”頁面。

該功能頁面為一個三維交互展示頁面，為整個李村河污水處理廠提供全廠總覽式的三維可視化視圖。

2.4.3 設備管線

本模塊用于展示建構筑物內的設備、管線模型以及對應的相關信息。通過點擊左側的區域可以進入到該區域的內部場景，顯示建筑內部包含構筑物和設備。進入指定區域的場景后，用戶可以通過點擊左側設備管線清單上的按鈕選擇查看設備或者查看管線（兩者為互斥關系，不能混合查看）。

在“查看設備”功能界面下，當在三維內景中選中某生產工藝設備時或者從左側的設備列表選中指定設備時，三維中被選中設備邊緣會高亮提示，并在設備上顯示出該設備的名稱標簽，同時會在右側顯示出該設備“信息窗口”用于顯示對應的設備信息。另外在該功能界面下，支持設備定位檢索及設備信息編輯等操作。

在“查看管線”功能界面下，當在三維內景中選中某管道時或者從左側的設備列表中指定管道時，三維模型中被選中管道邊緣會高亮提示，并顯示出該管道的名稱標簽，同時會在右側顯示出該管線“信息窗口”用于顯示對應的管線基礎信息，包括：類型、管徑、長度、材質。另外在該功能界面下，支持管道定位檢索的操作。

2.4.4 后臺管理

后臺管理模塊為整個平臺提供數據錄入、維護管理界面，并可支持對大屏可視化呈現指標的修改編輯。

后臺管理模塊目前已完成設備管理、土建管理、資產管理、數據維護及系統管理五個子模塊的開發，各子模塊的主要功能如下：

（1）設備管理

該模塊為日常執行和操作人員提供設備臺賬功能，并為系統管理員提供設備位置、設備類型、設備型號的配置管理功能以及設備資料的上傳管理功能。

設備臺賬管理：主要為日常執行和操作人員提供新建、查詢和維護設備數字化檔案功能，以便將所有投產生產設備進行數字化管理。

設備位置管理：主要為系統管理員提供設備位置的配置管理功能，管理員可對設備位置進行新增、編輯和刪除管理，以實現系統數據標準化。

圖12 設備臺賬管理界面

圖13 設備位置管理界面

圖14 設備型號管理界面

設備類型管理：主要為系統管理員提供有關設備類型的配置管理功能，管理員可自行配置管理設備類型，以實現系統數據標準化。

設備型號管理：主要為系統管理員提供設備型號的配置管理功能，管理員可自行定義某個設備型號所屬的設備類型，并設置對應的設備參數，從而實現批量管理設備型號及對應參數的目的，以實現系統數據標準化。

設備資料管理：主要為系統管理員提供以設備型號為索引的設備資料上傳及管理功能。

（2）土建管理

該模塊為資產管理人員提供整個水廠的土建信息錄入和管理功能。

（3）資產管理

該模塊為資產管理人員提供資產臺賬的數據錄入和管理功能，并為系統管理員提供資產類型、資產位置的系統數據配置管理功能。

（4）數據維護

該模塊為日常執行和操作人員提供面向全廠總覽指標頁的數據錄入維護功能以及系統標題名稱維護功能。

（5）系統管理

系統管理模塊主要為系統管理員提供與用戶及權限管理相關的功能，方便系統管理員對用戶、角色及權限進行管理。

圖15 設備資料管理界面

圖16 資產臺賬管理界面

圖17 資產類型管理界面

圖18 資產位置管理界面

3 應用效果

本工程進行面向市政基礎設施全生命期的BIM 集成與應用管理實踐,以李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程為示范,將BIM 技術應用于李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程的建設與運維。通過BIM 技術的應用,在李村河污水處理廠建設過程中,減少了社會資源浪費,降低了環境污染程度,促進了市政行業向智慧建造方向的邁進。通過BIM 技術、物聯網、大數據等技術的應用，實現了水廠的智慧運維，提高了運維管理水平，降低了運維成本。

4 結語

在“新基建”及國家“十四五規劃”的背景下，BIM 、GIS、物聯網、5G、云計算等新一代信息化技術的應用,必將推動市政行業向智慧建造、智慧運維方向的轉型發展。李村河污水處理廠作為目前青島市處理規模最大、出水標準最高的污水處理廠，通過在建設和運維過程中應用BIM、物聯網、大數據等新一代信息化技術，實現了“環境友好、社會和諧、功能齊全、綠色高效”的生態水廠建設理念,做到了讓水廠的運行變得高度智能、安全、高效和透明，并使其成為青島市智慧城市的一部分。