BIM技術在污水處理廠設計中的應用進展及展望

(上海市政工程設計研究總院第十設計院，蘭州 730000)

引言

BIM(Buliding Information Modeling，即建筑信息模型)技術是以工程建設領域為對象，基于建設項目全生命周期的信息化、智能化的方法和過程。由于其具有可視化、協調性、優化性等一系列優點，已逐漸成為建設領域通用的數據表達方式。隨著BIM技術的在我國的快速發展，其應用價值已得到政府的高度關注和行業的普遍認可。

近年來，隨著城市人口日益增加，城市污水廠的規模也不斷擴大； 再者，我國環保政策日趨嚴格，也隨之出現了越來越多的復雜的污水處理工藝，導致污水廠構筑物數量日益增多，在污水處理廠提標改造過程中管線綜合、設備安裝、各專業配合等方面的難度也大大增加。針對城市污水處理廠規模大、工藝復雜、管線錯綜復雜、多專業配合難度高等問題，BIM技術為解決上述問題提供了新的思路，這勢必將成為污水處理廠設計的重要發展趨勢。

1 污水廠BIM研究現狀

1.1 國內外BIM技術發展現狀

上世紀70年代Eastman教授首先提出BIM概念，但普遍認為西方發達國家對BIM的研究與實踐是從2003年開始，目前很多建設工程項目已采用BIM技術[1]。國外學者從起初研究BIM的實施及信息表達、交付等問題，到2011-2013年逐漸將可視化、仿真模擬及優化設計等問題作為重點研究，同時BIM的工程項目管理、施工管理也是研究的焦點。

與西方發達國家相比，我國BIM應用雖然起步相對較晚，但從2011年5月住建部2011年5月頒布的《2011-2015年建筑業信息化發展綱要》以來，國內BIM關注度井噴式上漲。林佳瑞等[4]通過收集2013至2017年我國出臺的BIM相關政策，采用文本分析方法發現BIM已經由最初的推廣示范發展到與裝配式建筑、互聯網、集成化管理等融合。近幾年隨著信息技術的普及，國內外學者研究的側重點轉移到了BIM與GIS[2]、物聯網[3]、大數據等方面，這也是目前值得研究的方向。

1.2 污水廠BIM研究現狀

BIM作為一項新興的技術和理念，起初只應用于建筑等相關行業，在市政領域的應用還相對滯后。由圖1可以看出，目前的BIM研究主要集中于建筑和計算機相關行業，所占比例分別達到50.09%和29.12%，在市政等領域的研究較少。

圖1 BIM相關學術研究學科分布情況(數據來源于CNKI)Fig.1 Distribution of BIM-related academic research disciplines(data from CNKI)

由于BIM技術產生的時間不長，涉及內容和方法又非常廣泛，有必要充分了解近年來BIM在市政污水廠中的應用研究熱點及演進趨勢。張呂偉[5]最早將BIM理念應用到污水廠設計中，并采用Revit軟件利用鏈接和工作集兩種模式進行協同設計探索，取得了一定效果。張新蘭等[6]從使用者的角度分析了參數化程序設計語言(GDL)的優勢，論述了ArchiCAD軟件用戶二次開發的重要性，認為BIM技術是未來設計技術的主流方向。孫同謙等[7]采用ArchiCAD軟件對污水處理廠建模，可以減少管道碰撞等問題。楊楠等[8]認為BIM技術可以直觀體現精細化設計原則，解決施工中可能存在的問題，并提出BIM技術運用過程中需要注重設計規則的制定、協同模式及模型庫構建。徐曉宇[9]基于項目實踐總結了污水廠設計中各工流程的內容和軟件選擇，同時研究了協同設計中的工作模式。朱利民等[10]在春柳河污水處理廠的基礎上提出了一套基于Revit軟件的污水廠BIM設計工作流。徐亞男等[11]采用ArchiCAD軟件完成了污水處理廠項目的設計、建模、出圖及動畫等工作。崔恒德等[12]利用BIM可視化的特點，模擬了地下污水廠的施工工藝，對施工人員進行安全交底。

總體而言，污水廠BIM的研究主要在設計應用中，并且研究機構大多為國內大型設計院，研究方向集中在項目樣板、參數化族庫、協同設計方式、碰撞檢查、施工進度模擬、工程量統計及施工圖出圖等方面，其中建模軟件以Revit為主流，碰撞檢查軟件一般選用Navisworks，模型整合軟件選擇Infraworks，管線繪制采用鴻業管立得等。

2 BIM在污水廠設計中的技術優勢

目前，國內外污水處理廠項目的設計工作除結構分析采用三維模型外，大多數工作仍采用二維的設計模式。然而，在一些復雜的或者改造的項目中，常會遇到傳統二維圖紙無法清晰表達的問題，如地下污水廠的協同設計、濾池等復雜池體的異形結構形體、改造過程中多種管線的穿越等。同時，在項目匯報和方案展示時，通常只能采用效果圖的方式向業主展示，這既增加設計成本，又難以讓業主直觀的明白設計意圖。因此，BIM技術的出現可以很好的解決以上這些問題。

此外，基于二維CAD圖紙的設計模式，若出現修改需要反復更改圖紙，工作繁瑣、效率低下且容易出錯。污水處理廠應用BIM技術改變了傳統的二維設計方法，帶來了新的設計理念。BIM旨在建立以參數化的數字模型為基礎，采用修改完善各個模型數據的方式來完善設計工作，提高設計質量，同時信息模型的平臺也為設計方與業主和施工方搭建一個有效的溝通平臺。BIM在城市污水廠設計中的技術優勢主要體現在以下幾個方面：

圖2 構(建)筑物模型工作集圖Fig.2 The Worksets for Construction(building)model

(1)協同設計，減少管線碰撞。由于污水處理廠設計覆蓋工藝、結構、建筑、給排水、暖通、電氣等多個專業，在傳統二維設計過程中，往往由于各專業之間的溝通不到位，而出現各專業之間的碰撞問題，例如管道與梁和柱之間的碰撞，而利用BIM技術能夠在設計階段對各專業的碰撞問題及時協調解決。如圖2所示，利用Revit軟件工作集模式，可以做到多專業協同設計。在工作集中不同設計人員對圖元構件有獨立權限，此功能可以保證自己的工作內容不被任意修改，同時當不同專業發生碰撞時，及時通知圖元所有者，能有效地消除碰撞點，同時解決錯、漏、碰、缺等問題，解決了二維圖紙溝通不當造成的返工、工程浪費，以此提高設計效率。

(2)精確算量，減少成本浪費。污水處理廠單體繁多，工藝復雜，工程所需管道管件、設備多種多樣。然而，傳統二維設計需要技經專業人員統計核算工程量，內容繁瑣且不能保證計算準確。利用 BIM模型可以自動精準快速地生成工藝設備及管道附件的工程量，當方案變更時，材料表中的數量會隨模型的變化自動更新，為材料的采購、預制下料等提供更加直觀的數據顯示，使得材料供應更加方便。同時還能夠有效地輔助人工管控、材料節約，預制加工人員相對固定、材料集中管理，能夠輔助精確進行成本預測分析和成本糾差、實施成本控制，真正做到“多、快、好、省”。

(3)模擬分析，優化設計方案。利用BIM技術不僅僅局限于原有的展示、漫游、施工模擬和出圖，而且可以通過有限元分析軟件尋求水力模擬與工程設計之間的互動，通過模擬和比較來優化設計。如圖3所示，V型濾池在實踐中經常發生V型槽配水不均勻現象，利用CFD模擬比較各種進水、配水設施的水力模擬表現能夠選取最優的設計方案。

圖3 利用CFD對V型濾池水力模擬Fig.3 Hydraulic simulation of V-shaped filter using CFD

(4)可視化交底，保證施工質量。污水廠設計精度高，對各構筑物的功能尺寸設計要求高，通過BIM和虛擬現實(VR)技術將線條型的圖紙轉變為立體的三維模型展現在人們的面前，解決了二維圖紙和三維現實的脫節問題； 對于復雜節點，借助施工工序模擬、設備安裝模擬動畫和BIM模型向現場施工人員可視化交底，與施工人員及時溝通施工難點和要點，提高了互動性和反饋性，確保按圖施工、規范施工，保證施工質量。

(5)數據共享，利于施工管理。基于BIM技術的信息化、智能化管理，在施工過程中可以做到信息共享，幫助工程師更加有效地實時了解工程進度。同時，在工廠化預制加工和現場安裝的過程中，通過BIM技術的運用對預制加工廠集中化進行文明施工與安全管理，使得安裝工序更加程序化、標準化，真正做到工程施工可視化智能管理。再者，基于BIM進行施工現場管理，借助模型，輔助完成現場平面布置的整體規劃，包括：用地規模及范圍、門衛設置、現場機械布置、臨時設施布置、材料運輸管理等。

3 BIM在污水廠設計中存在的問題

雖然BIM技術的應用價值顯而易見，并且在污水處理廠設計應用中取得了一定成果，但是仍存在以下問題：

(1)構件庫不完善，參數化程度低。BIM最初應用于建筑領域，建筑結構專業的構件庫相對完善，但是在污水廠中的工藝設備構件仍十分匱乏，需要設計人員花費大量的時間豐富設備構件庫，如圖4所示。此外，不同企業建立的構件庫不具共享性，并且沒有統一的標準，建模水平參差不齊，缺乏參數化、標準化。因此，亟需建立一套完善的污水廠設備構件庫建模標準，實現行業間的數據互通和共享。

圖4 污水處理廠部分設備族Fig.4 Some equipment families for the sewage treatment plant

(2)模型二次利用性差，出圖效率低。各污水廠處理能力和工藝各不相同，構筑物的尺寸也不同，建成的單體模型無法實現二次復用，從而遇到新項目時，需重新建模，影響建模速度。再者，目前主流的BIM軟件大多為國外軟件，本地化程度低，標注、圖例等二維表達方式不符合國家制圖標準。例如，Revit雖然三維模型表達效果好，但是相對CAD出圖效率較低。需要將Revit模型生成的平面、剖面導出二維圖紙，再通過CAD進一步優化才可出圖。建議未來將Revit等BIM軟件深入開發，使其滿足我國的出圖標準； 并且利用Dynamo等參數化手段將污水廠各構筑物通過調整尺寸實現模型的參變，實現快速建模和模型復用。

(3)軟件功能不健全，整合難度大。市政污水廠是一個龐大復雜的綜合體，其包含多個構建筑物、廠區道路、景觀及廠區管線等，由于主流的BIM軟件專業配合不完善、功能不健全，建模過程中需要選擇多種軟件，但是軟件自身限制，存在不同格式轉換時模型、材質缺失問題。例如Revit對于污水廠場地地形建模難以滿足設計要求，還需Civil 3D和Infraworks等軟件配合使用。再如采用Revit對各單體建模后，將Navisworks整合模型導入Lumion時，部分模型和材質丟失，降低了設計效率。未來BIM軟件需要強化其集成功能，并且利用計算機軟件API的開發解決模型、材質缺失等問題。

(4)BIM專業人才不足，難以實現正向設計。目前企業建模設計人員的界限過于清晰，BIM人員大多為各專業二維設計人員抽調，從CAD轉向BIM需要一定過程，并且復雜模型的創建對設計師的數學功底和編程能力有一定要求，然而計算機專業人員又不懂污水廠設計，很難真正實現BIM正向設計。建議各大高校可以校企合作，增加相關課程，加強推廣BIM 教學力度，培養具有專業背景、技術應用、軟件開發的復合型人才。

(5)BIM停留在基礎層面，未能發揮真正功能。如圖5所示，現階段對BIM技術在污水廠應用仍局限于管線碰撞檢查、工程量統計、漫游動畫模擬等基礎表現層面[13]，缺乏對信息的深入挖掘。李明奎等[14]分別采用Civil3D、Ecotect、Pathfinder、Phoenics及CadnaA等軟件對槐房再生水廠進行曲面高程分析、采光分析、人員疏散模擬、通風除臭和噪聲模擬，并利用Biowin軟件對不同工藝條件仿真模擬，但未對具體模擬結果進行深入分析。因此，結合BIM技術和CFD等相關模擬軟件模擬分析污水處理廠構筑物中污水的流態、水質變化、水動力學形態等問題，從而優化設計參數，提高污水處理效率仍是一個極具潛力的研究領域。

圖5 市政領域BIM發展趨勢圖Fig.5 BIM development trend chart in the municipal sector

4 總結與展望

BIM 在我國已經從初始的萌芽和測試階段，逐漸步入到發展普及的實施階段。工程領域內各企業的工作重心，已經從研究學習BIM 轉移到如何合理實施應用BIM，并將其拓展到整個項目的全生命周期中，從而實現效益最大化。由此可見，BIM 技術將是未來工程領域的發展趨勢。BIM的真正價值在于讓設計更合理，讓施工更高效，讓業主更明白，讓管理更科學。無論是對現有污水處理廠的運營管理，還是對未來污水廠的規劃、設計、施工，BIM 技術都將貫穿于污水廠建設的整個生命周期，其產生的經濟效應與社會價值無可估量。

然而，由于在我國BIM 起步相對較晚，缺乏相應的技術標準和成熟的技術團隊，造成了BIM 在技術標準上缺乏規范性和統一性。其次，BIM 技術作為一個新的理念，在城市污水廠領域的應用才剛剛起步，針對污水廠項目設計的BIM 軟件功能也不夠完善，軟件的二次開發還有待發展。最后，現階段BIM在污水廠的應用大多只停留在表現層面，其信息化、智能化優勢未能真正發揮價值，未來仍需進一步研究。