BIM技術在上海泰和污水處理廠工程中的應用

(上海市政工程設計研究總院(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上海外環線以內，規劃共富路、規劃梅林路、泰聯路、蕰藻浜北側綠化帶圍合的區域內，屬于上海市中心城區。

泰和廠規劃總規模為60萬m3/d，本次一期工程建設規模為40萬m3/d[1]。出水水質執行《城鎮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行《地表水環境質量標準》(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施對周邊環境的影響，同時亦滿足用地規劃的控制要求，泰和廠采用了全地下式的布置形式。廠區以聯誼路為界分為南北兩塊，北側地塊面積為14.91 hm2，地塊內為全地下一體化箱體，建設有預處理區、反應區、深度處理區、出水區及泥處理區。南側地塊包括一座容積為15萬m3的系統調蓄池、廠前區、出水高位井及遠期建設的預留用地(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，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水、泥、氣、聲綜合治理標準最高的污水處理廠工程，以及國內采用全流程集約化布置規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應用現狀分析

BIM思想源于20世紀70年代，并隨著時代進步，內涵逐漸豐富完整。目前BIM技術已廣泛應用于工程建設領域，BIM技術的相關研究也是信息技術領域的重大熱點[2]，在水務項目建設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逐步鋪開，BIM技術對污水廠建設及管理帶來了許多新思路和新手段。

2.2 工程挑戰及BIM應用需求分析

作為上海市中心城區規模最大的全地下污水廠，本工程的建設面臨著如下挑戰：

(1)集約化布局設計要求高。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，箱體設計需要充分協調各專業設計原則，確保布局合理，并全面統籌考慮水流、泥流、人流、車流的合理組織[4]。

(2)軟土地區超大超深基坑建設難度大。作為地下式大型基礎設施，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計一方面需保證基坑安全，同時還要結合工期要求整體考慮基坑開挖及施工次序問題[5]。

(3)水、氣流態復雜。全地下污水處理廠有別于傳統污水廠，一般為雙層集約化布置，下層為緊湊布置的生產性構筑物及管廊層，上層為空間較為開闊的操作層[6]。通過傳統人工計算的方式，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規模最大的全地下污水廠，同時也將要打造成“環境友好型”的花園式污水廠。本工程的運行環境、運行安全、自動化控制管理要求更高，需要引入先進技術手段，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，本工程對超大規模地下式污水廠開展了設計、建設及運維全方位的BIM應用。

3 BIM技術應用框架

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

架構的底層為打通全生命周期數據接口，形成三維數字化應用標準體系。統一的應用標準的建立，將規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”、“多方協同”的難題，突破工程信息化管理的瓶頸。

架構的頂層為結合多種創新技術，形成面向智慧化運維需求的數據儲備。必須要結合多種創新技術，圍繞運維需求進行三維數字化數據的重構，保證數據能被有效應用至運維階段，為智慧化運維提供技術支撐和決策支持。

4 設計階段BIM技術應用

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的地下整體構筑物內，如圖4所示。各功能單元的功能構造和結構支撐構件共壁共用，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之間的協同設計非常復雜，因此，本工程采用基于BIM技術的協同設計手段，探索適用于地下式污水廠的、高效且準確的設計協同方法。

圖3 本工程BIM應用總體架構

圖4 本工程管廊層總平面圖

4.1 快速三維設計工具應用

由于地下式污水廠集約化設計的特點，前期方案的穩定及完善對工程后期的整合及協調效率的提升尤為重要。

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

圖5 多個方案快速三維設計

4.2 多專業設計方案整合及展示

對于地下式污水廠設計，需結合各專業分工情況，在項目前期對各單體、各專業模型的分界面進行規定。對于排水、暖通、除臭、電氣、儀表等以管線為主體的專業，采用中心文件進行專業內的協同，由專業負責人承擔模型整合及統籌調整的工作，中心文件以鏈接文件的形式匯總至整體模型中。

圖6 各專業設計模型

圖7 多專業設計方案整合 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，其優點是可以直接在設計軟件中完成檢查并直接進行修改。將各專業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或單專業之間的檢查，如僅進行排水、電氣專業的檢查，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，還包括碰撞的相關信息，如距離、位置、對象等。

對于污水廠設計中各專業管線排布初期或專業內的碰撞，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整時，擬由各專業負責人進行模型整合后，在Navisworks中進行檢查并組織各專業協調討論。

圖9 管廊層管線綜合碰撞設計

圖10 管線綜合碰撞檢查

4.4 水力流態分析

傳統設計過程中，對于處理設施的流態情況，很難通過人工計算的方式得到準確的流態數據。本工程結合計算流體力學(CFD)的分析方法對水力流態進行分析。

以進水泵房為例，本工程以BIM模型為基礎，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、泵機區的三維數值計算模型，對泵房內部流態進行模擬及分析。采用相關流態模擬軟件，模擬處理設施不同工況、不同布置方案下的水流狀態，為工藝設計參數的設定提供一定的理論依據。通過計算結果，最終選擇水流更平穩，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計方案。

圖11 水力流態模擬

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計標準，大部分地下式污水廠通風設計具有較大余量，造成一定的建設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的模式三作為本工程的通風模式。同時，以CFD仿真結果為依據，本工程最終也優化了將近30%的風管長度。通過BIM技術結合CFD的分析探索，可為形成相關標準作技術儲備。

圖12 本工程的通風模式比選

5 施工階段BIM技術應用

5.1 超大基坑受力分析

本工程依托BIM技術手段，在Robot軟件中進行基坑總體設計方案選型、基坑內部支撐體系、逆筑法施工取土孔優化布置等受力分析，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，節約近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建設管理平臺的有限空間作業管理

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計及編碼后，利用清單工具進行統計，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，給施工現場帶來狹小空間施工作業安全隱患。因此，本工程也利用BIM技術加強施工現場交叉及穿插作業管控。

圖15 一體化箱體預留洞口統計

對于大型設備，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調。同時，結合地下式污水廠的特點及建設管理需求，采用自主研發的基于BIM的建設管理平臺進行施工全過程的管理，并創新性地開發有限空間安全管理模塊[8]，實現預留洞口的安全責任人、使用狀態及使用人員的統計，并通過線上信息化審批流程實現有限空間作業人員和作業區域的有效管理。

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

將設計、建設積累的BIM數據及實時運行的全廠多源異構數據綜合匯聚集成，能真正使數據產生價值[9-10]。借助先進的GIS、圖形引擎技術、數據可視化技術，充分發掘多種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生產實時監視

本工程對運維階段數據應用的需求開展了調研，對數據進行解析、提取、優化、重構的技術進行了研究，使BIM數據能便捷地應用在運維階段。

在BIM數據基礎之上，結合污水廠自控SCADA系統，將設計、建設以及實時運行多維數據綜合整理匯聚，并通過圖形顯示引擎和數據可視化技術，便捷直觀地將各項數據按需展示給運維管理人員，并以此為基礎關聯各項運維管理工作的信息化，實現廠區“一圖統觀，一網統管”智慧化管理。

圖17 基于BIM的生產實時監視系統

6.2 BIM+UWB環控及安全管理

本工程全生命周期的BIM數據積累，為打造一座“數字孿生”概念的智慧工廠提供了良好的數據基礎。

圖18 基于BIM的環控及安全管理系統

本工程引入UWB室內定位技術，以BIM數據及輕量化引擎為基礎，實現廠區人員身份確認、位置定位、軌跡回放、照明聯動控制。通過手持智慧終端實現廠區人員安全權限管理、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 總結與展望

面對超大規模全地下式污水廠建設及運維的技術挑戰，本工程借助BIM技術，緊密圍繞著“BIM+智慧化”助力水務工程綠色發展和工程全生命周期精細化管理的先進理念，開展了超大規模地下式污水廠BIM技術應用探索。在BIM技術的助力下，采用BIM技術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，充分體現設計階段BIM技術不可替代的應用價值。在建設階段積累的豐富BIM數據的基礎上，將BIM技術與工業物聯網、先進傳感器等新興技術相融合，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。