BIM技術在水廠改擴建工程中的研究與應用

鐘亞麗

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

建筑信息模型(BIM)是繼計算機輔助設計(CAD)技術后出現的建設領域又一重要的計算機應用技術，通過建立數字智能化模型對項目的設計、施工以及運維等過程進行優化管理，為運營維護管理提供全模型數據倉庫與工程資產全信息管理，BIM技術和理念將成為未來整個建設行業技術的發展方向[1- 2]。將BIM技術應用到工程建設全過程中，能夠有效解決水廠改擴建類項目技術復雜、設計專業多、建設各階段銜接不暢、協同管理困難等問題。

隨著市政工程建設行業的迅速發展，大型公共項目具有周期長、成本高、管理難度大等特點，針對項目的特點引入BIM理念與技術，從傳統二維轉向以BIM技術為基礎的三維協同管理模式，通過BIM理念和技術為市政工程建設和管理提高效率[3- 4]。2016年9月，在上海市人民政府印發的文件《上海市推進智慧城市建設“十三五”規劃》(滬府發〔2016〕80號)中，要求進一步提升城市水務、電力、環保、安全監管等基礎設施領域城市精細化水平。“智慧水廠”這一概念已不再陌生，即以應用新一代信息技術為手段，結合監測和感知設備并采用可視化的方式整合信息，實現生產、運行、維護、調度和服務等全方位、全過程各環節高度信息互通、反應快捷、管理有序的高效節能型水廠[5- 6]。應用BIM技術提高項目建設和管理過程中的智慧化和精細化已成為當前建設工程行業研究及應用的熱點話題[7]。在水利工程中，郭光智等分析了BIM技術在水利建設中的應用以及發展前景[8- 9]，陳文亮等分析了BIM技術在水利工程施工中的應用及發展前景[10- 11]。以上研究為BIM技術在水廠改擴建中的研究奠定了良好的基礎，也為水廠改擴建工程提供新的思路。

文章以BIM技術在南匯南水廠深處理改造工程中的研究與應用為例，利用數字化協同平臺，將BIM理念和技術運用在方案與設計、施工階段，也為之后的數字化運維提供信息和數據基礎[12- 13]，結合項目的工程內容多、涉及專業多、地下設施多、工程實施周期緊以及重點工程影響大等特點和Bentley軟件的特長，制訂了以一套以三維協同為基礎、模型構架為先導、階段應用為目的的項目BIM整體解決方案，如圖1所示。

1 工程概況

1.1 項目簡介

南匯南水廠位于浦東新區惠南鎮，分兩期建成，現狀供水規模為44萬m3/d，包括原惠南水廠設計供水規模24萬m3/d，南水廠一期設計供水規模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，現狀常規處理構筑物基本保留，工程內容包括新建一座預臭氧接觸池、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生器車間、一座回收水池、一座液氧站以及對南水廠一期現狀20萬m3/d砂濾池出水總渠、鼓風機房及現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 項目重點和難點

南匯南水廠在項目實施期間，在專業多、管網密度大、工期要求緊的情況下，需保持正常生產運行，給項目的施工帶來了較大難度，其主要表現見表1，正是BIM技術的應用，給項目的建設提供了解決思路。

表1 項目重點難點

1.3 項目應用目標

BIM技術在設計階段的應用需要充分利用BIM三維設計優勢，解決多專業協同問題、減少錯漏碰缺，提高設計質量和設計效率，實現三維設計技術交底，為各方及時探討方案提供支持；BIM技術在施工階段的應用需要利用BIM精細復雜節點技術交底，模擬技術處理方案、重大危險源和變形監測技術，為施工質量、進度和安全保駕護航；BIM技術在交付階段的應用需要提交水廠BIM三維信息模型，作為減少單位運維管理重要數字資產，在智能化管理和智慧化運維中發揮基礎性作用。

2 應用結果與效果

2.1 方案與設計階段的應用結果與效果

水廠改擴建工程在方案設與設計階段是BIM應用的開始，通過多源模型的融合、新建單體工藝細節展示與可視化交底技術等功能，可以更加直觀、形象化地展示設計理念。結合全過程的三維協同設計理念，統籌規劃將場平進行合理的布置，運用BIM技術在很大程度上減少圖紙會審工作量，提高在設計階段產品的質量。

2.1.1三維協同設計

協同設計是BIM技術在方案與設計階段較為突顯的優點之一，南匯南水廠設計包含地質、基坑、建筑、結構、工藝、電氣等多個專業，該項目基于ProjectWise協同管理平臺，將項目專業劃分目錄，根據不同專業目錄賦予設計人員獨立的權限，可以有效地保證自己的工作內容不被任意修改，當其他專業模型發生變更時，可以進行實時的變更。通過不同專業的模型整合，可以對單體建筑物平面布置合理性、完整性進行檢查，最終形成固化模型，實現項目全過程、全專業、三維協同設計，提升信息共享的及時性、有效性和準確性，全面提升設計產品質量。

2.1.2統籌規劃合理平面布置

南匯南水廠項目利用BIM技術構建方案模型，可以從空間、景觀、投資等多方面進行有效的對比分析，選擇合適的場地環境。結合勘測數據建立地質模型，根據模型分析，為廠區既有管線進行精準定位，為新建管線、道路及綠化設計等提供精準的數據基礎，基于BIM技術，借助模型，完成平面布置的整體規劃。

2.1.3圖紙會審與碰撞檢查減少返工，提高設計質量

水廠工程設計涵蓋工藝、結構、建筑、管線、電氣、地質、基坑等多個專業，在二維平面圖紙設計過程中，常常會出現專業之間和專業內部的碰撞問題，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技術的多專業協同優勢可以最大程度地發現圖紙中的“錯、漏、碰、缺”等問題，有效解決了二維圖紙由于溝通不當而造成的返工、工程浪費等問題，也可以有效解決結構預留孔定位和規格大小復核等問題，避免結構專業和工藝專業預留孔設計矛盾，在很大程度上提高了設計質量。當BIM模型深化到一定程度后，可以準確地獲取模型信息，結合細節及時對圖紙進行變更，有效減少設計變更問題，在很大程度上減輕了圖紙會審的工作量[14]，縮短了圖紙審核時間。

2.1.4BIM模型創建

BIM技術應用于水廠項目要密切關注其整體布局和工藝流程分析，重視廠區建(構)筑物單體的功能和工藝參數。本項目BIM模型創建包括廠區現狀實景模型、現狀及新建建(構)筑物單體、廠區道路及場平以及總圖管線模型等，并將上述模型進行總裝。

(1)多源模型融合提供數字化底圖

在項目開展前期，使用無人機傾斜攝影技術對南匯南水廠的現狀進行航拍，整個廠區包括廠區道路、加藥間、生物接觸氧化池、排泥水處理綜合設施、清水池、濾池、調節池、沉淀池、綜合樓、泵房以及本次項目實施的主要區域等，通過專業軟件創建實景模型。通過實景現狀模型的建設，可以對廠區整體布局進行清晰的展示，再將新建單體模型與實景模型相融合，可以輔助設計方案的展示、分析和比選。

(2)單體模型創建展示產品設計細節

結合水廠現狀常規處理工藝構建建筑物布置，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生產系統砂濾池東側的預留空地上，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、臭氧發生器間及配電間，回收水池；空地東側布置一座活性炭濾池下疊接觸消毒池。根據廠區地質條件，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設計模型，在三維空間全面檢查基坑設計的合理性，提升基坑圍護設計質量。全專業BIM模型能夠有效解決水廠改擴建類項目技術復雜、設計專業多、協同管理困難等問題，可以通過三維剖切等方式展示工藝流程和設計細節。

(3)管網模型創建解決空間排布與距離要求

廠區現狀管網密度較高，空間位置管線錯綜復雜，且物探資料存在部分不明管線，在此基礎上須穿插布置新的工藝生產管線，與新建項目相比，設計難度大。為此充分收集地下各類管線的圖紙和物探資料，建立現狀管網三維模型，與深度處理改造工程設計管網模型進行空間拼裝，檢查設計管線與現狀管線是否存在空間位置矛盾，調整和細化總管設計，通過凈高檢查，復核行車、導軌標高與凈距離，能夠滿足大件設備吊裝要求，有效提高設計質量。

2.2 施工階段的應用結果與效果

工程質量的影響最為直接的階段當屬施工階段，而運用BIM技術可以有效解決施工信息表達傳遞不及時和不明確、施工變更數量多、專業交叉作業矛盾多等問題[8]。結合BIM技術在安全、質量、進度等方面關鍵技術的研究，論述BIM技術為市政水廠工程帶來的綜合效益。

2.2.1基于BIM技術的施工安全管理

安全管理作為施工過程中最為關鍵的一部分，可視化安全監測顯得尤為重要。項目基于BIM技術和二次開發，對南匯南水廠活性炭濾池基坑維護結構變形趨勢進行監測和預測，利用監測數據快速讀取并驅動成三維可視化模型，直觀判斷土體變形趨勢，超警戒值高亮顯示預警，有力提升安全監測水平。

2.2.2基于BIM技術的施工質量管理

質量管理在施工過程中起到非常關鍵的作用，運用BIM技術提升工程項目中的質量也顯得尤為重要。本項目基于BIM技術，采用工程設計施工復核技術，利用無人機航拍施工實景模型與設計圖紙進行疊加對比，復核現場是否“按圖施工”，及時提醒并確保工程施工質量，保證設計意圖的實現。在處理施工現場問題時，由于施工測量定位偏差，導致活性炭濾池及接觸消毒池基坑格構柱與接觸消毒池壁板位置沖突，可以借助BIM模型和動畫模擬技術，有效解決沖突問題，全面提升施工質量以及各方溝通協調效率。

2.2.3基于BIM技術的施工進度管理

進度管理在施工過程中也是一項重要內容，項目結合4D模擬以及共享二維碼技術，有效管理施工進度。通過4D動畫模擬關鍵節點施工過程，排布施工資源，輔助制定施工組織技術，從而優化施工方案。如圖3所示，運用共享二維碼技術，可以及時發布和共享航拍、管網模型及施工BIM應用等成果，方便施工各方及時掌控施工現場整體進度，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，保證施工進度。

3 結語

BIM技術在本次水廠改擴建中主要體現出以下優點：

(1)基于模型開展碰撞檢查、模型融合等應用，有效避免設計圖面錯誤，優化結構布置和產品質量；

(2)基于設計交底模型，在施工單元劃分的基礎上，開展施工安全、質量、進度方面的應用，有效輔助現場施工管理，提升施工管理能力；

(3)通過數字資產的積累與收集，可以提升運維管理信息化水平。

雖然BIM技術在水廠建設中取得了一定的成果，但在設計與施工的交互中還存在著信息交流不暢、無法共享等問題，嚴重制約了BIM技術的進一步推進。

圖3 共享二維碼應用示意圖