BIM技術在大型餐廚垃圾廠的應用
——以上海生物能源再利用項目二期為例

文｜上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 魯慶丹

隨著BIM 技術的發展，其應用已經不僅限于房屋建筑行業，而是擴展至市政基礎設施、商業綜合體、醫療、文化體育、科研辦公、工業建筑、交通運輸、水利水電、工程建筑等各個領域，其應用階段也從設計拓寬至施工、運維，直至項目的全生命周期。BIM 技術在設計階段的運用主要包含各專業建模、碰撞檢查、管線綜合以及凈高分析運用，施工階段以施工方案模擬、進度可視化管理、質量安全管理為主，運維階段則主要包括運維模型搭建、管理系統搭建、設備管理及能耗管理等。BIM 技術已經廣泛運用于各行各業，但是至今為止將其運用于餐廚垃圾處理廠這一設備與土建緊密銜接類型的不多，本文對BIM 技術在大型餐廚垃圾處理廠設計和施工階段的運用進行探索。

1.項目信息

上海生物能源再利用項目二期工程位于老港生態環保基地內、上海生物能源再利用項目一期工程南側地塊，用地面積約195 畝。處理對象為上海市中心城區和浦東新區南片區餐廚垃圾，處理規模為1500 噸/日，其中包括餐廚垃圾900 噸/日，廚余垃圾600 噸/日，是上海市最大的餐廚垃圾處理項目。本工程處理規模大，包含餐廚、廚余垃圾預處理，高低濃厭氧消化、沼液脫水、沼渣干化、沼氣凈化等11 個復雜的工藝系統。餐廚垃圾采用“大物質分揀+精分制漿+除砂+除雜+三相分離+立式提油”預處理工藝，廚余垃圾采用“粗破碎+大物質分揀+擠壓脫水/破碎制漿+除砂+除雜”預處理工藝，預處理后有機質進入厭氧系統進行產沼，沼氣凈化后除廠區自用部分外并網發電。

圖1 項目鳥瞰圖

2.設計階段

2.1 軟件協同進行土建建模

本工程主要建筑為綜合預處理車間、厭氧罐區、鍋爐及發電機房、黑水虻處理車間以及初雨事故池。對于固體廢物處理工程而言，傳統設計流程首先是進行方案設計，工藝專業提出設計條件圖，建筑專業在此基礎上進行深化再交接至結構專業，結構專業進行結構設計后再返回建筑和工藝專業進行復核，并最終確定建筑物的框架結構。由于三維建模所需的時間成本大于二維設計，雖然其精確度高，但二次修改工作量大，因此，三維建模在項目的介入點建議自結構專業完成后。結構專業采用的結構計算軟件，如PKPM 系列軟件、YJK 設計計算軟件等，都具備將計算模型直接導出為BIM 模型的接口。本工程結構專業采用PKPM 軟件進行設計，計算模型可直接導出為Revit 模型，結構模型作為單獨的文件，鏈接到建筑模型中，可靈活修改。

2.2 多專業協同設計建模

土建模型的建模完成后，工藝、給排水、暖通、電氣各個專業可以在土建模型基礎上進行各專業建模。目前，主流的三維設計軟件有 Bentley 系列軟件、Autodesk系列軟件、還包括AVEVA PDMS 等專業設計軟件。這些軟件都開發了相關的協作功能，各專業設計人員可以進行協作設計。本工程采用Autodesk Revit 軟件進行三維建模，該軟件可以設置中心文件為終端文件，各專業采用工作集的形式在本地副本進行本專業三維建模，并隨時與中心文件同步來上傳本地變更，同時獲取其他專業的最新模型，較傳統的二維設計，具有兩大明顯的優勢：第一，信息的全面性。二維設計時，設計人員需要結合建筑、結構圖紙，其他相關專業的圖紙進行管線布置，設計效率低，出錯率高。三維設計能在模型中直觀獲取所有所需的信息，高效便捷。第二，信息的實時性。二維設計時，各專業圖紙不會進行頻繁的交接，一般只進行初次的交接和重大變更，導致信息傳遞延滯，效率低下。三維設計時，各專業幾乎實時同步模型，消除信息傳遞時間差，提高設計效率。

圖2 綜合預處理車間、黑水虻車間BIM 模型

2.3 設備建模

圖3 工程通用設備構件庫界面展示

由于機械設備行業與建筑行業制圖標準存在巨大差異，目前市面上還沒有一款軟件能夠同時兼顧土建和設備兩方面的建模和出圖，因此，在土建建模軟件中不斷積累設備模型、形成數據庫，或成為當前階段實現土建、設備在同一建模框架、統一數據格式情況下建模的最優途徑。在固廢處理工程中，設備模型的一般只要求達到構件級精度，即外形尺寸和接口準確。設備模型的選用要分為通用設備和專用設備兩種情況來討論。首先是專用設備，只針對于某一特定用途，沒有統一的國家規范或行業標準，如本工程中的擠壓脫水機、破碎制漿一體機等，其外形設計根據不同品牌有相當的差異。如果直接將設備集成到同一模型中，模型體量大，對硬件要求高。Autodesk Revit 軟件包含多種軟件接口，可導入*.dwg，*.dxf ，*.dgn，*.sat，*skp等多種格式的文件，本工程嘗試以*.dxf ，*.dwg，*.sat 三種格式導入設備，都因為設備體量太大，導致軟件運行卡頓。這是由于對于多數設備商提供的Solidworks 設備模型精度達到 《建筑信息模型設計交付標準》（GBT 51301-2018）中的4.0 級模型精細度，也就是零件級模型單元，即使是抽殼模型也包含了很多不必要的細節信息。此時，模型的減量化顯得尤為重要，可用Solidworks 軟件工具面板“defeature”功能、Autodesk Inventor 裝配選項卡中的“簡化”功能進行模型的簡化，再將簡化后的設備集成至系統模型中。第二類設備為通用設備，如泵、風機、螺旋輸送機、儲罐等，這一類設備的外形條件有一定的標準約束，更多的是尺寸的差異，需要在項目中不斷積累具有復用性、獨立性、可參變性、可擴展性、可連接性的通用設備構件，形成構件庫。建立構件庫能解決外部導入設備模型體量過大、設備重復建模等問題，并且彌補土建類建模軟件設備建模效率低的短板，將土建和工藝設備有機融合在同一建模體系下，為項目信息統一管理、設計效率提高、模型格式轉換再利用等提供便利。

Solidworks 是一款專業機械設計軟件，精度達到零件級，為各類設備商廣泛使用。AutoCAD Plant3D 是一款三維工廠設計軟件，其操作基于AutoCAD 軟件平臺，基于等級的設計和元件庫可以有效簡化管道、設備和支吊架的放置流程。構建設備具有參數化的基本模塊，對于規則形狀的設備可進行快速搭接。Autodesk Revit 為建筑信息模型構建軟件，以參數化構件的形式構建設備，也稱為族。基于龐大的用戶群體，已經積累的豐富的族庫資源，可有效提高建模效率。經綜合比較和嘗試，在機械設計和管線工廠設計軟件中進行土建建模存在效率低，視覺效果一般，土建信息模塊缺失等一系列問題，本工程最終選用Autodesk Revit 為建模軟件，通用設備采用族庫模型，專用設備采用簡化后導入的設備模型，從而實現土建和工藝的有機融合。

2.4 管線綜合排布優化及碰撞檢查

基于餐廚垃圾處理廠集成程度高、管線錯綜復雜的特點，傳統的管線綜合工作難度大、效率低下。與二維設計相比，BIM技術將各個專業內容展現在同一空間中，全專業覆蓋式的建模是施工現場的預演，可避免大部分由設計導致的施工返工問題。設計工作開展前，設計負責人需對全專業進行空間、時間、資源上的優化配置，各專業建模完成后，在管路復雜、管線交叉處，統一安排管廊進行支撐，摒棄傳統管線錯綜復雜的工業感工廠，建造具有觀賞性的現代化工廠。此外，在進行管線布置時需考慮管線布置方案的可行性，留有安全系數，避免現場安裝不符合條件而產生的重大變更，盡量保持模型和現場的一致性。

本工程采用的Autodesk Revit 軟件自身就有碰撞檢查功能，但是在實施過程中存在一定的局限性。一是在模型體量較大時，對電腦硬件要求高，且需要消耗較長的時間。二是只能檢查硬碰撞，即實體與實體之間的碰撞，而無法考慮軟碰撞，例如實際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關施工要求（安裝、維修等）。因此，本工程建模完成后導出NWC 格式文件，在Navisworks 軟件中進行碰撞檢查，針對各個碰撞點進行修改，可導出碰撞檢查報告。

2.5 設計成果輸出

完整的交付模型應包含模型和項目信息兩部分。模型信息應在設計階段就輸入到模型當中，可根據項目需求選擇《建筑信息模型設計交付標準》（GBT 51301-2018）中的N1-N4 深度等級，一級為簡單項目信息，二級至系統關系、組成及材質，三級深化至生產、安裝信息，四級則考慮到運維階段的資產和維護信息。模型的信息深度與模型后續階段的運用相關，可視化為最低要求，若要發揮模型最大效益，將其深入施工、運維階段則需要規范和完整模型信息。除了模型和信息的移交外，還包括圖紙和工程量的輸出。在傳統的二維設計中，各個平面、剖面是相互獨立的，不存在聯鎖關系，修改工作量大，易產生錯漏。BIM 模型可剖切至任意的平面、剖面，且與模型同步更新。傳統二維設計需手動清點工程量，費時費力且準確率低，BIM 模型算量具有信息聯通性，隨模型調整直接導出最終工程量，便于招標、采購工作中的成本控制。

圖4 碰撞檢查內容示例

圖5 協同管理交付平臺界面

3.施工階段

施工階段的核心目標是把關項目質量、控制項目進度以及施工安全管理。為結合BIM 在項目全生命周期的運用，本工程構建了一個集合業主方、設計方、監理方、施工方以及設備材料供應商為一體的協同管理交付平臺，該管理平臺包含三大功能板塊：基礎功能（包括3D 全景、協同辦公、設計管理、文檔管理等），核心業務（包括進度管理、質量管理、設備管理、安全管理等），擴展業務（資產管理、現場管理、智慧工地等）。

3.1 進度管理

結合BIM 模型的施工進度管理，開工前進行項目進度的計劃編制、標段進度計劃編制，施工過程及時上傳施工進度，平臺可支持進度計劃與模型關聯，進行進度計劃4D 模擬，即3D 模型加1D 時間，并通過進度看板直觀反映與現場實施情況同步的進度報告。

3.2 質量管理

管理人員在現場發現質量問題后，填寫質量檢查單并鏈接至模型相應位點，下發質量整改通知至相關責任人員，并且在整改完成后進行復查，完成閉環質量管理。

3.3 安全管理

利用BIM 模型協助現場施工檢查管理，輔助安全管控。在三維全景中添加多個視頻監控位點，實現多屏監控、監控地圖以及云臺回放，對現場施工安全進行實時監控與反饋。利用平臺APP 端對發現的安全隱患進行及時拍照與信息上傳，并對問題可指定責任人進行整改，形成安全檢查單、安全整改通知與安全整改復查閉環。在安全看板中查看安全整改單情況、安全類型問題統計等，為后期的安全管理對策提供數據支持。

3.4 設備管理

利用BIM 模型建設設備產品庫，在平臺中及時更新設備采購計劃和安裝進度管理，生成設備管理臺賬，確保現場安裝的及時反饋。型號、名稱、廠家等設備信息隨模型導入管理平臺，可一鍵生成二維碼，實現掃一掃獲取設備信息，對運營的單位后期進行設備維保提供完整的數據庫。

3.5 可視化指導施工

目前所實現的BIM 在施工階段的應用主要停留在管理層面，設計單位向施工單位進行三維交底，項目部管理人員在BIM平臺上進行進度、質量、安全等一系列的管理。在未來，BIM 技術在施工階段的應用有望拓展至施工工人。本工程平臺已經實現在App 端查看輕量化模型，隨著BIM可視化軟件的升級和智能手機等通訊設備的普及，未來現場工人在傳統根據藍圖施工的基礎上，可以根據BIM 模型快速理解設計人員意圖，提高施工效率，減少返工。

4.結語

BIM 技術在設計和施工階段的應用已經逐漸完善，本文以上海生物能源再利用項目二期為依托，介紹了BIM 技術在大型餐廚垃圾處理項目的應用及其優勢，為今后類似工程的BIM 運用提供了參考。在設計階段，對多軟件多專業協同、參數化構件庫、碰撞檢查、成果輸出等多個方面進行了討論。建議采用Revit 軟件進行建筑建模，結構計算軟件PKPM 直接導出Revit 模型，采用Revit 協作功能實現多專業協同建模。目前缺乏可以同時滿足土建建模和機械設備建模的軟件，為實現二者有機結合，通用設備在Revit 中建立構件庫，專用設備用Solidworks/Inventor 簡化后導入。建模完成后導出NWC 格式，至Navisworks 軟件中進行碰撞檢查。在施工階段，BIM 技術在進度管理、質量管理、安全管理、設備管理等方面均已實現基本功能運用，未來BIM 模型或將實現在施工人員層面進行可視化施工指導。