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        槐房再生水廠工程BIM技術應用

        2019-03-27 11:22:58
        土木建筑工程信息技術 2019年1期
        關鍵詞:模型施工

        (1.北京城建集團有限責任公司,北京 100088; 2. 北京城市排水集團有限責任公司,北京 100044;3. 北京市市政工程設計研究總院有限公司,北京 100082; 4.清華大學,北京 100084)

        1 工程概況

        槐房再生水廠位于北京市區(qū)的西南部,總征地面積749畝,建設用地面積470畝,項目總投資53.3億元。規(guī)劃流域范圍西起西山八大處,東至展覽館路,北起長河,南至豐臺,并包括花鄉(xiāng)、盧溝橋鄉(xiāng)、石景山鄉(xiāng)部分鄉(xiāng)域地區(qū),規(guī)劃流域面積約137Km2。水廠規(guī)模60萬m3/日,采用MBR工藝,同步在廠區(qū)內(nèi)采用熱水解+消化+板框脫水的污泥處理工藝,實現(xiàn)污泥的無害化處置?;狈吭偕畯S設計出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》(DB11/890-2012)中的B標準[1]。

        再生水廠設施全地下建設,地上建設人工濕地保護區(qū),實現(xiàn)環(huán)境治理與保護的和諧發(fā)展?;狈吭偕畯S分為地上及地下兩部分,地下為水處理構筑物,地上為水區(qū)加藥、儲罐及污泥處理設施。水處理構筑物為全地下、集中布置,其上部為濕地公園。地下部分水處理構筑物東西長648m、南北寬254.6m、深7.32~17.45m,為地下兩層、局部(管廊)地下三層。廠區(qū)南側地水處理構筑物為濕地保護區(qū),面積15.62ha hm2,其中水處理構筑物頂板范圍區(qū)域屋頂花園面積為12.76ha hm2。

        建成后的水廠具有出水水質(zhì)高、節(jié)約土地資源、運行無臭味、低噪音、節(jié)能降耗、實現(xiàn)資源的循環(huán)利用、恢復南城濕地景觀、改善周邊生態(tài)環(huán)境等特點。實現(xiàn)了生態(tài)水廠建設理念,是目前世界上最大的全地下MBR再生水處理廠。

        圖1 槐房再生水廠效果圖

        2 BIM組織與應用環(huán)境

        2.1 應用策劃

        槐房再生水廠為特大型城市核心區(qū)污水廠規(guī)劃建設,圍繞特大型城市核心區(qū)污水廠規(guī)劃建設、全地下污水廠的綜合管控和抗?jié)B防漏、全地下污水廠的運維管理難等建設重點,依托槐房再生水廠等大型市政、公建、古建工程,進行了《大型建筑工程智慧建造與運維關鍵技術研究與應用示范》課題的研究,并列入北京市科學技術委員科技計劃。

        課題利用BIM集成與應用服務平臺解決不同階段模型重用問題[2-3],探索通過融合BIM+GIS、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術與先進工程建造技術融合[4-6],構建建筑工程智慧建造理論體系、開發(fā)相關應用系統(tǒng),為大型建筑工程智慧建造與運維提供方法、工具和平臺,為實現(xiàn)大型建筑工程智慧建造與運維奠定基礎。[7]

        2.2 工作目標

        打造全生命期的BIM智慧建造目標,達到環(huán)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,實現(xiàn)綜合抗?jié)B防漏的施工綜合管控,打造工藝調(diào)整效率高、降低運行成本運維的現(xiàn)代化水廠的建設[8-9]。最終,形成研究報告、軟件系統(tǒng)編制企業(yè)級再生水廠建設的實施導則等目標。

        2.3 BIM技術應用團隊

        為實現(xiàn)項目BIM應用目標,組建由設計、施工、運維及高校組成的全過程的BIM技術應用團隊。

        2.4 軟硬件環(huán)境

        在BIM實施過程中項目使用了Civil3D、Revit、Navisworks、Phoenics、Pathfinder、Ecotect、CadnaA、CadnaA等工具類軟件,并采用了Web、GIS、BioWin等平臺類軟件,配套使用了網(wǎng)絡服務器、固定工作站、移動終端等硬件設備[10-11]。

        3 BIM應用

        3.1 模擬仿真及智能設計

        3.1.1 基于BIM的場地分析

        搭建方案模型,綜合比選最佳地下空間布置方案,經(jīng)過結構計算,綜合比選空間利用、投資及景觀等因素,最終從環(huán)境和社會效益角度考慮,確定槐房再生水廠水區(qū)采用全地下式設計。

        通過勘察測量單位提供槐房地下污水廠用地范圍內(nèi)的地形點數(shù)據(jù),采用Civil3D軟件建立地質(zhì)模型,經(jīng)過模擬三維模型排除勘誤點,建立三維的地形曲面模型,進行曲面高程分析,合理地規(guī)劃場地平面位置[12]。通過可視化效果表現(xiàn)巖體開挖后的狀態(tài),利用開挖模型計算開挖部分的總體積以及分巖層體積。通過三維鉆孔可以生成相應地質(zhì)層的地層曲面并生成三維地質(zhì)實體,通過可視化效果表現(xiàn)巖體開挖后的狀態(tài),利用開挖模型計算開挖部分的總體積以及分巖層體積。

        圖2 曲面高程分析結果

        3.1.2 基于BIM模型的采光分析

        再生水廠中細格柵及旋流沉砂池為全封閉式地下構筑物,由于細格柵吊裝孔采用透光蓋板,因此可結合自然采光與人工照明相結合的方式進行室內(nèi)照明設計。為找到合理的照明方式,利用Ecotect軟件對該構筑物進行采光分析,進行照明方案的比選。

        通過Ecotect建模模擬吊裝孔不同的采光照明方案,對各種情況的采光進行分析后,確定利用自然采光與人工照明相結合的照明方案,既滿足規(guī)范要求,又達到了節(jié)能減排的目的。

        圖3 設備房間層設置人工照明采光分析結果

        3.1.3 基于BIM模型的可視度分析

        廠區(qū)內(nèi)粗格柵及進水泵房車間體量較大,而且噪聲也較大,由于其南側為濕地公園景區(qū),考慮到游人觀景感受,擬采用在其周邊種植樹木的方式對其進行遮擋。利用Ecotect軟件建模,對粗格柵及進水泵房可視度進行分析[13]。通過Ecotect建模模擬游人視角,對粗格柵及進水泵房周邊設置的樹木的遮擋方案進行比對,分析各種情況后,確定南側濕地公園風景的綠化設計方案利。

        圖4 可視度模擬分析

        3.1.4 基于BIM模型的人員疏散模擬

        本工程為地下再生水處理廠項目,主體以水池等構筑物為主,其主體結構位于地下,具有單體體量較大、同一時間使用人較少的特點,如果按照普通民用建筑或地下廠房類建筑的疏散距離要求進行防火設計,勢必造成工程建設的浪費。因此,合理、適當?shù)陌才诺叵驴臻g的安全出口和疏散樓梯,是設計中的重點環(huán)節(jié)[14-15]。

        在人員疏散方案選擇過程中,以較為復雜的MBR膜池設備間為例,使用Pathfinder軟件導入該部分的Revit信息模型,模擬人員疏散情況。模擬結論說明,雖然以本工程為代表的大型水廠項目,地下疏散距離較長,但由于這些建、構筑物內(nèi)人員并不密集,且通過合理布置疏散口及疏散樓梯,可以保證全部人員在較短的安全時間內(nèi)完成撤離任務,符合安全設計相關規(guī)范對疏散的要求[13]。

        3.1.5 基于BIM模型的通風除臭模擬

        BIM技術的應用,可提供建筑的能耗模擬分析需要的幾何信息、熱工信息,減少了模擬時進行建模的重復工作,為設計過程中進行能耗分析、熱環(huán)境模擬、風環(huán)境模擬,改善、優(yōu)化方案提供了有利的條件。本工程實現(xiàn)了基于BIM模型的模擬分析,對沉砂池以及整個廠區(qū)中對環(huán)境影響最為重要的H2S、NH3、CH4進行CFD數(shù)值計算,得到了重要的預測數(shù)據(jù),作為確定通風除臭方案的重要參考,提高設計質(zhì)量、設計效率。

        同時,將Revit模型進行簡化,導入Phoenics軟件,根據(jù)夏季主導風向模擬排放塔排放氣體濃度分布,重點關注人員相對集中的濕地公園、水廠辦公區(qū)氣體擴散的環(huán)境,確定最佳排放塔布置方案。

        圖5 疏散過程

        圖6 排放塔布置方案模擬

        3.1.6 基于BIM模型的噪聲模擬

        采用CadnaA對噪聲進行研究,比選制氧車間平面布置方案,分析噪聲源對廠區(qū)辦公、濕地公園的環(huán)境影響,廠界噪音限制達標情況,確定合理位置。

        圖7 噪聲模擬

        3.1.7 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(fā)現(xiàn)大量隱藏在設計中與專業(yè)配合緊密相關的問題,或者屬于空間高度上的沖突,在傳統(tǒng)的單專業(yè)校審過程中很難被發(fā)現(xiàn)。通過BIM技術提供的碰撞檢查功能,利用Revit建模后可直觀的查看管線之間的空間關系,杜絕了發(fā)生錯誤的可能,使立體空間得以合理規(guī)劃。

        對于槐房再生水廠復雜的設計而言,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(xiàn)了電子文檔與圖紙檔案并存的高效管理模式。

        圖8 碰撞檢查

        3.1.8 基于Biowin的污水處理工藝仿真

        利用BioWIN軟件搭建處理工藝模型,進行水處理工藝的模擬及方案比選。通過針對有、無初沉池的兩個模型,進行的污水處理工藝仿真,證明設置初沉池的模型出水水質(zhì)效果更為理想,同時設置了初沉池的超越管線,必要時進水可以跨越初沉池直接進入生物池,增加了生產(chǎn)運行的靈活性。為保證出水水質(zhì)全面達標,并且對進水水質(zhì)具備足夠的抗沖擊負荷能力,采用BIowin軟件模擬對比厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)不同分區(qū)的生物池的運行效果,優(yōu)化生物池的設計。

        圖 9 仿真模擬工藝流程

        3.2 互聯(lián)網(wǎng)+模擬與監(jiān)控技術

        3.2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的施工綜合管控

        槐房再生水廠建筑工地物聯(lián)網(wǎng)平臺的建設,主要以實現(xiàn)槐房再生水廠的“智慧水廠”建設為工作目標,通過運用BIM、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術,研究槐房水廠的工程信息建模、建筑性能分析、深化設計、工廠化加工、精密測量、結構監(jiān)測、5D施工管理、運維管理等集成化BIM應用,打造基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的“智慧水廠”建設平臺。是借助三維GIS,BIM模型和物聯(lián)網(wǎng)等相關信息化手段對現(xiàn)場“人機料”進行管控。[16]

        圖10 物聯(lián)網(wǎng)管理平臺首頁

        平臺將Web端和手機App移動端兩種表現(xiàn)形式相結合,通過視頻監(jiān)控、人員管理、物料管理、自動化監(jiān)測等功能模塊,實現(xiàn)現(xiàn)場施工管理信息高度集中化、管理者的移動辦公、對項目實時管控和管理歷史數(shù)據(jù)的保存與查詢,為項目運維提供最真實、有效的數(shù)據(jù),最終達到為項目建設增值的目的。

        圖11 智慧建造物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的手機客戶端

        3.2.2 基于計算機模擬的跳倉法施工

        借鑒其他工程的施工經(jīng)驗,施工前使用有限元軟件ANSYS對假定的跳倉數(shù)據(jù)進行溫度和應力模擬計算分析研究。通過結構的幾何模型,輸入模型的相關數(shù)據(jù)并經(jīng)過程序處理,實現(xiàn)了自動生成熱邊界條件,可以實現(xiàn)跳倉法施工過程的長時間的有限元模擬。

        圖12 跳倉法施工模擬

        通過軟件模擬,得出各倉施工的溫度及應力結果,驗證了跳倉參數(shù)的可靠性,數(shù)據(jù)可作為施工的參考依據(jù)。,本項目綜合運用有限元模擬分析與實時監(jiān)測兩種方法,在計算機模擬的基礎上,在結構施工中預埋永久性溫度傳感器和應力傳感器,實時采集相關數(shù)據(jù)和監(jiān)測混凝土結構變化,為跳倉法施工提供可靠的保障。

        由于使用了跳倉法施工,為下步設備安裝創(chuàng)造了良好的施工條件,相比后澆帶施工節(jié)約了35d工期,相應的后續(xù)單機調(diào)試、聯(lián)機調(diào)試均提前進行,因此可以提早發(fā)現(xiàn)問題提早解決,為水廠提前運營增加一份保障。在本工程中的成功應用,填補了一項技術空白,為日后的相關工程設計和施工等積累了寶貴的經(jīng)驗。

        3.2.3 基于BIM及物聯(lián)網(wǎng)的溫度應力在線監(jiān)測

        為確保結構質(zhì)量和廠區(qū)的安全運行,在進場后,立刻著手混凝土監(jiān)測技術的研究工作。本工程在MBR生物池結構內(nèi)埋設溫度和應力傳感器,與物聯(lián)網(wǎng)技術、BIM技術以及光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)結合運用,開發(fā)配套軟件進行實時監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常及時報警采取相應措施,保證施工質(zhì)量。

        把溫度、應力監(jiān)測儀將監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳到平臺數(shù)據(jù)庫,通過自動化監(jiān)測平臺發(fā)布到Web端,即可在PC頁面端查看溫度監(jiān)測值和數(shù)值變化曲線。同時可以選擇多個監(jiān)測點,將其曲線同時顯示在一個時間維度,對比多個監(jiān)測點的溫度和應力變化。

        圖13 溫度及應力在線監(jiān)測

        3.3 基于BIM技術的運維管理[17]

        3.3.1 BIM信息集成交付與應用

        研究基于IFC、COBie等BIM數(shù)據(jù)標準的的水廠竣工信息交付方法、內(nèi)容和流程,將設計、施工信息進行有效的組織、集成和共享,形成完整的竣工模型,交付給運維方使用。將GIS宏觀模型和BIM微觀模型等不同尺度、不同應用范圍的信息模型有機地組織起來。

        將槐房再生水廠設計、施工過程中的相關信息整理,錄入到BIM運維管理系統(tǒng)中,作為運維管理的數(shù)據(jù)基礎,包含BIM模型數(shù)據(jù)、圖紙文檔資料、設備參數(shù)信息等,并建立基于私有云/公有云的BIM數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)基于云計算技術的運維信息管理。[18]

        3.3.2 基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)水量監(jiān)控與分析

        在BioWin進行模擬,可計算出再生水廠在當前條件出水的COD、BOD、SS、TP、TN和NH4的值,并錄入到BIM系統(tǒng)中,根據(jù)模擬結果對水廠工藝進行調(diào)控。通過對模擬結果的集成分析,輔助再生水廠管理人員調(diào)控水廠工藝參數(shù)、估計運行費用、污泥產(chǎn)量和能耗要求等,提高了再生水廠的生產(chǎn)管理的可預測性和可控性,降低運行風險。

        通過基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)水量監(jiān)控與分析,可以很好地預測來水水量和出水水質(zhì),解決再生水廠工藝調(diào)控依靠經(jīng)驗存在的周期長、風險大、滯后性及資源浪費等問題。

        3.3.3 基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控與預警

        水廠在水處理過程中,會通過預曝氣、添加鐵鹽、硝酸鹽等方式減少H2S的釋放,但是水廠水區(qū)主要構筑物位于地下,一旦發(fā)生H2S超標的事件,將會對水廠工人的生命健康產(chǎn)生嚴重損害。因此,在水廠易發(fā)生H2S泄露部位設置傳感器,搭建毒害氣體監(jiān)測與報警系統(tǒng),用于H2S氣體的監(jiān)測和報警[19]。

        圖14 水量在線分析

        圖15 有毒有害其他在線監(jiān)測

        在BIM運維系統(tǒng)中,可看到所有H2S濃度檢測傳感器的當前檢測到的濃度值,選擇任意的傳感器,可查看該傳感器的詳細參數(shù)以及檢測到的H2S濃度變化趨勢,并可輸出報表等。當H2S濃度超過報警值時,現(xiàn)場聲光報警器會進行報警,BIM運維系統(tǒng)中也會有相應提示,H2S濃度報警值根據(jù)國家規(guī)范中的規(guī)定進行設定。報警記錄會保留在BIM運維系統(tǒng)中,可以事后進行查看,也可將報警記錄打印輸出成報表。

        3.3.4 基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的綜合運維管理系統(tǒng)

        托于項目已有的計算機監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),BIM監(jiān)測集成服務利用OPC協(xié)議獲取監(jiān)測數(shù)據(jù),包括進水流量計量及水質(zhì)監(jiān)測、出水流量計量及水質(zhì)監(jiān)測、各水區(qū)水位監(jiān)控和膜格柵間毒害氣體報警等子系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)。進行基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的綜合運維管理系統(tǒng)需求分析、設計和實現(xiàn)過程,包括系統(tǒng)功能分析、邏輯架構設計、物理架構設計、數(shù)據(jù)傳輸設計、功能設計和系統(tǒng)實現(xiàn)等內(nèi)容,為水廠的綜合運維管理提供支持。

        3.3.5 基于BioWIN輔助工藝運行調(diào)控

        通過對來水水質(zhì)的檢測,分析槐房再生水廠的污水處理工藝,確定工藝的運行參數(shù),建立初步模型。然后根據(jù)水質(zhì)組分,計算污水組分參數(shù),與工藝參數(shù)、模型參數(shù)一并輸入Biowin軟件;將某段時間的進水指標值輸入Biowin軟件,進行模型的校準。校準后的模型針對廠內(nèi)的實際問題進行應用,為工藝調(diào)整及優(yōu)化提供指導建議。

        通過Biowin軟件可對槐房再生水廠不同工藝條件進行多次模擬,找到最優(yōu)的運行參數(shù)來優(yōu)化工藝,在此基礎上進行在線監(jiān)測,及時掌握水廠出水水質(zhì)情況,進而做出最佳的調(diào)整。工藝模擬可大大減少現(xiàn)場試驗工作量,提高工作效率,另外還可以克服依靠工程實驗進行工藝調(diào)整周期長、成本高、風險大的缺點,節(jié)省人力、物力和財力,對提高再生水廠設計、運行和管理水平具有重要的實際意義。

        圖16 系統(tǒng)功能

        4 應用效果

        本工程進行面向建筑全生命期的BIM 集成與應用管理實踐,以槐房再生水廠為示范,將基于云計算的BIM 集成與管理平臺應用于槐房再生水廠工程的建造與運維。通過對防淹泡、消防設計、通風與除臭、節(jié)地設計、工程景觀設計、節(jié)能設計、綠色施工、智能設計與仿真分析、數(shù)字化建造、基于物聯(lián)網(wǎng)施工管控、基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的綜合運維等關鍵技術進行研究,支撐槐房再生水廠工程的安全、生態(tài)、智慧建造。

        依托本工程總結形成的《大型建筑工程智慧建造與運維關鍵技術研究與應用示范》課題已通過北京市科學技術委員驗收??偨Y形成的《北京市中心城區(qū)特大型地下生態(tài)水廠現(xiàn)代化建造技術研究與應用》科技成果,經(jīng)院士及專家進行了課題的鑒定,成果總體達到國際先進水平,其中地下水廠綠色建造技術達到國際領先水平。

        總結形成了BIM技術相關研究報告4份、研發(fā)軟件系統(tǒng)2個、形成軟件著作3項,編制企業(yè)級再生水廠建設的實施導則2個、出版相關專著2本。

        通過BIM技術應用,在槐房再生水廠建造過程中,減少了社會資源浪費,降低了環(huán)境污染程度,促進了建筑業(yè)通過BIM技術向智慧建造方向的邁進。基于BIM技術、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術的建筑業(yè)信息化進程必須突破。通過BIM技術應用,實現(xiàn)了設計階段參數(shù)化、施工階段信息化,運維階段智能化。

        5 總結

        BIM技術的應用,推動了建筑行業(yè)的發(fā)展。本課題的實施與成果應用彌補了北京市中心城區(qū)污水、再生水處理設施建設的諸多不足、破解城市發(fā)展難題,打造了中心城區(qū)特大型權力下再生水廠的建造,恢復了南城清代“一畝泉”濕地生態(tài)保護區(qū),水廠的運行滿足國際領先國內(nèi)最嚴出水標準、滿足國內(nèi)最嚴污泥標準、滿足國內(nèi)最嚴臭氣標準。實現(xiàn)了“環(huán)境友好、社會和諧、功能齊全、綠色高效”的生態(tài)水廠建設理念,真正做到污水處理無臭味、低噪音,實現(xiàn)再生水利用、污泥資源化、能源利用等全方位資源循環(huán)利用。

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