蔣力儉

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司 200092)

引言

近年來, 隨著人們對水環(huán)境和空氣環(huán)境治理的要求提升, 城市污水處理廠的建設(shè)模式逐步從傳統(tǒng)地上分散式, 轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵路忾]式。 地下式污水處理廠主要分布在在國內(nèi)一二線城市或沿海經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域。 具不完全統(tǒng)計, 截止至2018 年,國內(nèi)的地下式污水處理廠數(shù)量約30 余座, 工藝形式以 AAO 和 MBR 為主[1]。 BIM 技術(shù)目前在市政工程領(lǐng)域, 特別是污水處理廠建設(shè)領(lǐng)域, 應(yīng)用案例較少。 張呂偉等[2]介紹了采用REVIT 軟件進行給排水工程協(xié)同建模方式的探索。 李明奎[3]在槐房再生水廠工程中進行了一系列的關(guān)于BIM技術(shù)的課題研究, 通過BIM 技術(shù)進行場地分析、采光分析、 疏散分析、 除臭分析、 施工模擬等應(yīng)用, 實現(xiàn)了地下再生水廠工程的BIM 技術(shù)全過程應(yīng)用。 但目前還未有一座地下式污水處理廠采用BIM 技術(shù)進行深入應(yīng)用的報道。 因此, 本文從某新建地下污水廠的建設(shè)過程出發(fā), 闡述在項目建設(shè)過程中BIM 技術(shù)的應(yīng)用模式和應(yīng)用價值。

1 地下污水廠建設(shè)難點分析

以上海某新建地下污水處理廠為例, 污水廠近期工程規(guī)模40 萬m3/d, 遠期工程規(guī)模55 萬m3/d。 另包括一座15 萬 m3的系統(tǒng)調(diào)蓄池。 污水廠采用“AAO+深度處理”工藝, 出水水質(zhì)執(zhí)行國家一級A 標(biāo)準(zhǔn)。 結(jié)構(gòu)形式采用全地下式一體化箱體結(jié)構(gòu), BIM 模型見圖1。 主要分為三層, 包括地面層、 箱體上部操作層、 箱體下部構(gòu)筑物層。

該項目的實施難點主要有5 個方面:

(1) 深基坑工程: 本污水廠主體工藝段采用集約化箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計, 整體尺寸為350m ×350m, 共分為兩層, 下層為構(gòu)筑物池體, 上層為操作層。 箱體底部不同區(qū)域的標(biāo)高為-11.3m 和-8.3m, 頂部標(biāo)高5.5m, 基坑深度為14.3m ～17.5m, 頂部頂板以上還有1.5m 厚覆土, 采用“逆作法”施工的單體深基坑, 具有深度深、 面積大的特點, 施工難度非常高。

(2) 管線系統(tǒng)復(fù)雜: 本污水廠作為全地下式設(shè)計, 為改善污水廠運行環(huán)境, 確保密閉空間中的有毒有害廢氣濃度在安全范圍內(nèi), 在設(shè)計過程中, 對全廠的通風(fēng)系統(tǒng)、 除臭系統(tǒng)進行了精細化設(shè)計, 導(dǎo)致在地下空間中的各類工藝管線、 風(fēng)管和電氣管線錯綜復(fù)雜, 需要對管線進行綜合排布優(yōu)化, 確保操作層中的凈空高度滿足設(shè)備安裝維修要求, 又要盡可能減小管線層高度, 降低結(jié)構(gòu)層高, 繼而減小基坑開挖深度和施工難度, 節(jié)省投資。

(3) 設(shè)備種類和數(shù)量多, 管理難度大: 本污水廠設(shè)備種類繁多, 大型設(shè)備數(shù)量超過2000 臺(套), 是一般傳統(tǒng)污水廠的4 倍以上, 對設(shè)備的采購、 發(fā)貨、 驗收、 資料整理、 安裝調(diào)試等各項工作帶來巨大的壓力, 亟需一套完整的信息化系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)的管理和流程的管控。

(4) 安全管理要求高: 為方便污水廠設(shè)備進場和吊裝, 頂板和中板上預(yù)留了50 多個設(shè)備吊裝孔洞, 由于設(shè)備安裝時間比較集中, 需要對各單位使用洞口的時間和權(quán)限進行協(xié)調(diào), 管理難度較大。 雖然項目建設(shè)單位制訂了《狹小空間作業(yè)安全管理辦法》, 但辦法的落實和實施, 需要相應(yīng)的流程和手續(xù)進行管理。 單純靠監(jiān)理人員進行人工管理, 面對眾多的洞口位置, 溝通和協(xié)調(diào)難度非常大。

(5) 通水調(diào)試難度大: 作為集約化設(shè)計的非常規(guī)工藝污水處理廠, 通水調(diào)試的方案設(shè)計和理解對調(diào)試人員的專業(yè)能力提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。 一方面本項目調(diào)試周期要求非常緊, 僅為常規(guī)工程的一半時間, 另一方面非常規(guī)的工藝流程設(shè)計的調(diào)試方案需要借助其他的手段來協(xié)助方案的說明和論證。

2 BIM 技術(shù)應(yīng)用策劃

圍繞地下污水廠建設(shè)的難點, 針對項目需要進行BIM 技術(shù)應(yīng)用的策劃, 用于指導(dǎo)建設(shè)過程的BIM 應(yīng)用開展, 見表1。

表1 項目BIM 技術(shù)應(yīng)用點總覽Tab.1 Overview of BIM Technology application issues

3 BIM 技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 基坑施工方案模擬

本項目基坑支撐體系共有3 道水平支撐和1道斜拋撐, 采用蓋挖逆作法施工, 該方案利用操作層樓板作為支撐, 下層加盆式開挖和斜撐。 該施工方案對結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求高, 施工步序復(fù)雜且嚴格。

根據(jù)施工方案, 主要施工工序如下:

(1)地連墻澆筑完成后, 放坡開挖至2.00m標(biāo)高, 澆筑冠梁, 開挖至-1.00m 標(biāo)高, 施工操作層樓板及以上部分, 預(yù)留出土孔；

(2)進行蓋挖法施工, 大面積盆式開挖至-14.3m深處, 澆筑 A、 C 區(qū)底板及 B、 D 區(qū)第三道臨時支撐；

(3)施工第二道斜拋撐, A、 C 區(qū)域撐在底板上, B、 D 區(qū)域撐在第三道臨時支撐上；

(4)挖除周邊預(yù)留土坡, 拆除斜拋撐；

(5)B、 D 區(qū)域繼續(xù)開挖至 -17.5m 深處, 澆筑底板及池壁。

結(jié)合基坑BIM 模型, 將開挖過程分解為12個步驟分別演示, 如圖2 所示。 通過BIM 模型的可視化功能, 清晰地將工序開展過程、 設(shè)備布置、 出入場路線等在基坑模型上進行綜合展示,從而協(xié)助施工交底。

圖2 基坑施工工序模擬Fig.2 Construction simulation of deep excavation

3.2 管線深化設(shè)計和綜合

為降低工程造價, 減小地下箱體的埋深, 污水廠一體化箱體地下一層的操作層的設(shè)計層高僅6.5m, 層內(nèi)布置了工藝、 暖通、 除臭、 電氣、 儀表5 個專業(yè)共20 多種管線系統(tǒng)。 地下二層的構(gòu)筑物層, 所有主要工藝管道都布置在相鄰構(gòu)筑物間約3m 寬的狹窄管廊內(nèi), 最大工藝管道管徑超DN1500, 最大除臭風(fēng)管尺寸超 2000mm ×1500mm。 管線設(shè)計排布既要實現(xiàn)功能的合理性,又要降低管道工程的成本和安裝難度, 還要考慮今后巡檢人員的日常巡邏、 維修的便利性, 設(shè)計難度非常高。

通過BIM 模型的管線綜合, 對所有管線進行綜合協(xié)同審查, 如圖3 兩個節(jié)點所示, 對管線空間碰撞節(jié)點進行協(xié)調(diào)避讓, 對閥門等操作手柄不合理的對象進行方向調(diào)整, 對需要結(jié)構(gòu)上預(yù)留孔洞的位置和尺寸進行復(fù)核, 通過協(xié)調(diào)將原有發(fā)現(xiàn)的碰撞點由2000 多處降低到不到50 處, 再通過設(shè)計的優(yōu)化修改將剩余的問題全部解決。

圖3 工藝管廊的復(fù)雜節(jié)點碰撞協(xié)調(diào)Fig.3 Collision coordination of complex nodes in pipe gallery

為方便設(shè)計和施工人員對存在問題進行討論, 還可以通過VR 設(shè)備、 觸摸大屏等手段, 讓相關(guān)人員快速查看管線設(shè)計方案, “親身”體驗今后巡檢和維修的便利性, 通過優(yōu)化管線布置, 實現(xiàn)管線系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計。

3.3 設(shè)備管理系統(tǒng)

地下污水廠設(shè)備眾多, 而且專用的特殊大型設(shè)備占的比例較高, 項目建成后設(shè)備管理對污水廠運行具有重要的作用, 因此在建設(shè)階段設(shè)備資料的整理和數(shù)據(jù)采集具有重要的價值。

在施工階段, 項目要求所有標(biāo)段設(shè)備供應(yīng)商必須提交設(shè)備BIM 構(gòu)件, 以及布置好設(shè)備構(gòu)件的構(gòu)筑物BIM 模型文件, 并要求在模型中填寫完整的設(shè)備編號等信息。 通過BIM 輕量化技術(shù)處理后, 可以通過網(wǎng)頁瀏覽器查看設(shè)備模型, 如圖4所示。 實現(xiàn)污水廠竣工后設(shè)備模型和信息的數(shù)字化交付。

圖4 BIM 模型輕量化后的設(shè)備構(gòu)件和信息Fig.4 Information query in lightweight model

通過基于BIM 模型的輕量化和信息化開發(fā),項目中定制開發(fā)了設(shè)備管理系統(tǒng), 包括產(chǎn)品資料庫、 采購計劃、 安裝計劃、 設(shè)備管理臺帳等多個模塊, 將所有廠內(nèi)設(shè)備的信息從廠家資料、 到采購發(fā)貨, 再到進場和安裝驗收全過程, 進行資料收集和數(shù)據(jù)錄入, 實現(xiàn)隨時掌握設(shè)備安裝進度的要求。 同時, 所有采購設(shè)備的編號和BIM 模型的設(shè)備編號保持一致, 并進行自動匹配, 可以相互校對, 避免遺漏或多余, 通過系統(tǒng)統(tǒng)計生成設(shè)備的統(tǒng)一報表, 方便建設(shè)過程的管理查詢。

3.4 安全管理系統(tǒng)

圖5 洞口安全管理流程Fig.5 Management process of reserved holes

根據(jù)本項目建設(shè)單位發(fā)布的《狹小空間作業(yè)安全管理辦法》, 為保證管理辦法的執(zhí)行效果,以 BIM 模型為基礎(chǔ), 開發(fā)洞口安全管理系統(tǒng), 以對建設(shè)過程中的吊裝預(yù)留孔洞的使用、 移交和封閉全過程進行規(guī)范化管理。 主要管理流程如圖5所示。

在 BIM 模型中對預(yù)留洞口進行建模和編碼, 可以生成完整的洞口統(tǒng)計列表, 開發(fā)基于BIM 可視化的洞口管理系統(tǒng), 可以在模型上查看和選擇各個洞口, 通過洞口的移交和封閉流程的審批管理, 實現(xiàn)各標(biāo)段洞口的使用權(quán)限和責(zé)任、 實時記錄安裝人員出入洞口的數(shù)量和名單等功能。 當(dāng)各標(biāo)段安裝作業(yè)人員進出洞口時, 監(jiān)理人員需查驗審批流程無誤后方可通行,基于三維模型還可以查看洞口所在位置, 精確掌握洞口的實際使用狀態(tài)。 采用信息化的管理系統(tǒng), 大大簡化了洞口安全管理的難度, 提升了建設(shè)管理效率。

3.5 通水調(diào)試方案模擬

地下污水廠采用的結(jié)構(gòu)是一體化箱體結(jié)構(gòu),工藝進出水方式和常規(guī)污水廠差別較大, 在項目進入調(diào)試階段時, 基于二維設(shè)計圖的進水調(diào)試方案匯報時, 遇到了較大的困難。 因此, 建設(shè)單位要求利用BIM 模型進行調(diào)試方案的模擬演示, 以方便調(diào)試過程和以后投入運行后對操作人員的指導(dǎo)。

利用BIM 模型導(dǎo)入unity 3D 中, 根據(jù)通水調(diào)試方案的文本, 利用動畫模擬水流通過管道、 箱涵和構(gòu)筑物內(nèi)的全過程, 展現(xiàn)通水過程各種設(shè)備和閥門的開啟順序, 以及構(gòu)筑物內(nèi)的水位變化情況。 如污水廠中的調(diào)蓄池, 由于運行工藝較為復(fù)雜, 在清水調(diào)試階段, 可以將全過程分解為10個階段(圖6):

(1)臨排管道將清水注入到調(diào)蓄池, 作為后續(xù)污水廠調(diào)試的源水；

(2)打開底部閘門, 清水通過第一組調(diào)蓄池流入調(diào)蓄池泵房底部；

(3)打開第二組調(diào)蓄池底部閘門, 清水從底部空腔流入到第二組調(diào)蓄池并注滿；

(4)調(diào)蓄池注滿水后, 打開上部閘門開始出水, 清水自流到泵房上部；

(5)打開泵房上部左側(cè)出水閘門, 水自流從左側(cè)渠道出水；

(6)調(diào)蓄池上部清水出水完畢后, 關(guān)閉泵房上部所有閘門；

(7)打開調(diào)蓄池下部閘門, 清水流入泵房底部空間；

(8)開啟調(diào)蓄池的軸流泵抽水, 將泵房底部的水提升至泵房上部；

(9)清水通過拍門注滿泵房上部空間；

(10)調(diào)蓄池打開泵房上部左側(cè)出水閘門, 水自流從左側(cè)渠道出水。

圖6 調(diào)蓄池清水調(diào)試方案BIM 模擬Fig.8 The trail run simulation of the storage tank

通過對調(diào)試方案的步序分解, 將調(diào)蓄池的工藝流程進行模擬, 可以大大提高通水方案的討論效率, 協(xié)助各方快速理解調(diào)試方案的具體過程, 對今后投入正式運行后的運行工況調(diào)整也具有重要的意義。

4 結(jié)語

針對地下式污水處理廠的建設(shè)難點和復(fù)雜點, 利用BIM 模型在可視化、 模擬分析和信息傳遞上的優(yōu)勢, 制定項目BIM 應(yīng)用目標(biāo)和方案, 推進BIM 技術(shù)在建設(shè)中的落地應(yīng)用。 地下式污水處理廠作為污水處理廠工程中結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)最為復(fù)雜的類型, BIM 技術(shù)在其建設(shè)過程中具有重要的應(yīng)用價值和意義。