李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程BIM技术应用

文｜中国市政工程华北设计研究总院有限公司 马文新 李旭 杜恺忻 曹雪梅 仝冰洁 胡江涛

1 工程概况

李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程位于青岛市市北区环湾大道与规划长沙路交口，紧邻现状李村河污水处理厂南侧，厂区用地面积48835.40m2，建筑面积14904.90m2。本工程提标规模25 万m3/d，近期扩建规模5 万m3/d，建设完成后总规模30 万m3/d，污水处理厂出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级A 标准及省控重点河流断面水质目标要求，是目前青岛市处理规模最大、出水标准最高的污水处理厂。

按照城镇污水处理厂环境集约友好型要求，青岛市李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程采用半地下建设方式，地下空间利用深度达到15 米，污水处理主要工艺设施集中在地下箱体内，处理单元集约化程度高，较同规模城镇污水处理厂节约城市用地36%以上。同时，地下箱体封闭性强，采用先进的生物除臭系统，实现生物净化技术和空间除臭技术相结合，箱体顶部和各出入口采用立体式景观绿化覆盖，进一步提高了污水处理厂环境集约友好程度。

本工程采用高速气浮、臭氧氧化、MBR 膜处理、板框脱水等国内一流的污水污泥处理技术，出水过滤精度0.1 微米以上，污泥产量降低40%以上，产生的高品质再生水利用率达到100%，并与李村河河道形成厂网河一体化生态补水模式。

2019年12月30日，青岛市李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程已建成投入运行，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级A 标准及省控重点河流断面水质目标要求。

2 BIM 技术应用

2.1 应用目标

李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程包括三部分：一是将李村河污水处理厂原排水口由排入胶州湾调整至李村河河道的改造工程，二是将污水处理厂原城镇污水处理厂的出水指标提标至地表IV 类水标准的提标工程，三是增加5 万吨/日污水处理规模的扩容工程。提标及扩容工程规模大，建构筑物数量多而且结构复杂，总平面布置空间紧凑、管线错综复杂，任何一处设计纰漏都可能造成后续施工困难；改造工程系统复杂，隐蔽性强，不确定因素及外部干扰因素多，容易发生事故。为顺利完成本工程，我们在设计阶段引入BIM 技术，借助三维设计手段来解决设计上遇到的难题，提高工程设计及施工质量，更好地开展该工程的项目管理，达到环境友好、社会和谐、功能齐全、绿色高效的水厂的设计阶段目标。另外由于本工程主要工艺设施集中在地下箱体内，增加了污水厂日常运维管理难度，为解决这一难题，我们利用BIM 的天然特性及BIM 技术三维体验、视觉化管理、信息集成交互三方面的优势，将数据指标与三维场景融合，建设BIM 可视化运维管理平台，提升运维管理效率，降低运维成本，将本工程打造为全国“智慧污水厂”的典范。

2.2 软硬件环境

在 BIM 实施过程中项目使用了 Bentley OBD、Bentley OPM、Navigator、ArchiCAD 等工具类软件，并采用了Project Wise、 Unity 平台类软件，配套使用了网络服务器、固定工作站等硬件设备。

2.3 模拟仿真及智能设计

2.3.1 基于BIM 模型的碰撞检查及图纸输出

BIM 模型是对整个设计的一次“预演”，建模的过程同时也是一次全面的“三维校审” 过程。 在此过程中可发现大量隐藏在设计中与专业配合紧密相关的问题,或者属于空间高度上的冲突，在传统的单专业校审过程中很难被发现。通过BIM 技术提供的碰撞检查功能，可直观地发现图纸中的错、漏、碰、缺与专业间的冲突。从而预检施工过程中可能出现的问题，提前解决，避免工期延误或返工。

对于李村河污水处理厂复杂的设计而言，将复杂的三维模型组织为二维输出，并为此建立了多套视图样板,形成了多套出图体系，提升出图效率，对电子图纸的分类汇总，可以迅速查询到打印所需的图纸，实现了电子文档与图纸档案并存的高效管理模式。另外二维图纸可与模型实时联动，更改模型则图纸可自动更新，保证各专业BIM 模型与二维施工图一致，无需设计人员逐一进行手动更改，减少因设计变更而引起的工作量，同时降低图纸出现错漏的概率。

图1 BIM 模型生成图纸

图2 模型碰撞检查

2.3.2 基于BIM 模型的材料统计

本工程工艺复杂，建筑单体相对较多，设备及材料的种类和数量繁多，如果仅依靠人工统计设备和材料的工程量，难免会出现错漏统计。由于BIM 模型包含构件的所有信息资料，因此在BIM 模型建立过程中，对构件材质进行准确定义，在模型建立完善之后，可快速生成工程量明细表，提升算量效率，为施工成本管理提供数据支持。

同时，材料清单列表内容与模型实时联动，在出现设计变动的情况下，更改BIM 模型结构或者某些构件材质，材料清单中的材料统计量及工程量都会随着模型的变更而变动，操作便捷的同时还能够保证算量统计的准确性。

2.3.3 三维虚拟漫游

通过三维虚拟漫游，可以检查管道的空间布局与设备位置是否合理，为施工阶段的设备安装提供了空间保障。

图3 原模型和原清单

图4 改动后的模型和清单

图5 虚拟漫游效果图

2.4 基于BIM 技术的可视化运维管理

李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程BIM可视化运维管理平台的建设，主要以实现数字化运维管理为目标，通过运用BIM、大数据、物联网等信息化技术，打造“智慧污水厂”运维管理平台。本平台包含的功能模块如图6所示：

李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程BIM可视化运维管理平台目前已开发完成的功能模块包括首页、综合总览、设备管线及后台管理中的一些相关模块，其他功能模块正在开发进行中，已完成的各模块的主要功能如下：

2.4.1 首页

该页面主要对污水处理厂概况、工艺流程简介、运行指标、电耗统计图、进水水质指标、出水水质指标及整个污水处理厂整体外景全貌进行展示。

2.4.2 综合总览

本模块用于显示全厂的三维场景，包含厂区总览和工艺流程两项子功能，在厂区功能下可以查看指定建构筑物的土建信息。

图6 功能模块清单示意图

图7 首页界面

图8 综合总览-厂区总览界面

图9 综合总览-厂区总览-构筑物土建信息界面

图11 设备管线-管线详情界面

选择综合总览后会默认进入旗下第一个功能“厂区总览”页面。

该功能页面为一个三维交互展示页面，为整个李村河污水处理厂提供全厂总览式的三维可视化视图。

2.4.3 设备管线

本模块用于展示建构筑物内的设备、管线模型以及对应的相关信息。通过点击左侧的区域可以进入到该区域的内部场景，显示建筑内部包含构筑物和设备。进入指定区域的场景后，用户可以通过点击左侧设备管线清单上的按钮选择查看设备或者查看管线（两者为互斥关系，不能混合查看）。

在“查看设备”功能界面下，当在三维内景中选中某生产工艺设备时或者从左侧的设备列表选中指定设备时，三维中被选中设备边缘会高亮提示，并在设备上显示出该设备的名称标签，同时会在右侧显示出该设备“信息窗口”用于显示对应的设备信息。另外在该功能界面下，支持设备定位检索及设备信息编辑等操作。

在“查看管线”功能界面下，当在三维内景中选中某管道时或者从左侧的设备列表中指定管道时，三维模型中被选中管道边缘会高亮提示，并显示出该管道的名称标签，同时会在右侧显示出该管线“信息窗口”用于显示对应的管线基础信息，包括：类型、管径、长度、材质。另外在该功能界面下，支持管道定位检索的操作。

2.4.4 后台管理

后台管理模块为整个平台提供数据录入、维护管理界面，并可支持对大屏可视化呈现指标的修改编辑。

后台管理模块目前已完成设备管理、土建管理、资产管理、数据维护及系统管理五个子模块的开发，各子模块的主要功能如下：

（1）设备管理

该模块为日常执行和操作人员提供设备台账功能，并为系统管理员提供设备位置、设备类型、设备型号的配置管理功能以及设备资料的上传管理功能。

设备台账管理：主要为日常执行和操作人员提供新建、查询和维护设备数字化档案功能，以便将所有投产生产设备进行数字化管理。

设备位置管理：主要为系统管理员提供设备位置的配置管理功能，管理员可对设备位置进行新增、编辑和删除管理，以实现系统数据标准化。

图12 设备台账管理界面

图13 设备位置管理界面

图14 设备型号管理界面

设备类型管理：主要为系统管理员提供有关设备类型的配置管理功能，管理员可自行配置管理设备类型，以实现系统数据标准化。

设备型号管理：主要为系统管理员提供设备型号的配置管理功能，管理员可自行定义某个设备型号所属的设备类型，并设置对应的设备参数，从而实现批量管理设备型号及对应参数的目的，以实现系统数据标准化。

设备资料管理：主要为系统管理员提供以设备型号为索引的设备资料上传及管理功能。

（2）土建管理

该模块为资产管理人员提供整个水厂的土建信息录入和管理功能。

（3）资产管理

该模块为资产管理人员提供资产台账的数据录入和管理功能，并为系统管理员提供资产类型、资产位置的系统数据配置管理功能。

（4）数据维护

该模块为日常执行和操作人员提供面向全厂总览指标页的数据录入维护功能以及系统标题名称维护功能。

（5）系统管理

系统管理模块主要为系统管理员提供与用户及权限管理相关的功能，方便系统管理员对用户、角色及权限进行管理。

图15 设备资料管理界面

图16 资产台账管理界面

图17 资产类型管理界面

图18 资产位置管理界面

3 应用效果

本工程进行面向市政基础设施全生命期的BIM 集成与应用管理实践,以李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程为示范,将BIM 技术应用于李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程的建设与运维。通过BIM 技术的应用,在李村河污水处理厂建设过程中,减少了社会资源浪费,降低了环境污染程度,促进了市政行业向智慧建造方向的迈进。通过BIM 技术、物联网、大数据等技术的应用，实现了水厂的智慧运维，提高了运维管理水平，降低了运维成本。

4 结语

在“新基建”及国家“十四五规划”的背景下，BIM 、GIS、物联网、5G、云计算等新一代信息化技术的应用,必将推动市政行业向智慧建造、智慧运维方向的转型发展。李村河污水处理厂作为目前青岛市处理规模最大、出水标准最高的污水处理厂，通过在建设和运维过程中应用BIM、物联网、大数据等新一代信息化技术，实现了“环境友好、社会和谐、功能齐全、绿色高效”的生态水厂建设理念,做到了让水厂的运行变得高度智能、安全、高效和透明，并使其成为青岛市智慧城市的一部分。