BIM技术在上海泰和污水处理厂工程中的应用

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

图1 泰和污水处理厂工艺流程图

1 工程概况

泰和污水处理厂位于上海市宝山区上海外环线以内，规划共富路、规划梅林路、泰联路、蕰藻浜北侧绿化带围合的区域内，属于上海市中心城区。

泰和厂规划总规模为60万m3/d，本次一期工程建设规模为40万m3/d[1]。出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，其中氨氮和总磷指标执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类水标准，污泥需处理至含水率按小于等于40%后外运处理处置。

为最大限度减少污水厂设施对周边环境的影响，同时亦满足用地规划的控制要求，泰和厂采用了全地下式的布置形式。厂区以联谊路为界分为南北两块，北侧地块面积为14.91 hm2，地块内为全地下一体化箱体，建设有预处理区、反应区、深度处理区、出水区及泥处理区。南侧地块包括一座容积为15万m3的系统调蓄池、厂前区、出水高位井及远期建设的预留用地(如图2所示)。

图2 泰和污水处理厂平面图

泰和污水处理厂从2017年4月开工建设，2017年11月正式开始主体工程的施工，2019年10月项目建成实现达标通水，整个施工工期仅约2年半时间。泰和污水处理厂是目前国内水、泥、气、声综合治理标准最高的污水处理厂工程，以及国内采用全流程集约化布置规模最大的全地下污水处理厂工程。

2 BIM应用需求分析

2.1 水务工程BIM应用现状分析

BIM思想源于20世纪70年代，并随着时代进步，内涵逐渐丰富完整。目前BIM技术已广泛应用于工程建设领域，BIM技术的相关研究也是信息技术领域的重大热点[2]，在水务项目建设全生命周期中也有一定的应用[3]。随着近年地下式污水厂的建设逐步铺开，BIM技术对污水厂建设及管理带来了许多新思路和新手段。

2.2 工程挑战及BIM应用需求分析

作为上海市中心城区规模最大的全地下污水厂，本工程的建设面临着如下挑战：

(1)集约化布局设计要求高。泰和厂一体化箱体尺寸为349m×350m，共分为两层，基坑深度为14.3～17.5m，箱体设计需要充分协调各专业设计原则，确保布局合理，并全面统筹考虑水流、泥流、人流、车流的合理组织[4]。

(2)软土地区超大超深基坑建设难度大。作为地下式大型基础设施，其基坑面积达12.2万m2，且采用“逆作法”施工，合理的支撑布置和设计一方面需保证基坑安全，同时还要结合工期要求整体考虑基坑开挖及施工次序问题[5]。

(3)水、气流态复杂。全地下污水处理厂有别于传统污水厂，一般为双层集约化布置，下层为紧凑布置的生产性构筑物及管廊层，上层为空间较为开阔的操作层[6]。通过传统人工计算的方式，难以真实了解水、气流的真实分布情况。

(4)运行管理智慧化要求高。作为上海市中心城区规模最大的全地下污水厂，同时也将要打造成“环境友好型”的花园式污水厂。本工程的运行环境、运行安全、自动化控制管理要求更高，需要引入先进技术手段，打造标准化、科学化、精细化的智慧污水厂。

基于上述难点及挑战，本工程对超大规模地下式污水厂开展了设计、建设及运维全方位的BIM应用。

3 BIM技术应用框架

本工程在项目开展初期充分考虑本工程的建设难点，展开全生命周期BIM技术应用策划，并把未来高质高效的运行也纳入考虑。本工程BIM应用总体架构如图3。

架构的底层为打通全生命周期数据接口，形成三维数字化应用标准体系。统一的应用标准的建立，将规范本工程全生命周期应用，有利于解决本工程管理过程中“信息孤岛”、“多方协同”的难题，突破工程信息化管理的瓶颈。

架构的顶层为结合多种创新技术，形成面向智慧化运维需求的数据储备。必须要结合多种创新技术，围绕运维需求进行三维数字化数据的重构，保证数据能被有效应用至运维阶段，为智慧化运维提供技术支撑和决策支持。

4 设计阶段BIM技术应用

地下式污水厂的特点是采用高度集约化布局形式，泰和厂的绝大部分功能单元都集成在约349m×350m的地下整体构筑物内，如图4所示。各功能单元的功能构造和结构支撑构件共壁共用，同时又与衔接各功能单元之间的渠道和管道的布局相互影响制约，各功能单元和各专业之间的协同设计非常复杂，因此，本工程采用基于BIM技术的协同设计手段，探索适用于地下式污水厂的、高效且准确的设计协同方法。

图3 本工程BIM应用总体架构

图4 本工程管廊层总平面图

4.1 快速三维设计工具应用

由于地下式污水厂集约化设计的特点，前期方案的稳定及完善对工程后期的整合及协调效率的提升尤为重要。

本工程采用Formit软件对多个设计方案进行设计比选，并通过插件直接导入Revit中，实现与其他处理单元的快速整合。通过Formit软件还可实现SKP、RFA和Formit文件(AXM)之间的数据转换，大大减少了集约化处理设施的设计沟通成本，为设计校核优化提供了方便易用的手段。

图5 多个方案快速三维设计

4.2 多专业设计方案整合及展示

对于地下式污水厂设计，需结合各专业分工情况，在项目前期对各单体、各专业模型的分界面进行规定。对于排水、暖通、除臭、电气、仪表等以管线为主体的专业，采用中心文件进行专业内的协同，由专业负责人承担模型整合及统筹调整的工作，中心文件以链接文件的形式汇总至整体模型中。

图6 各专业设计模型

图7 多专业设计方案整合 图8 实景全景渲染展示

4.3 碰撞检查工具应用

地下式污水厂采用集约式布置，管线众多，错综复杂。本工程尝试了Revit、Navisworks、Fuzor等多种工具进行碰撞检查。

对于Revit自带的碰撞工具，目前只能对默认的模型类别进行碰撞，生成的碰撞报告也相对简单，其优点是可以直接在设计软件中完成检查并直接进行修改。将各专业Revit模型导出成nwc文件，通过Navisworks中的crash detective工具可以完成全专业或单专业之间的检查，如仅进行排水、电气专业的检查，还可以按照楼层进行碰撞检查。Fuzor提供的碰撞对象跟Revit类似，生成的报告跟Navisworks类似，不仅包含图片，还包括碰撞的相关信息，如距离、位置、对象等。

对于污水厂设计中各专业管线排布初期或专业内的碰撞，可采用Revit自带的碰撞工具进行检查； 待项目进入最终的管综调整时，拟由各专业负责人进行模型整合后，在Navisworks中进行检查并组织各专业协调讨论。

图9 管廊层管线综合碰撞设计

图10 管线综合碰撞检查

4.4 水力流态分析

传统设计过程中，对于处理设施的流态情况，很难通过人工计算的方式得到准确的流态数据。本工程结合计算流体力学(CFD)的分析方法对水力流态进行分析。

以进水泵房为例，本工程以BIM模型为基础，对格栅、潜水泵处等局部进行合理简化，建立自进水井、格栅井、导流区、泵机区的三维数值计算模型，对泵房内部流态进行模拟及分析。采用相关流态模拟软件，模拟处理设施不同工况、不同布置方案下的水流状态，为工艺设计参数的设定提供一定的理论依据。通过计算结果，最终选择水流更平稳，波动较小，基本无较大涡流、水翅，水泵吸水口流量分布更为均匀的方案作为设计方案。

图11 水力流态模拟

4.5 气流组织模拟分析

因地下式污水厂的封闭性及特殊性，目前尚无针对地下式污水厂制定的通风设计标准，大部分地下式污水厂通风设计具有较大余量，造成一定的建设投资浪费和不必要的能源浪费。

为得到对地下式污水厂气流组织情况的准确认知，本工程结合计算流体力学(CFD)的分析方法对单根风管均匀性、各通风系统均匀性、大空间气流组织等进行了精细化的分析。

以大空间气流组织分析为例，本工程对机械进机械排/自然进机械排、两边进中间排/中间进两边排等不同模式进行对比验证，最终确定处理效果最优的模式三作为本工程的通风模式。同时，以CFD仿真结果为依据，本工程最终也优化了将近30%的风管长度。通过BIM技术结合CFD的分析探索，可为形成相关标准作技术储备。

图12 本工程的通风模式比选

5 施工阶段BIM技术应用

5.1 超大基坑受力分析

本工程依托BIM技术手段，在Robot软件中进行基坑总体设计方案选型、基坑内部支撑体系、逆筑法施工取土孔优化布置等受力分析，并进行复杂盖挖逆作法施工过程的精细化模拟，并形成软土地区无梁板换撑条件下全地下污水处理厂超大平面深基坑总体设计及施工方案。本工程顶板取土孔面积达4万m2，控制基坑变形在1.4‰以内，节约近40%的地墙、槽壁加固、支撑花费，与顺作法相比减少近20%的施工工期。

图14 一体化基坑施工次序模拟

5.2 基于BIM建设管理平台的有限空间作业管理

本工程采用盖挖逆作一体化箱体施工方法，为保证后期设备运输、吊装及安装工作，需预留后浇洞口。

本工程在Revit当中进行预留洞口的设计及编码后，利用清单工具进行统计，施工过程中一体化箱体顶板预留洞口约30多个，中板预留洞口约50多个，给施工现场带来狭小空间施工作业安全隐患。因此，本工程也利用BIM技术加强施工现场交叉及穿插作业管控。

图15 一体化箱体预留洞口统计

对于大型设备，本工程提前利用BIM模型进行运输安装模拟，对施工路径进行精确预演和协调。同时，结合地下式污水厂的特点及建设管理需求，采用自主研发的基于BIM的建设管理平台进行施工全过程的管理，并创新性地开发有限空间安全管理模块[8]，实现预留洞口的安全责任人、使用状态及使用人员的统计，并通过线上信息化审批流程实现有限空间作业人员和作业区域的有效管理。

图16 有限空间安全管理模块

6 全地下污水厂BIM+智慧化应用

将设计、建设积累的BIM数据及实时运行的全厂多源异构数据综合汇聚集成，能真正使数据产生价值[9-10]。借助先进的GIS、图形引擎技术、数据可视化技术，充分发掘多种BIM+智慧化应用，能有效提升泰和污水处理厂的精细化水平。

6.1 BIM+SCADA生产实时监视

本工程对运维阶段数据应用的需求开展了调研，对数据进行解析、提取、优化、重构的技术进行了研究，使BIM数据能便捷地应用在运维阶段。

在BIM数据基础之上，结合污水厂自控SCADA系统，将设计、建设以及实时运行多维数据综合整理汇聚，并通过图形显示引擎和数据可视化技术，便捷直观地将各项数据按需展示给运维管理人员，并以此为基础关联各项运维管理工作的信息化，实现厂区“一图统观，一网统管”智慧化管理。

图17 基于BIM的生产实时监视系统

6.2 BIM+UWB环控及安全管理

本工程全生命周期的BIM数据积累，为打造一座“数字孪生”概念的智慧工厂提供了良好的数据基础。

图18 基于BIM的环控及安全管理系统

本工程引入UWB室内定位技术，以BIM数据及轻量化引擎为基础，实现厂区人员身份确认、位置定位、轨迹回放、照明联动控制。通过手持智慧终端实现厂区人员安全权限管理、导航参观人员位置定位、工单路线导航、逃生出口导航、紧急一键撤离导航等智慧化功能。

7 总结与展望

面对超大规模全地下式污水厂建设及运维的技术挑战，本工程借助BIM技术，紧密围绕着“BIM+智慧化”助力水务工程绿色发展和工程全生命周期精细化管理的先进理念，开展了超大规模地下式污水厂BIM技术应用探索。在BIM技术的助力下，采用BIM技术进行高精度的性能模拟分析，为本工程提供了高效的、精准的、可量化的决策依据，充分体现设计阶段BIM技术不可替代的应用价值。在建设阶段积累的丰富BIM数据的基础上，将BIM技术与工业物联网、先进传感器等新兴技术相融合，形成了运维阶段的多种智慧化应用，促成了全地下污水厂新型智慧化运维管理模式的诞生，也为本工程运维水平进一步的智慧化提升奠定了良好基础。