BIM技术在大型餐厨垃圾厂的应用——以上海生物能源再利用项目二期为例

文｜上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 鲁庆丹

随着BIM 技术的发展，其应用已经不仅限于房屋建筑行业，而是扩展至市政基础设施、商业综合体、医疗、文化体育、科研办公、工业建筑、交通运输、水利水电、工程建筑等各个领域，其应用阶段也从设计拓宽至施工、运维，直至项目的全生命周期。BIM 技术在设计阶段的运用主要包含各专业建模、碰撞检查、管线综合以及净高分析运用，施工阶段以施工方案模拟、进度可视化管理、质量安全管理为主，运维阶段则主要包括运维模型搭建、管理系统搭建、设备管理及能耗管理等。BIM 技术已经广泛运用于各行各业，但是至今为止将其运用于餐厨垃圾处理厂这一设备与土建紧密衔接类型的不多，本文对BIM 技术在大型餐厨垃圾处理厂设计和施工阶段的运用进行探索。

1.项目信息

上海生物能源再利用项目二期工程位于老港生态环保基地内、上海生物能源再利用项目一期工程南侧地块，用地面积约195 亩。处理对象为上海市中心城区和浦东新区南片区餐厨垃圾，处理规模为1500 吨/日，其中包括餐厨垃圾900 吨/日，厨余垃圾600 吨/日，是上海市最大的餐厨垃圾处理项目。本工程处理规模大，包含餐厨、厨余垃圾预处理，高低浓厌氧消化、沼液脱水、沼渣干化、沼气净化等11 个复杂的工艺系统。餐厨垃圾采用“大物质分拣+精分制浆+除砂+除杂+三相分离+立式提油”预处理工艺，厨余垃圾采用“粗破碎+大物质分拣+挤压脱水/破碎制浆+除砂+除杂”预处理工艺，预处理后有机质进入厌氧系统进行产沼，沼气净化后除厂区自用部分外并网发电。

图1 项目鸟瞰图

2.设计阶段

2.1 软件协同进行土建建模

本工程主要建筑为综合预处理车间、厌氧罐区、锅炉及发电机房、黑水虻处理车间以及初雨事故池。对于固体废物处理工程而言，传统设计流程首先是进行方案设计，工艺专业提出设计条件图，建筑专业在此基础上进行深化再交接至结构专业，结构专业进行结构设计后再返回建筑和工艺专业进行复核，并最终确定建筑物的框架结构。由于三维建模所需的时间成本大于二维设计，虽然其精确度高，但二次修改工作量大，因此，三维建模在项目的介入点建议自结构专业完成后。结构专业采用的结构计算软件，如PKPM 系列软件、YJK 设计计算软件等，都具备将计算模型直接导出为BIM 模型的接口。本工程结构专业采用PKPM 软件进行设计，计算模型可直接导出为Revit 模型，结构模型作为单独的文件，链接到建筑模型中，可灵活修改。

2.2 多专业协同设计建模

土建模型的建模完成后，工艺、给排水、暖通、电气各个专业可以在土建模型基础上进行各专业建模。目前，主流的三维设计软件有 Bentley 系列软件、Autodesk系列软件、还包括AVEVA PDMS 等专业设计软件。这些软件都开发了相关的协作功能，各专业设计人员可以进行协作设计。本工程采用Autodesk Revit 软件进行三维建模，该软件可以设置中心文件为终端文件，各专业采用工作集的形式在本地副本进行本专业三维建模，并随时与中心文件同步来上传本地变更，同时获取其他专业的最新模型，较传统的二维设计，具有两大明显的优势：第一，信息的全面性。二维设计时，设计人员需要结合建筑、结构图纸，其他相关专业的图纸进行管线布置，设计效率低，出错率高。三维设计能在模型中直观获取所有所需的信息，高效便捷。第二，信息的实时性。二维设计时，各专业图纸不会进行频繁的交接，一般只进行初次的交接和重大变更，导致信息传递延滞，效率低下。三维设计时，各专业几乎实时同步模型，消除信息传递时间差，提高设计效率。

图2 综合预处理车间、黑水虻车间BIM 模型

2.3 设备建模

图3 工程通用设备构件库界面展示

由于机械设备行业与建筑行业制图标准存在巨大差异，目前市面上还没有一款软件能够同时兼顾土建和设备两方面的建模和出图，因此，在土建建模软件中不断积累设备模型、形成数据库，或成为当前阶段实现土建、设备在同一建模框架、统一数据格式情况下建模的最优途径。在固废处理工程中，设备模型的一般只要求达到构件级精度，即外形尺寸和接口准确。设备模型的选用要分为通用设备和专用设备两种情况来讨论。首先是专用设备，只针对于某一特定用途，没有统一的国家规范或行业标准，如本工程中的挤压脱水机、破碎制浆一体机等，其外形设计根据不同品牌有相当的差异。如果直接将设备集成到同一模型中，模型体量大，对硬件要求高。Autodesk Revit 软件包含多种软件接口，可导入*.dwg，*.dxf ，*.dgn，*.sat，*skp等多种格式的文件，本工程尝试以*.dxf ，*.dwg，*.sat 三种格式导入设备，都因为设备体量太大，导致软件运行卡顿。这是由于对于多数设备商提供的Solidworks 设备模型精度达到 《建筑信息模型设计交付标准》（GBT 51301-2018）中的4.0 级模型精细度，也就是零件级模型单元，即使是抽壳模型也包含了很多不必要的细节信息。此时，模型的减量化显得尤为重要，可用Solidworks 软件工具面板“defeature”功能、Autodesk Inventor 装配选项卡中的“简化”功能进行模型的简化，再将简化后的设备集成至系统模型中。第二类设备为通用设备，如泵、风机、螺旋输送机、储罐等，这一类设备的外形条件有一定的标准约束，更多的是尺寸的差异，需要在项目中不断积累具有复用性、独立性、可参变性、可扩展性、可连接性的通用设备构件，形成构件库。建立构件库能解决外部导入设备模型体量过大、设备重复建模等问题，并且弥补土建类建模软件设备建模效率低的短板，将土建和工艺设备有机融合在同一建模体系下，为项目信息统一管理、设计效率提高、模型格式转换再利用等提供便利。

Solidworks 是一款专业机械设计软件，精度达到零件级，为各类设备商广泛使用。AutoCAD Plant3D 是一款三维工厂设计软件，其操作基于AutoCAD 软件平台，基于等级的设计和元件库可以有效简化管道、设备和支吊架的放置流程。构建设备具有参数化的基本模块，对于规则形状的设备可进行快速搭接。Autodesk Revit 为建筑信息模型构建软件，以参数化构件的形式构建设备，也称为族。基于庞大的用户群体，已经积累的丰富的族库资源，可有效提高建模效率。经综合比较和尝试，在机械设计和管线工厂设计软件中进行土建建模存在效率低，视觉效果一般，土建信息模块缺失等一系列问题，本工程最终选用Autodesk Revit 为建模软件，通用设备采用族库模型，专用设备采用简化后导入的设备模型，从而实现土建和工艺的有机融合。

2.4 管线综合排布优化及碰撞检查

基于餐厨垃圾处理厂集成程度高、管线错综复杂的特点，传统的管线综合工作难度大、效率低下。与二维设计相比，BIM技术将各个专业内容展现在同一空间中，全专业覆盖式的建模是施工现场的预演，可避免大部分由设计导致的施工返工问题。设计工作开展前，设计负责人需对全专业进行空间、时间、资源上的优化配置，各专业建模完成后，在管路复杂、管线交叉处，统一安排管廊进行支撑，摒弃传统管线错综复杂的工业感工厂，建造具有观赏性的现代化工厂。此外，在进行管线布置时需考虑管线布置方案的可行性，留有安全系数，避免现场安装不符合条件而产生的重大变更，尽量保持模型和现场的一致性。

本工程采用的Autodesk Revit 软件自身就有碰撞检查功能，但是在实施过程中存在一定的局限性。一是在模型体量较大时，对电脑硬件要求高，且需要消耗较长的时间。二是只能检查硬碰撞，即实体与实体之间的碰撞，而无法考虑软碰撞，例如实际并没有碰撞，但间距和空间无法满足相关施工要求（安装、维修等）。因此，本工程建模完成后导出NWC 格式文件，在Navisworks 软件中进行碰撞检查，针对各个碰撞点进行修改，可导出碰撞检查报告。

2.5 设计成果输出

完整的交付模型应包含模型和项目信息两部分。模型信息应在设计阶段就输入到模型当中，可根据项目需求选择《建筑信息模型设计交付标准》（GBT 51301-2018）中的N1-N4 深度等级，一级为简单项目信息，二级至系统关系、组成及材质，三级深化至生产、安装信息，四级则考虑到运维阶段的资产和维护信息。模型的信息深度与模型后续阶段的运用相关，可视化为最低要求，若要发挥模型最大效益，将其深入施工、运维阶段则需要规范和完整模型信息。除了模型和信息的移交外，还包括图纸和工程量的输出。在传统的二维设计中，各个平面、剖面是相互独立的，不存在联锁关系，修改工作量大，易产生错漏。BIM 模型可剖切至任意的平面、剖面，且与模型同步更新。传统二维设计需手动清点工程量，费时费力且准确率低，BIM 模型算量具有信息联通性，随模型调整直接导出最终工程量，便于招标、采购工作中的成本控制。

图4 碰撞检查内容示例

图5 协同管理交付平台界面

3.施工阶段

施工阶段的核心目标是把关项目质量、控制项目进度以及施工安全管理。为结合BIM 在项目全生命周期的运用，本工程构建了一个集合业主方、设计方、监理方、施工方以及设备材料供应商为一体的协同管理交付平台，该管理平台包含三大功能板块：基础功能（包括3D 全景、协同办公、设计管理、文档管理等），核心业务（包括进度管理、质量管理、设备管理、安全管理等），扩展业务（资产管理、现场管理、智慧工地等）。

3.1 进度管理

结合BIM 模型的施工进度管理，开工前进行项目进度的计划编制、标段进度计划编制，施工过程及时上传施工进度，平台可支持进度计划与模型关联，进行进度计划4D 模拟，即3D 模型加1D 时间，并通过进度看板直观反映与现场实施情况同步的进度报告。

3.2 质量管理

管理人员在现场发现质量问题后，填写质量检查单并链接至模型相应位点，下发质量整改通知至相关责任人员，并且在整改完成后进行复查，完成闭环质量管理。

3.3 安全管理

利用BIM 模型协助现场施工检查管理，辅助安全管控。在三维全景中添加多个视频监控位点，实现多屏监控、监控地图以及云台回放，对现场施工安全进行实时监控与反馈。利用平台APP 端对发现的安全隐患进行及时拍照与信息上传，并对问题可指定责任人进行整改，形成安全检查单、安全整改通知与安全整改复查闭环。在安全看板中查看安全整改单情况、安全类型问题统计等，为后期的安全管理对策提供数据支持。

3.4 设备管理

利用BIM 模型建设设备产品库，在平台中及时更新设备采购计划和安装进度管理，生成设备管理台账，确保现场安装的及时反馈。型号、名称、厂家等设备信息随模型导入管理平台，可一键生成二维码，实现扫一扫获取设备信息，对运营的单位后期进行设备维保提供完整的数据库。

3.5 可视化指导施工

目前所实现的BIM 在施工阶段的应用主要停留在管理层面，设计单位向施工单位进行三维交底，项目部管理人员在BIM平台上进行进度、质量、安全等一系列的管理。在未来，BIM 技术在施工阶段的应用有望拓展至施工工人。本工程平台已经实现在App 端查看轻量化模型，随着BIM可视化软件的升级和智能手机等通讯设备的普及，未来现场工人在传统根据蓝图施工的基础上，可以根据BIM 模型快速理解设计人员意图，提高施工效率，减少返工。

4.结语

BIM 技术在设计和施工阶段的应用已经逐渐完善，本文以上海生物能源再利用项目二期为依托，介绍了BIM 技术在大型餐厨垃圾处理项目的应用及其优势，为今后类似工程的BIM 运用提供了参考。在设计阶段，对多软件多专业协同、参数化构件库、碰撞检查、成果输出等多个方面进行了讨论。建议采用Revit 软件进行建筑建模，结构计算软件PKPM 直接导出Revit 模型，采用Revit 协作功能实现多专业协同建模。目前缺乏可以同时满足土建建模和机械设备建模的软件，为实现二者有机结合，通用设备在Revit 中建立构件库，专用设备用Solidworks/Inventor 简化后导入。建模完成后导出NWC 格式，至Navisworks 软件中进行碰撞检查。在施工阶段，BIM 技术在进度管理、质量管理、安全管理、设备管理等方面均已实现基本功能运用，未来BIM 模型或将实现在施工人员层面进行可视化施工指导。