地下污水处理厂的BIM应用
刘春
（中国市政工程西南设计研究总院有限公司）
某新建地下污水处理厂，近期规模7.5万m3/d，远期规模15万m3/d。污水厂出水水质执行国家一级A标准，采用“AAO+深度处理”工艺。为减小地面空间占用量，采用全地下式一体化箱体结构，工程引入BIM技术，以三维直观方式呈现信息。
1）深基坑施工方面
污水处理厂采用集约化箱体结构，下层为构筑物池体，上层为操作层。箱体底部的标高不尽相同，有-11.3m和-8.3m，顶部标高一致，均为5.5m，基坑深度14.3m～17.5m。基坑属于面积和深度均较大的深基坑，施工难度较大，在采用逆作法施工时，对作业水平提出较高的要求。
2）管线系统方面
在全地下式的建设方式下，充分考虑密闭空间的有毒有害气体浓度控制要求，需将其稳定在许可范围内，以保证安全。为此，围绕通风、除臭系统做精细化设计，在此设计方式下配套的管线、风管等类型丰富、数量多，需要清晰梳理各类管线，做排布优化，在操作层留出足够的空间，以满足设备的检维修作业要求，同时考虑到减小管线层高度、降低结构层高的要求，因此设计与施工的难度较大。
3）配套设备层面
本污水厂规模较大，对设备运行水平的要求较高，配套的大型设备超800台，与设备有关的采购、验收、安装调试、运维管理等各项工作均具有复杂化、高难度的特点。因此，建设一套可靠的信息化系统至关重要，在其支持下进行高效管理，保证设备的正常安装与运行。
4）安全方面
污水厂设备进场和吊装工作量大，且易由于防护不到位出现问题，因此在顶板和中板处留设50余处孔洞，以满足设备的吊装要求。但碍于安装时间集中的缘故，各洞口的协调难度较大，可能产生作业冲突。尽管建设单位基于项目环境制定《狭小空间作业安全管理办法》，但过度依赖人工，难以全面协调各洞口。
5）通水调试方面
为检验污水处理厂的建设情况，组织通水调试作业，该污水处理厂的规模大、处理难度高，对调试人员的专业能力提出较高要求。具体而言，调试周期较紧，如何在有限的时间内将各项调试工作落实到位是值得重点探讨的内容；
并且，非常规的工艺流程设计的调试方案其操作要点较多，应借助其他手段协作。
在梳理该地下污水处理厂的主要难点后，引入BIM技术，在其支撑下开展策划工作，以便突破难点，提高建设水平。项目BIM技术应用点见表1。
表1 项目BIM技术应用点总览
3.1 基坑施工模拟
在基坑施工中，设3道水平撑和1道斜抛撑，构成完整的支撑体系，以保证基坑的稳定性。基坑开挖采用盖挖逆作法，将操作层楼板作为支撑，下层增设斜撑。基坑施工的关键工序如下：
①地连墙建设成型后，放坡开挖至2.00m标高，组织冠梁混凝土浇筑作业，再安排开挖，直至推进至-1.00m标高为止。
②大面积盆式开挖至-14.3m深，浇筑A、C区底板及B、D区第三道临时支撑。
③将第二道斜抛撑设置到位，A、C区撑在底板处，B、D区撑在第三道临时支撑处。
④经过现场检测后，确定周边预留土坡的范围，将该部分挖除干净，再拆除斜抛撑。
⑤继续组织B、D区的开挖作业，直至到达-17.5m为止，开挖到位后浇筑底板及池壁。
3.2 管线的优化设计
考虑到减小地下箱体埋深、降低造价的建设目标，对箱体地下一层的操作层做深化设计，将该空间的层高设为6.5m，共配套包含工艺、暖通、电气、除臭、仪表在内的5个专业系统。地下二层，各工艺管道均分布在宽约3m的狭窄管廊内，管线设计排布合理，在降低管线安装难度、减少安装成本、提高后续运维便捷性方面均有突出的优势，但管廊空间狭窄而管线数量丰富，因此设计难度较高，必须统筹兼顾。
借助BIM模型协同审查各管线，检查是否存在管线空间碰撞节点，针对识别出的碰撞节点做有效的协调[1]，遇阀门等操作手柄不合理的情况时灵活调整，并复核结构预留孔洞，判断其在分布位置和尺寸的具体情况。经过一系列的检查、优化后，碰撞点由原本的2000余处降低至50处以内，在此基础上继续安排优化修改，完全解决各类问题。节点碰撞协调模型。
3.3 设备管理系统
地下污水处理厂的设备种类丰富、数量多，且不乏大量的特殊大型设备，设备作为推动地下污水厂正常运行的关键设施，其必须维持正常运行状态。为此，加强对设备的管理极具必要性。建设前，全面收集资料，从中提取具有参考价值的信息，供后续施工使用。
项目开发了设备管理系统，集产品资料库、安装计划、设备管理台账多个模块于一体，自出厂开始直至安装验收全程的资料均能够得到完整的收集与记录，管理人员可及时查询各阶段的数据，掌握设备的安装进度。
3.4 安全管理系统
根据建立的BIM模型，开发洞口安全管理系统用于提高规范化管理水平，确保吊装预留孔洞的使用、移交、封闭各项作业均具有规范性。在BIM模型中，可以针对各预留洞口做建模和编码操作，全面汇总数据，生成洞口统计列表。在该系统的支持下高效完成洞口的移交、封闭流程的审批管理工作，提供人员出入洞口数量记录、查看洞口等功能，各项操作的可行性显著提升。安装人员进出洞口时及时查验审批流程，在确保无误的前提下方可通行，由此给安装人员提供了安全层面的保障。
3.5 通水调试方案的模拟
在一体化箱体结构的设计方式下，出水工艺较之于常规的方式有显著的区别，项目推进至进水调试方案汇报环节时遇到瓶颈，常规的二维设计图在内容呈现方面缺乏全面性。为此，建设单位采用BIM模型，以此更为直观地模拟演示调试方案。将BIM模型导入unity3D中，以动画的形式模拟水流的流动路径，呈现流水期间各类设备的运行状态以及各配套阀门的开启流程等。以调蓄池为例，将清水调试阶段拆分为10个细分部分。
①调蓄池接收到临排管道输送的清水。
②开启底部阀门，清水进入第一组调蓄池泵房底部。
③开启第二组调蓄池底部阀门，清水进入第二组调蓄池，经一段时间的注入后，调蓄池达到注满的状态。
④开启调蓄池上部闸门，开始出水，由泵房上部接收。
⑤开启泵房上部左侧出水闸门，于左侧渠道流水。
⑥待清水流出后，关闭泵房上部的各类闸门。
⑦开启调蓄池下部闸门，清水汇入泵房底部。
⑧启用轴流泵，用此装置抽水，以便将水提升至泵房上部。
⑨清水逐步注入，直至泵房上部达到注满状态。
⑩开启泵房上部左侧出水闸门，水于该处流出。
在逐层拆分的方式下，清晰模拟调蓄池的工艺流程，以便技术人员更为深入地探讨，加深对调试方案的认识。
4.1 在质量管理中的应用
常规方式下，质量问题以书面形式呈现，存在信息展现能力不足的局限性，文字、图片的直观性较差。通过BIM信息平台的应用可及时检查现场存在的问题，以三维模型的方式直观呈现，给问题的解决提供了重要的资料参考。并且，参建单位在呈现信息时可享受到更加便捷的条件，不需要在此方面投入过多的时间和精力，实现工作质量和工作效率的“双丰收”。待问题得到有效地解决后，对应缺陷点呈绿色状态。
4.2 在安全管理中的应用
基于BIM模型的信息管理系统在安全管理方面有突出的优势，有助于各项安全管理工作落实到位。在安全管理中，重点划分为危险源预控管理、安全风险点管理两个层面，具体做如下分析。
1）危险源预控管理
本地下污水处理厂的复杂度较高，施工期间可能遇到各类危险源，易由于响应不及时而出现失控的局面。例如，部分狭小的地下空间、复杂的水沟不易被发现，此类部位均是不容忽视的危险源，易由于前期安全管理不到位而诱发安全问题。在BIM模型的配合下，可直观呈现各类问题，以便有效解决。
2）安全风险点管理
针对主体结构面积大、洞口安全隐患多的问题均可有效解决。在日常工作中，依次完成录入、消除、信息上传等相关操作，实现对安全风险点的控制，将其稳定在可控范围内。
4.3 在进度管理中的应用
本地下污水处理厂的建设规模较大，施工期间可能存在工序交叉、工序混乱等问题，为此需加强进度管理，协调好各道工序的关系，有条不紊地推进施工进程。在工程进度管理工作中可采用到BIM技术，其不再局限于文字、表格数据的传统层面，而是衍生至具有可视化特征的3D模型中，甚至在加入时间参数后还可实现对施工进度的4D模拟。此外，BIM信息平台的模拟覆盖面较广，可满足计划进度与实际进度协同模拟的要求，以便管理人员更为有效地判断实际施工状况，明确其是否存在提前或滞后的问题，若有则予以协调，力争在指定工期内保质保量完成各项建设工作。
考虑到地下污水厂建设规模大、复杂度高等特点，采用了BIM技术，发挥出此项技术在可视化、模拟分析方面的优势，更加全面地开展规划设计、工程建设等相关工作，促进各项工作的落实。实践表明，在合理应用BIM技术后，可以消除传统方式下内容呈现不直观、施工信息沟通力度不足等问题，对于推动地下污水处理厂各项工作的开展而言有重要的作用。
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