BIM技术在水厂改扩建工程中的研究与应用

钟亚丽

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

建筑信息模型(BIM)是继计算机辅助设计(CAD)技术后出现的建设领域又一重要的计算机应用技术，通过建立数字智能化模型对项目的设计、施工以及运维等过程进行优化管理，为运营维护管理提供全模型数据仓库与工程资产全信息管理，BIM技术和理念将成为未来整个建设行业技术的发展方向[1- 2]。将BIM技术应用到工程建设全过程中，能够有效解决水厂改扩建类项目技术复杂、设计专业多、建设各阶段衔接不畅、协同管理困难等问题。

随着市政工程建设行业的迅速发展，大型公共项目具有周期长、成本高、管理难度大等特点，针对项目的特点引入BIM理念与技术，从传统二维转向以BIM技术为基础的三维协同管理模式，通过BIM理念和技术为市政工程建设和管理提高效率[3- 4]。2016年9月，在上海市人民政府印发的文件《上海市推进智慧城市建设“十三五”规划》(沪府发〔2016〕80号)中，要求进一步提升城市水务、电力、环保、安全监管等基础设施领域城市精细化水平。“智慧水厂”这一概念已不再陌生，即以应用新一代信息技术为手段，结合监测和感知设备并采用可视化的方式整合信息，实现生产、运行、维护、调度和服务等全方位、全过程各环节高度信息互通、反应快捷、管理有序的高效节能型水厂[5- 6]。应用BIM技术提高项目建设和管理过程中的智慧化和精细化已成为当前建设工程行业研究及应用的热点话题[7]。在水利工程中，郭光智等分析了BIM技术在水利建设中的应用以及发展前景[8- 9]，陈文亮等分析了BIM技术在水利工程施工中的应用及发展前景[10- 11]。以上研究为BIM技术在水厂改扩建中的研究奠定了良好的基础，也为水厂改扩建工程提供新的思路。

文章以BIM技术在南汇南水厂深处理改造工程中的研究与应用为例，利用数字化协同平台，将BIM理念和技术运用在方案与设计、施工阶段，也为之后的数字化运维提供信息和数据基础[12- 13]，结合项目的工程内容多、涉及专业多、地下设施多、工程实施周期紧以及重点工程影响大等特点和Bentley软件的特长，制订了以一套以三维协同为基础、模型构架为先导、阶段应用为目的的项目BIM整体解决方案，如图1所示。

1 工程概况

1.1 项目简介

南汇南水厂位于浦东新区惠南镇，分两期建成，现状供水规模为44万m3/d，包括原惠南水厂设计供水规模24万m3/d，南水厂一期设计供水规模20万m3/d。水厂以清草沙水库来水为原水，采用“混凝—沉淀—过滤”常规处理净水工艺，工艺流程图如图2所示。

本次深度处理工程中，现状常规处理构筑物基本保留，工程内容包括新建一座预臭氧接触池、一座中间提升泵房及后臭氧接触池、一座活性炭滤池、一座反冲洗泵房及臭氧发生器车间、一座回收水池、一座液氧站以及对南水厂一期现状20万m3/d砂滤池出水总渠、鼓风机房及现状加氯加氨间局部改造。

图1 BIM整体解决方案

图2 南汇南水厂工艺流程图

1.2 项目重点和难点

南汇南水厂在项目实施期间，在专业多、管网密度大、工期要求紧的情况下，需保持正常生产运行，给项目的施工带来了较大难度，其主要表现见表1，正是BIM技术的应用，给项目的建设提供了解决思路。

表1 项目重点难点

1.3 项目应用目标

BIM技术在设计阶段的应用需要充分利用BIM三维设计优势，解决多专业协同问题、减少错漏碰缺，提高设计质量和设计效率，实现三维设计技术交底，为各方及时探讨方案提供支持；BIM技术在施工阶段的应用需要利用BIM精细复杂节点技术交底，模拟技术处理方案、重大危险源和变形监测技术，为施工质量、进度和安全保驾护航；BIM技术在交付阶段的应用需要提交水厂BIM三维信息模型，作为减少单位运维管理重要数字资产，在智能化管理和智慧化运维中发挥基础性作用。

2 应用结果与效果

2.1 方案与设计阶段的应用结果与效果

水厂改扩建工程在方案设与设计阶段是BIM应用的开始，通过多源模型的融合、新建单体工艺细节展示与可视化交底技术等功能，可以更加直观、形象化地展示设计理念。结合全过程的三维协同设计理念，统筹规划将场平进行合理的布置，运用BIM技术在很大程度上减少图纸会审工作量，提高在设计阶段产品的质量。

2.1.1三维协同设计

协同设计是BIM技术在方案与设计阶段较为突显的优点之一，南汇南水厂设计包含地质、基坑、建筑、结构、工艺、电气等多个专业，该项目基于ProjectWise协同管理平台，将项目专业划分目录，根据不同专业目录赋予设计人员独立的权限，可以有效地保证自己的工作内容不被任意修改，当其他专业模型发生变更时，可以进行实时的变更。通过不同专业的模型整合，可以对单体建筑物平面布置合理性、完整性进行检查，最终形成固化模型，实现项目全过程、全专业、三维协同设计，提升信息共享的及时性、有效性和准确性，全面提升设计产品质量。

2.1.2统筹规划合理平面布置

南汇南水厂项目利用BIM技术构建方案模型，可以从空间、景观、投资等多方面进行有效的对比分析，选择合适的场地环境。结合勘测数据建立地质模型，根据模型分析，为厂区既有管线进行精准定位，为新建管线、道路及绿化设计等提供精准的数据基础，基于BIM技术，借助模型，完成平面布置的整体规划。

2.1.3图纸会审与碰撞检查减少返工，提高设计质量

水厂工程设计涵盖工艺、结构、建筑、管线、电气、地质、基坑等多个专业，在二维平面图纸设计过程中，常常会出现专业之间和专业内部的碰撞问题，如管线与管线的碰撞，管线与梁柱的碰撞等。在三维立体空间中，利用BIM技术的多专业协同优势可以最大程度地发现图纸中的“错、漏、碰、缺”等问题，有效解决了二维图纸由于沟通不当而造成的返工、工程浪费等问题，也可以有效解决结构预留孔定位和规格大小复核等问题，避免结构专业和工艺专业预留孔设计矛盾，在很大程度上提高了设计质量。当BIM模型深化到一定程度后，可以准确地获取模型信息，结合细节及时对图纸进行变更，有效减少设计变更问题，在很大程度上减轻了图纸会审的工作量[14]，缩短了图纸审核时间。

2.1.4BIM模型创建

BIM技术应用于水厂项目要密切关注其整体布局和工艺流程分析，重视厂区建(构)筑物单体的功能和工艺参数。本项目BIM模型创建包括厂区现状实景模型、现状及新建建(构)筑物单体、厂区道路及场平以及总图管线模型等，并将上述模型进行总装。

(1)多源模型融合提供数字化底图

在项目开展前期，使用无人机倾斜摄影技术对南汇南水厂的现状进行航拍，整个厂区包括厂区道路、加药间、生物接触氧化池、排泥水处理综合设施、清水池、滤池、调节池、沉淀池、综合楼、泵房以及本次项目实施的主要区域等，通过专业软件创建实景模型。通过实景现状模型的建设，可以对厂区整体布局进行清晰的展示，再将新建单体模型与实景模型相融合，可以辅助设计方案的展示、分析和比选。

(2)单体模型创建展示产品设计细节

结合水厂现状常规处理工艺构建建筑物布置，考虑工艺流程衔接顺畅，深度处理工艺单元布置在南水厂一期20万m3/d生产系统砂滤池东侧的预留空地上，空地西片由南向北依次布置中间提升泵房及后臭氧接触池，反冲洗泵房、臭氧发生器间及配电间，回收水池；空地东侧布置一座活性炭滤池下叠接触消毒池。根据厂区地质条件，更新提升泵房及后臭氧接触池、回用水池、活性炭滤池等主要建筑物基坑围护设计模型，在三维空间全面检查基坑设计的合理性，提升基坑围护设计质量。全专业BIM模型能够有效解决水厂改扩建类项目技术复杂、设计专业多、协同管理困难等问题，可以通过三维剖切等方式展示工艺流程和设计细节。

(3)管网模型创建解决空间排布与距离要求

厂区现状管网密度较高，空间位置管线错综复杂，且物探资料存在部分不明管线，在此基础上须穿插布置新的工艺生产管线，与新建项目相比，设计难度大。为此充分收集地下各类管线的图纸和物探资料，建立现状管网三维模型，与深度处理改造工程设计管网模型进行空间拼装，检查设计管线与现状管线是否存在空间位置矛盾，调整和细化总管设计，通过净高检查，复核行车、导轨标高与净距离，能够满足大件设备吊装要求，有效提高设计质量。

2.2 施工阶段的应用结果与效果

工程质量的影响最为直接的阶段当属施工阶段，而运用BIM技术可以有效解决施工信息表达传递不及时和不明确、施工变更数量多、专业交叉作业矛盾多等问题[8]。结合BIM技术在安全、质量、进度等方面关键技术的研究，论述BIM技术为市政水厂工程带来的综合效益。

2.2.1基于BIM技术的施工安全管理

安全管理作为施工过程中最为关键的一部分，可视化安全监测显得尤为重要。项目基于BIM技术和二次开发，对南汇南水厂活性炭滤池基坑维护结构变形趋势进行监测和预测，利用监测数据快速读取并驱动成三维可视化模型，直观判断土体变形趋势，超警戒值高亮显示预警，有力提升安全监测水平。

2.2.2基于BIM技术的施工质量管理

质量管理在施工过程中起到非常关键的作用，运用BIM技术提升工程项目中的质量也显得尤为重要。本项目基于BIM技术，采用工程设计施工复核技术，利用无人机航拍施工实景模型与设计图纸进行叠加对比，复核现场是否“按图施工”，及时提醒并确保工程施工质量，保证设计意图的实现。在处理施工现场问题时，由于施工测量定位偏差，导致活性炭滤池及接触消毒池基坑格构柱与接触消毒池壁板位置冲突，可以借助BIM模型和动画模拟技术，有效解决冲突问题，全面提升施工质量以及各方沟通协调效率。

2.2.3基于BIM技术的施工进度管理

进度管理在施工过程中也是一项重要内容，项目结合4D模拟以及共享二维码技术，有效管理施工进度。通过4D动画模拟关键节点施工过程，排布施工资源，辅助制定施工组织技术，从而优化施工方案。如图3所示，运用共享二维码技术，可以及时发布和共享航拍、管网模型及施工BIM应用等成果，方便施工各方及时掌控施工现场整体进度，安排下一步施工部署，有效降低沟通成本，提升收集资料共享效率，保证施工进度。

3 结语

BIM技术在本次水厂改扩建中主要体现出以下优点：

(1)基于模型开展碰撞检查、模型融合等应用，有效避免设计图面错误，优化结构布置和产品质量；

(2)基于设计交底模型，在施工单元划分的基础上，开展施工安全、质量、进度方面的应用，有效辅助现场施工管理，提升施工管理能力；

(3)通过数字资产的积累与收集，可以提升运维管理信息化水平。

虽然BIM技术在水厂建设中取得了一定的成果，但在设计与施工的交互中还存在着信息交流不畅、无法共享等问题，严重制约了BIM技术的进一步推进。

图3 共享二维码应用示意图