基于 BIM 技术应用的智慧污水管控平台

本项目为长沙市南部的雨花污水处理厂，污水总规模为 Q＝18 万 m³/d，规模类别属 3 类，按总规模进行总体布局，分 3 期进行，每期规模为一期规模 Q＝6万 m³/d，截至 2021 年底，一期为已运营状态，BIM 运维平台已可使用；二期正进行配管和泵站工程建设，厂区中为待开发阶段。本水厂共 15 个子项，包含了厂区、粗格栅及提升泵房、细格栅及旋流沉砂池、A/O 生物池、配水渠及污泥泵房、二沉池、配水井、高密度沉淀池、滤池、紫外线消毒及计量渠、加药间、鼓风机房及配电间、污泥均质池、污泥脱水间、综合楼、传达室、门卫。本项目的主要应用为采用 BIM 技术在工程阶段减少图纸错误、降低项目变更、优化项目工程管理，提升项目品质，并建立了基于 BIM 数据的智慧水厂管控平台，使水务信息数字化、决策支持智能化、应急处置联动化，提升水厂整体管控效率，降低管理成本。

1 工程阶段的 BIM 技术应用

项目前期进行 BIM 技术应用的规划，从明确项目目标开始，共进行了七个阶段的BIM流程应用。包含了编制项目应用指南和标准、组建项目 BIM 工作组、梳理项目工作内容、配备 BIM 应用资源配置（软、硬件）、设计阶段 BIM 应用实施、施工阶段 BIM 应用实施、运维平台整备。项目采用了企业 BIM 管理平台进行了 BIM 云端的三维设计协调。在平台上进行项目模型、文档、图纸、数据和问题的综合管理。

在工程应用中，首先利用了 Google earth 贴面和地勘数据进行结合，生成了三维可视化地形，并进行地形高程、坡度的分析评定，继而就不同开挖方案在 Civil3D 进行土方量的比对。然后利用 Revit 进行了工艺单体和管线的建模，建模过程中，设计和施工问题将会大量的暴露，图纸上的各专业的综合问题，综合厂区管网的碰撞问题尤为严重，本项目在进行三维协调管理的同时，还进行湖南省 BIM 审查平台的测试，保证了设计不违反强条和规范的同时还提升了成果的交付质量。另外在进行 BIM 模型优化时，需要精确定位了各个单体之间、单体与厂区管线之间的接驳定位，并利用软件得出了所有厂区管线端头点的高程数据，辅助进行水利计算和综合管网排布。这其中对于复杂的管线交叉点的数据排查和重力流管道的方向以及覆土深度的综合考虑极为重要。

另外，BIM 软件的出图功能也较为实用，可以直接进行施工图的出图和三维图纸的补充，而三维图纸的表达则更加清晰明了，对于施工指导的效果也更好。本项目的施工过程中也利用模型进行了大量的深化工作和交底工作，例如对空间紧凑的鼓风机房进行检修通道和主要人员的通道的分离设计，对假药管沟进行了综合排布定位，减少了交叉重叠现象，对弧形定位支架进行三维预制数据提取。

施工过程中，本项目提前规划现场施工平面，并在模型中进行管理，根据施工的进度，对施工现场的施工临建进行补充，使现场场地布置情况按施工进度进行更新。然后对设计 BIM 模型进行了进一步的深化，包括对模板、脚手架、施工围挡等临时构建，充分利用模型对施工现场进行细节上的深化和构件空间关系的排布，使得施工更加合理，过程中对可能出现的问题进行预判和修改完成，保证施工的整体质量。而大型设备和大型管道，还进行了吊装模拟，保证了施工的顺利进行。

2 运营维护信息的整备

因为本项目在前期就规划了 BIM 运维系统的建设，所以在即将竣工投入使用的时间段，进来大量工程信息的记录和整理。首先在可视化模型上，需要保证现场和模型的一致性，这便牵涉了大量工厂设备、材料信息的提取和模型的更新，其中需要复核设备、材料与原始设计资料的差异，包含了设备材料的基础性能参数信息、空间位置信息、设备安装时间、外形尺寸信息和生产厂家维保信息等。在收集实际使用的设备数据的同时，BIM 项目组人员定期赶赴现场进行现场的影像记录和设备实测，特别对于隐蔽工程，项目部会提前通知BIM项目组人员记录后再进行施工。本项目除了采用传统的相机记录，还采用了无人机拍摄模型，保证模型可以还原现场的真实性。设备和材料信息会按后续运维需求进行整理，形成 BIM 数据库的基础。

模型数据收集整好了后需要进行模型的整理划分。此步骤可以先在BIM模型中进行处理，包含了系统管理的划分，空间管理的划分，视图管理的划分。本项目重点是对系统管理的划分，按照水厂的功能需求，分别建立了污水处理系统、加药系统、污泥处理系统、自控系统、流量及液位监控系统、视频监控系统、报警系统。每个系统需要建立单独视图以便于导入平台。而空间上则按照水厂 15 个单体逐一建立空间管理视图，视图中对土建、工艺进行单独视图区分。

动态数据则由水厂管理团队为我们提供数据接口，进行物联网接入，包含了水厂参数监控设备信息的数据录入，工艺设备信息的录入，液位设备信息的录入，自控设备的信息录入等水厂主要信息化设备数据的采集与录入。

3 智慧污水管控平台搭建

本项目智慧污水管控平台搭建旨在为满足现今水务智能化管理的需求，要求实现水厂的智能化控制、智能化辅助管理，智能化数据分析等功能，平台需要接入现有的设备系统和数据，并对数据进行数据积累为后续的数据分析提供基础，并逐步利用数据实施智能化管理，为管理人员提供操作的数据建议和风险阀值控制。最终逐步搭建出集合物联网控制、三维可视化、移动端管理，大数据分析智能化决策于一体的综合化智能水厂管理平台。

3.1 平台技术路线

平台的建立的路线可以分了 5 个层级，包含了交互层、服务层、数据层、设备层、应用层。平台的交互层选取了基于 HTML5 网页技术开发的WEB客户端，采用了 B/S 设计降低对用户终端设备的要求，可以使操作员通过普通浏览器即可轻松地完成对整个系统的配置、管理和维护。平台的服务层则建立了存储服务、BIM 三维引擎接口、数据交互中建件、模型转换服务四个内容，可以将 BIM 模型直接导入平台并进行轻量化处理，并采用 WebGL 在线渲染进行三维显示。平台的数据层建立了 BIM 数据库、BIM 引擎私有云、生产数据库、服务器资源池，各类数据可供平台分别调用。平台的设备层主要对接水厂的各类生产设备，本项目主要接入了水质检测设备、水量检测设备、能耗检测设备、药耗检测设备、安防检测设备、有害气体传感器等。平台的应用层主要对针对用户的使用功能进行定制，主要分层了三维管理、生产管理、决策管理、其他内容几个板块。

3.2 平台功能

本项目智慧污水管控平台将水厂、设备、管网的基础数据建立了统一的数据库进行集中存储管理，并通过 BIM 模型实现三维可视化。同时，将设备的实时监测数据接入运维平台，根据实时监测数据进行统一控制和调度，实现了水务信息数字化、决策支持智能化、应急处置联动化，达到对水务工作全生命周期的管理。

平台界面主要有数据总览舱、全景展示、工艺流程、设备台帐、安防管理、能耗管理、自控系统几个主要选项板块。在数据总览舱界面可以直接查看一些简要的信息，例如设备的情况和检测数据，污水处理当量、实时流量、出水状况、加药状况、电耗状况、监控状况、报警信息。全景展示用来直接查看污水厂整体三维模型，模型包含土建及机电，模型中可以对各工艺设备的实时数据进行监测和展示。工艺流程用来查看水厂的各类工艺流程，并提供相应的二维流程供用户点击，单击后可以对此单体进行模型及数据查看。设备台帐记录厂区内所有的使用设备列表，可以单机列表快速定位设备，查看设备的运行状况，并提供设备维修、保养信息等。安防系统主要搭建了设备报警、视频监控，设备报警中心汇总了水厂生产过程中所有异常报警以便集中处理，点击列表里的条目，模型中会飞往报警设备所在位置。视频监控汇总了水厂所有监控摄像头信息，用户可自由从摄像头清单将想查看的区域拖入九宫格区域并行展示，可以同界面查看 9 台摄影机。能耗管理主要从总电耗、每吨水电耗、单位 COD 电耗 3 个指标展示历史数据，并以图表形式实时展示各时间尺度下的统计数据。能耗管理下面还嵌入了药耗管理，通过图表实时显示药耗统计数据，并区别设立了理论加药量、实际加药量、各单体药耗历史数据，继而通过数据分析进行实时的修正与优化。自控系统结合了原 PLC 控制系统，在三维模型单体独立查看生产情况，包括监控单体内各项生产参数，并在自控设备上提供选项，可实时操作车间内各生产设备，操作结果也将在上方状态展示面板中实时反馈。

4 结 语

BIM 技术在工程方面相提供更加精细化、准确化的技术手段，可以极大的提升设计质量，而施工中模型对现场的指导意义重大，特别是对于复杂的工程点，可以预先进行模拟，规避错误做法，整体上降低项目风险和管理难度，提高了项目质量，节省项目成本。基于 BIM 模型的智慧污水管控平台则在管理上更加直接可靠，将原始的多个系统进行整合，提供可视化的平台，并建立智能化管理的多个板块，在三维模型上进行设备操控也更为直观清晰，不管是设备检修、实时数据提取、故障预警、监控数据一体化等，都比以往更为方便，另外智能化的功能增加，相比于以往靠人工经验的方式，更是巨大的进步。总体来说，平台提升水厂了的管理效率，实现水厂自动与智能的深度融合。