BIM技术在智慧水厂改扩建中的研究与应用
基于三维模型的BIM技术在建筑、路桥工程建设项目中的应用已较为普遍。相对而言，市政供排水行业对于BIM技术的认识和应用还处在起步阶段。BIM技术有助于优化设计方案，有助于提升设计和施工阶段的标准化和集成化，有助于实现水厂的智慧化运行和管理。
1. 项目情况
案例水厂位于深圳市区，现状设计规模为16万m3/d，占地4.96×104 m2，本次扩建后供水总规模增加至30万m3/d，增加设计规模30万m3/d的深度处理及排泥水处理系统，工程总占地增加至9.85×104m2。工艺流程为“格栅→预臭氧接触池→混合井→折板反应斜板沉淀池→气水反冲洗滤池→提升泵房→后臭氧接触池→活性炭滤池→紫外线消毒池→清水池→送水泵房”。本次改扩建中，现状常规处理构筑物基本保留，仅对加药间、泵房和回收水池进行工艺改造。
项目涉及现状单体与新建单体的衔接工程多，需重点协调厂区现状建(构)筑物与新建单体的空间布局关系。
2. 项目全过程BIM技术应用
本项目以BIM模型作为智能化设计成果，从方案设计阶段开始应用BIM技术，通过创建三维模型为厂区整体布局、工艺流程分析、新旧单体衔接提供可视化环境、辅助方案的展示和比选；在初步设计、施工图设计阶段逐步深化模型，校核、优化设计方案。施工阶段以BIM智能化设计成果为基础，结合信息化管理平台完成质量安全、工程进度、工程量的上报及管控，实现建造信息的智能化监控与精细化管理。设计、施工阶段的所有信息均集成于模型之上，并伴随建造过程不断更新和完善，平台上最终存储的竣工模型也可为后期智慧水厂运维提供数据基础。
2.1 智能化设计产品——BIM模型创建
水厂类项目BIM技术应用重视厂区的整体布局和工艺流程分析，关注建(构)筑物单体的功能和工艺参数，对后期的运维管理有较高的信息要求。针对以上特征，本项目创建包含全专业设计信息的精细化BIM模型，主要包括厂区现状实景、建(构)筑物单体(含现状及新建单体)、厂区地质及基坑支护、总图管线模型等，并将以上模型进行局部或整体拼装。
(1)现状实景模型提供三维数字底图
项目前期，通过无人机倾斜摄影技术采集现状厂区道路、综合楼、加药间、泵房以及常规处理工艺构筑物的原始外表面照片，使用专业软件创建整体实景模型(图1)。实景数据可作为厂区整体布局分析和工艺流程展示的三维底图，展示厂区新旧融合及建成效果，辅助设计方案的展示、分析和比选。
(2)新建单体模型展现工艺设计细节
扩建区域用地较为紧张，部分新建单体采用了叠合(组合)结构形式，如反冲洗泵房及风机房、臭氧发生间、提升泵房及后臭氧接触池进行了横向叠合(图2)，导致池墙共壁较多、楼板标高关系和预留预埋较为复杂。全专业BIM模型有利于实现多专业设计图纸的协同校核，通过三维剖切也可分层或分功能区域展示工艺流程和设计细节(图3)。
(3)改建单体模型展示改造过程及前后对比
泵房和加药间等改造单体内部，需重点校核现有空间是否满足改造后的设备安装和检修空间要求。通过创建改造前、后的全专业BIM模型并进行对比分析，直观展示改造过程和校核室内空间布局。例如，通过BIM模型，校核送水泵房卧式泵替换为立式泵的改造方案(图4)。
(4)地质及基坑支护模型校验实施方案
本项目扩建区域需进行大面积的深基坑开挖和支护，常规地勘数据表达形式为二维平面图纸或表格，难以展示土层分布情况，也无法结合支护图纸进行综合分析。因此，为准确校核基坑设计和实施方案，应用二次开发编程技术根据钻孔数据高效创建地质模型，准确描述厂区开挖土层分布情况。通过创建支护结构模型并与地质模型进行整合，确保支护设计形式同时满足基坑开挖高度及阻止地下水进入基坑的要求(图5)。
(5)总图模型创建和拼装展示工艺流程及整体布局
创建包含厂区现有管线和新建管线的总图BIM模型(图6)。基于厂区管道配色方案，直观展示现状与新建管道连接关键节点，如现状原水管道与新建管道连接点、新建预处理出水与现状进水管道连接点、现状常规处理出水与新建深度处理连接点、新建清水池与现状清水池出水管道连接点等，基于三维场景准确表达管井、阀门、流量计空间定位，直观展示总图管线布置。
将所有单体模型(含现状、改造、新建)与总图模型(图7)集成后，重点校核总图与单体间、单体相互间的衔接关系，如总图与单体间的生产管道、反冲洗管道、超越管道、臭氧管道、排泥水管道、回用水管道等各类系统的接驳情况；新建沉淀池与气水反冲洗滤池之间的渠道连接、预臭氧接触池和现状混凝池之间的管道连接情况等。以可视化分析作为评估依据，辅助业主进行方案比选。
2.2 设计及施工阶段智能化分析——BIM模型应用
完成BIM模型创建形成智能化设计产品的基础上，通过开展模型应用进一步深挖BIM价值。通过开展图纸校核和预留预埋定位工作，提前发现设计问题，减少后期设计变更；基于BIM模型结合造价软件进行工程量统计，加强业主对工程量的把控；应用轻量化模型进行沉浸式漫游查看，实现对设计成果的三维审查。(1)碰撞检查及校核提前发现空间冲突利用BIM技术的多专业协同优势最大程度发现图纸的“错、漏、碰、缺”问题。如通过使用Navisworks软件设置构件类别和校核规则，自动检查结构框架与电缆桥架间、不同系统生产管线间是否存在几何形体上的空间冲突等，继而进行单体和总图管线综合，形成书面分析报告和图纸问题台账(图8)。
(2)精准化预留预埋定位减少后期返工
在污泥池顶部等预留预埋较复杂的区域，基于全专业BIM模型布置防水套管、管道支架埋铁，预留穿墙洞口、盖板洞口及电缆通道，并出具相关部位三维剖切图纸和预埋件工程量，有效提高预留预埋的准确程度，并在建造阶段进行现场作业指导，减少后开凿及其他返工问题(图9)。
(3)工程量与模型联动增强项目成本管控
基于标准化、精细化的BIM模型，通过明细表功能准确快速进行工艺设备和管线的工程量统计，当模型发生修改时工程量可实现关联更新。土建及安装工程也可分别对接专业BIM造价软件，通过模型映射、套用做法，最终导出符合国家计价规范格式的工程量清单。本项目以BIM模型导出的工程量清单作为业主标底编制的参考依据，并将其与造价咨询单位成果进行对比分析，避免出现严重的清单错项和漏项(图10)。
(4)沉浸式漫游辅助多专业设计方案协同审查
应用轻量化软件将反应沉淀池、活性炭滤池等复杂单体BIM模型进行转换，可方便项目各参建方以第一人称视角进行构筑物内部漫游，审核关键位置设计细节及构件参数，复核构筑物及设备管线标高，检查安装净空等(图11)。依靠BIM技术可视化、虚拟化的特点，业主能够更准确地理解设计意图，提高审查和决策效率。
2.3 信息化管理平台辅助智慧化建设
为增强业主对项目的统筹把控、提高各方协作效率，施工阶段以智能化的BIM模型设计成果为基础，结合移动互联及GIS技术，定制和搭建BIM信息化管理平台。通过设置各参建方工作权限及工作流程，为业主、施工、监理、BIM咨询等参建单位提供共享、协同作业平台。
(1)三维数字沙盘实现虚实融合与分析
基于GIS图形引擎融合改扩建BIM模型与现状周边实景模型，打造三维数字沙盘，直观展示厂区建成后的整体效果(图12)。GIS+BIM的技术组合不仅可以实现在三维空间对实景模型进行剖切、测量等基本操作，还能通过改变显隐设置展示特定工艺路线的管道与设备，通过开挖真实地面展示地下隐蔽工程。
(2)图模中心实现数字化设计成果管理
信息管理平台的图模中心模块，支持项目各方在网页端和移动端在线分阶段、分专业浏览图纸和模型，进行尺寸测量、截面剖切、旋转缩放、三维漫游等多种操作，并可查看构件挂接的属性信息。平台将图纸与模型关联后可实现二、三维成果同屏查看和协同审阅，支持将模型、图纸的审查记录一键生成汇总表单并提交处理(图13)。
(3)精细化BIM模型助力工程量管理
经造价软件计算后，BIM模型构件与其工程量通过ID编号一一对应，可在平台中实现关联查看。以配水井单体为例，在平台中可单独提取楼板构件的工程量，也可将整个单体的BIM工程量与造价咨询的工程量清单对比分析(图14)。基于平台的精细化BIM模型，业主能够自定义统计特定阶段产生的工程净量，作为审核施工单位工程量申报的参考依据，辅助费控部门快速决策。
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(4)模型构件与进度计划关联实现智能化进度监控
平台支持上传进度计划文件和查看横道图，将进度计划中的分部分项工程分别与模型构件关联后，可进行施工进度模拟演示。在水厂建造过程中，现场施工人员将实际进度填报至平台后，实现模型构件实际进度与计划进度的自动对比，以不同颜色显示其所处进度状态，最终确定延期部位，辅助业主进度监控(图15)。
(5)工作流引擎实现项目质量及安全线上管理
水厂施工过程中，现场巡检人员发现问题时可按照规定流程使用手机APP拍照上传，发起整改任务并发送给相关责任人，监理方对整改结果在线验收，业主可随时监督、检查整改过程及结果(图16)。管理平台便于业主、施工、监理、咨询各方线上协同作业，确保质量和安全问题处理及时、过程资料保存完整。
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3 结语
智慧水厂改扩建项目设计、施工协调管理难度大，对于工程数字化、信息化程度要求高。本研究将BIM技术和信息化管理平台应用于项目建设全过程，在设计阶段以BIM模型作为智能化设计产品并开展数据应用，优化设计方案；施工阶段基于智能化设计成果，结合信息化管理平台实现智慧建造和管理。设计、施工阶段所有的数据、信息均高度标准化和集成化，为后期的智能化运行、智慧化管理打下了坚实基础。BIM技术的应用，打破了传统建设行业各个建设阶段相对孤立的固有约束，实现了以智能化的BIM设计产品，推动智慧化的施工建造，并助力于后期的智慧化运维。随着智慧水厂建设步伐的加快，BIM技术也将会有更广阔的应用前景。
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