基于三維模型的BIM技術(shù)在建筑、路橋工程建設(shè)項目中的應(yīng)用已較為普遍。相對而言，市政供排水行業(yè)對于BIM技術(shù)的認(rèn)識和應(yīng)用還處在起步階段。BIM技術(shù)有助于優(yōu)化設(shè)計方案，有助于提升設(shè)計和施工階段的標(biāo)準(zhǔn)化和集成化，有助于實現(xiàn)水廠的智慧化運行和管理。

1. 項目情況

案例水廠位于深圳市區(qū)，現(xiàn)狀設(shè)計規(guī)模為16萬m3/d，占地4.96×104 m2，本次擴建后供水總規(guī)模增加至30萬m3/d，增加設(shè)計規(guī)模30萬m3/d的深度處理及排泥水處理系統(tǒng)，工程總占地增加至9.85×104m2。工藝流程為“格柵→預(yù)臭氧接觸池→混合井→折板反應(yīng)斜板沉淀池→氣水反沖洗濾池→提升泵房→后臭氧接觸池→活性炭濾池→紫外線消毒池→清水池→送水泵房”。本次改擴建中，現(xiàn)狀常規(guī)處理構(gòu)筑物基本保留，僅對加藥間、泵房和回收水池進行工藝改造。

項目涉及現(xiàn)狀單體與新建單體的銜接工程多，需重點協(xié)調(diào)廠區(qū)現(xiàn)狀建(構(gòu))筑物與新建單體的空間布局關(guān)系。

2. 項目全過程BIM技術(shù)應(yīng)用

本項目以BIM模型作為智能化設(shè)計成果，從方案設(shè)計階段開始應(yīng)用BIM技術(shù)，通過創(chuàng)建三維模型為廠區(qū)整體布局、工藝流程分析、新舊單體銜接提供可視化環(huán)境、輔助方案的展示和比選；在初步設(shè)計、施工圖設(shè)計階段逐步深化模型，校核、優(yōu)化設(shè)計方案。施工階段以BIM智能化設(shè)計成果為基礎(chǔ)，結(jié)合信息化管理平臺完成質(zhì)量安全、工程進度、工程量的上報及管控，實現(xiàn)建造信息的智能化監(jiān)控與精細(xì)化管理。設(shè)計、施工階段的所有信息均集成于模型之上，并伴隨建造過程不斷更新和完善，平臺上最終存儲的竣工模型也可為后期智慧水廠運維提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 智能化設(shè)計產(chǎn)品——BIM模型創(chuàng)建

水廠類項目BIM技術(shù)應(yīng)用重視廠區(qū)的整體布局和工藝流程分析，關(guān)注建(構(gòu))筑物單體的功能和工藝參數(shù)，對后期的運維管理有較高的信息要求。針對以上特征，本項目創(chuàng)建包含全專業(yè)設(shè)計信息的精細(xì)化BIM模型，主要包括廠區(qū)現(xiàn)狀實景、建(構(gòu))筑物單體(含現(xiàn)狀及新建單體)、廠區(qū)地質(zhì)及基坑支護、總圖管線模型等，并將以上模型進行局部或整體拼裝。

(1)現(xiàn)狀實景模型提供三維數(shù)字底圖

項目前期，通過無人機傾斜攝影技術(shù)采集現(xiàn)狀廠區(qū)道路、綜合樓、加藥間、泵房以及常規(guī)處理工藝構(gòu)筑物的原始外表面照片，使用專業(yè)軟件創(chuàng)建整體實景模型(圖1)。實景數(shù)據(jù)可作為廠區(qū)整體布局分析和工藝流程展示的三維底圖，展示廠區(qū)新舊融合及建成效果，輔助設(shè)計方案的展示、分析和比選。

(2)新建單體模型展現(xiàn)工藝設(shè)計細(xì)節(jié)

擴建區(qū)域用地較為緊張，部分新建單體采用了疊合(組合)結(jié)構(gòu)形式，如反沖洗泵房及風(fēng)機房、臭氧發(fā)生間、提升泵房及后臭氧接觸池進行了橫向疊合(圖2)，導(dǎo)致池墻共壁較多、樓板標(biāo)高關(guān)系和預(yù)留預(yù)埋較為復(fù)雜。全專業(yè)BIM模型有利于實現(xiàn)多專業(yè)設(shè)計圖紙的協(xié)同校核，通過三維剖切也可分層或分功能區(qū)域展示工藝流程和設(shè)計細(xì)節(jié)(圖3)。

(3)改建單體模型展示改造過程及前后對比

泵房和加藥間等改造單體內(nèi)部，需重點校核現(xiàn)有空間是否滿足改造后的設(shè)備安裝和檢修空間要求。通過創(chuàng)建改造前、后的全專業(yè)BIM模型并進行對比分析，直觀展示改造過程和校核室內(nèi)空間布局。例如，通過BIM模型，校核送水泵房臥式泵替換為立式泵的改造方案(圖4)。

(4)地質(zhì)及基坑支護模型校驗實施方案

本項目擴建區(qū)域需進行大面積的深基坑開挖和支護，常規(guī)地勘數(shù)據(jù)表達(dá)形式為二維平面圖紙或表格，難以展示土層分布情況，也無法結(jié)合支護圖紙進行綜合分析。因此，為準(zhǔn)確校核基坑設(shè)計和實施方案，應(yīng)用二次開發(fā)編程技術(shù)根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)高效創(chuàng)建地質(zhì)模型，準(zhǔn)確描述廠區(qū)開挖土層分布情況。通過創(chuàng)建支護結(jié)構(gòu)模型并與地質(zhì)模型進行整合，確保支護設(shè)計形式同時滿足基坑開挖高度及阻止地下水進入基坑的要求(圖5)。

(5)總圖模型創(chuàng)建和拼裝展示工藝流程及整體布局

創(chuàng)建包含廠區(qū)現(xiàn)有管線和新建管線的總圖BIM模型(圖6)。基于廠區(qū)管道配色方案，直觀展示現(xiàn)狀與新建管道連接關(guān)鍵節(jié)點，如現(xiàn)狀原水管道與新建管道連接點、新建預(yù)處理出水與現(xiàn)狀進水管道連接點、現(xiàn)狀常規(guī)處理出水與新建深度處理連接點、新建清水池與現(xiàn)狀清水池出水管道連接點等，基于三維場景準(zhǔn)確表達(dá)管井、閥門、流量計空間定位，直觀展示總圖管線布置。

將所有單體模型(含現(xiàn)狀、改造、新建)與總圖模型(圖7)集成后，重點校核總圖與單體間、單體相互間的銜接關(guān)系，如總圖與單體間的生產(chǎn)管道、反沖洗管道、超越管道、臭氧管道、排泥水管道、回用水管道等各類系統(tǒng)的接駁情況；新建沉淀池與氣水反沖洗濾池之間的渠道連接、預(yù)臭氧接觸池和現(xiàn)狀混凝池之間的管道連接情況等。以可視化分析作為評估依據(jù)，輔助業(yè)主進行方案比選。
 

2.2 設(shè)計及施工階段智能化分析——BIM模型應(yīng)用

完成BIM模型創(chuàng)建形成智能化設(shè)計產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過開展模型應(yīng)用進一步深挖BIM價值。通過開展圖紙校核和預(yù)留預(yù)埋定位工作，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，減少后期設(shè)計變更；基于BIM模型結(jié)合造價軟件進行工程量統(tǒng)計，加強業(yè)主對工程量的把控；應(yīng)用輕量化模型進行沉浸式漫游查看，實現(xiàn)對設(shè)計成果的三維審查。(1)碰撞檢查及校核提前發(fā)現(xiàn)空間沖突利用BIM技術(shù)的多專業(yè)協(xié)同優(yōu)勢最大程度發(fā)現(xiàn)圖紙的“錯、漏、碰、缺”問題。如通過使用Navisworks軟件設(shè)置構(gòu)件類別和校核規(guī)則，自動檢查結(jié)構(gòu)框架與電纜橋架間、不同系統(tǒng)生產(chǎn)管線間是否存在幾何形體上的空間沖突等，繼而進行單體和總圖管線綜合，形成書面分析報告和圖紙問題臺賬(圖8)。

(2)精準(zhǔn)化預(yù)留預(yù)埋定位減少后期返工

在污泥池頂部等預(yù)留預(yù)埋較復(fù)雜的區(qū)域，基于全專業(yè)BIM模型布置防水套管、管道支架埋鐵，預(yù)留穿墻洞口、蓋板洞口及電纜通道，并出具相關(guān)部位三維剖切圖紙和預(yù)埋件工程量，有效提高預(yù)留預(yù)埋的準(zhǔn)確程度，并在建造階段進行現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)，減少后開鑿及其他返工問題(圖9)。

(3)工程量與模型聯(lián)動增強項目成本管控

基于標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的BIM模型，通過明細(xì)表功能準(zhǔn)確快速進行工藝設(shè)備和管線的工程量統(tǒng)計，當(dāng)模型發(fā)生修改時工程量可實現(xiàn)關(guān)聯(lián)更新。土建及安裝工程也可分別對接專業(yè)BIM造價軟件，通過模型映射、套用做法，最終導(dǎo)出符合國家計價規(guī)范格式的工程量清單。本項目以BIM模型導(dǎo)出的工程量清單作為業(yè)主標(biāo)底編制的參考依據(jù)，并將其與造價咨詢單位成果進行對比分析，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的清單錯項和漏項(圖10)。

(4)沉浸式漫游輔助多專業(yè)設(shè)計方案協(xié)同審查

應(yīng)用輕量化軟件將反應(yīng)沉淀池、活性炭濾池等復(fù)雜單體BIM模型進行轉(zhuǎn)換，可方便項目各參建方以第一人稱視角進行構(gòu)筑物內(nèi)部漫游，審核關(guān)鍵位置設(shè)計細(xì)節(jié)及構(gòu)件參數(shù)，復(fù)核構(gòu)筑物及設(shè)備管線標(biāo)高，檢查安裝凈空等(圖11)。依靠BIM技術(shù)可視化、虛擬化的特點，業(yè)主能夠更準(zhǔn)確地理解設(shè)計意圖，提高審查和決策效率。

2.3 信息化管理平臺輔助智慧化建設(shè)

為增強業(yè)主對項目的統(tǒng)籌把控、提高各方協(xié)作效率，施工階段以智能化的BIM模型設(shè)計成果為基礎(chǔ)，結(jié)合移動互聯(lián)及GIS技術(shù)，定制和搭建BIM信息化管理平臺。通過設(shè)置各參建方工作權(quán)限及工作流程，為業(yè)主、施工、監(jiān)理、BIM咨詢等參建單位提供共享、協(xié)同作業(yè)平臺。

(1)三維數(shù)字沙盤實現(xiàn)虛實融合與分析

基于GIS圖形引擎融合改擴建BIM模型與現(xiàn)狀周邊實景模型，打造三維數(shù)字沙盤，直觀展示廠區(qū)建成后的整體效果(圖12)。GIS+BIM的技術(shù)組合不僅可以實現(xiàn)在三維空間對實景模型進行剖切、測量等基本操作，還能通過改變顯隱設(shè)置展示特定工藝路線的管道與設(shè)備，通過開挖真實地面展示地下隱蔽工程。

(2)圖模中心實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計成果管理

信息管理平臺的圖模中心模塊，支持項目各方在網(wǎng)頁端和移動端在線分階段、分專業(yè)瀏覽圖紙和模型，進行尺寸測量、截面剖切、旋轉(zhuǎn)縮放、三維漫游等多種操作，并可查看構(gòu)件掛接的屬性信息。平臺將圖紙與模型關(guān)聯(lián)后可實現(xiàn)二、三維成果同屏查看和協(xié)同審閱，支持將模型、圖紙的審查記錄一鍵生成匯總表單并提交處理(圖13)。

(3)精細(xì)化BIM模型助力工程量管理

經(jīng)造價軟件計算后，BIM模型構(gòu)件與其工程量通過ID編號一一對應(yīng)，可在平臺中實現(xiàn)關(guān)聯(lián)查看。以配水井單體為例，在平臺中可單獨提取樓板構(gòu)件的工程量，也可將整個單體的BIM工程量與造價咨詢的工程量清單對比分析(圖14)。基于平臺的精細(xì)化BIM模型，業(yè)主能夠自定義統(tǒng)計特定階段產(chǎn)生的工程凈量，作為審核施工單位工程量申報的參考依據(jù)，輔助費控部門快速決策。

(4)模型構(gòu)件與進度計劃關(guān)聯(lián)實現(xiàn)智能化進度監(jiān)控

平臺支持上傳進度計劃文件和查看橫道圖，將進度計劃中的分部分項工程分別與模型構(gòu)件關(guān)聯(lián)后，可進行施工進度模擬演示。在水廠建造過程中，現(xiàn)場施工人員將實際進度填報至平臺后，實現(xiàn)模型構(gòu)件實際進度與計劃進度的自動對比，以不同顏色顯示其所處進度狀態(tài)，最終確定延期部位，輔助業(yè)主進度監(jiān)控(圖15)。
 

(5)工作流引擎實現(xiàn)項目質(zhì)量及安全線上管理

水廠施工過程中，現(xiàn)場巡檢人員發(fā)現(xiàn)問題時可按照規(guī)定流程使用手機APP拍照上傳，發(fā)起整改任務(wù)并發(fā)送給相關(guān)責(zé)任人，監(jiān)理方對整改結(jié)果在線驗收，業(yè)主可隨時監(jiān)督、檢查整改過程及結(jié)果(圖16)。管理平臺便于業(yè)主、施工、監(jiān)理、咨詢各方線上協(xié)同作業(yè)，確保質(zhì)量和安全問題處理及時、過程資料保存完整。

3 結(jié)語

智慧水廠改擴建項目設(shè)計、施工協(xié)調(diào)管理難度大，對于工程數(shù)字化、信息化程度要求高。本研究將BIM技術(shù)和信息化管理平臺應(yīng)用于項目建設(shè)全過程，在設(shè)計階段以BIM模型作為智能化設(shè)計產(chǎn)品并開展數(shù)據(jù)應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計方案；施工階段基于智能化設(shè)計成果，結(jié)合信息化管理平臺實現(xiàn)智慧建造和管理。設(shè)計、施工階段所有的數(shù)據(jù)、信息均高度標(biāo)準(zhǔn)化和集成化，為后期的智能化運行、智慧化管理打下了堅實基礎(chǔ)。BIM技術(shù)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)建設(shè)行業(yè)各個建設(shè)階段相對孤立的固有約束，實現(xiàn)了以智能化的BIM設(shè)計產(chǎn)品，推動智慧化的施工建造，并助力于后期的智慧化運維。隨著智慧水廠建設(shè)步伐的加快，BIM技術(shù)也將會有更廣闊的應(yīng)用前景。