BIM技術(shù)在污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)展及展望

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院第十設(shè)計(jì)院，蘭州 730000)

引言

BIM(Buliding Information Modeling，即建筑信息模型)技術(shù)是以工程建設(shè)領(lǐng)域?yàn)閷?duì)象，基于建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的信息化、智能化的方法和過(guò)程。由于其具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為建設(shè)領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)表達(dá)方式。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的在我國(guó)的快速發(fā)展，其應(yīng)用價(jià)值已得到政府的高度關(guān)注和行業(yè)的普遍認(rèn)可。

近年來(lái)，隨著城市人口日益增加，城市污水廠(chǎng)的規(guī)模也不斷擴(kuò)大； 再者，我國(guó)環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，也隨之出現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)雜的污水處理工藝，導(dǎo)致污水廠(chǎng)構(gòu)筑物數(shù)量日益增多，在污水處理廠(chǎng)提標(biāo)改造過(guò)程中管線(xiàn)綜合、設(shè)備安裝、各專(zhuān)業(yè)配合等方面的難度也大大增加。針對(duì)城市污水處理廠(chǎng)規(guī)模大、工藝復(fù)雜、管線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜、多專(zhuān)業(yè)配合難度高等問(wèn)題，BIM技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了新的思路，這勢(shì)必將成為污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

1 污水廠(chǎng)BIM研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外BIM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)70年代Eastman教授首先提出BIM概念，但普遍認(rèn)為西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)BIM的研究與實(shí)踐是從2003年開(kāi)始，目前很多建設(shè)工程項(xiàng)目已采用BIM技術(shù)[1]。國(guó)外學(xué)者從起初研究BIM的實(shí)施及信息表達(dá)、交付等問(wèn)題，到2011-2013年逐漸將可視化、仿真模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題作為重點(diǎn)研究，同時(shí)BIM的工程項(xiàng)目管理、施工管理也是研究的焦點(diǎn)。

與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)BIM應(yīng)用雖然起步相對(duì)較晚，但從2011年5月住建部2011年5月頒布的《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》以來(lái)，國(guó)內(nèi)BIM關(guān)注度井噴式上漲。林佳瑞等[4]通過(guò)收集2013至2017年我國(guó)出臺(tái)的BIM相關(guān)政策，采用文本分析方法發(fā)現(xiàn)BIM已經(jīng)由最初的推廣示范發(fā)展到與裝配式建筑、互聯(lián)網(wǎng)、集成化管理等融合。近幾年隨著信息技術(shù)的普及，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的側(cè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了BIM與GIS[2]、物聯(lián)網(wǎng)[3]、大數(shù)據(jù)等方面，這也是目前值得研究的方向。

1.2 污水廠(chǎng)BIM研究現(xiàn)狀

BIM作為一項(xiàng)新興的技術(shù)和理念，起初只應(yīng)用于建筑等相關(guān)行業(yè)，在市政領(lǐng)域的應(yīng)用還相對(duì)滯后。由圖1可以看出，目前的BIM研究主要集中于建筑和計(jì)算機(jī)相關(guān)行業(yè)，所占比例分別達(dá)到50.09%和29.12%，在市政等領(lǐng)域的研究較少。

圖1 BIM相關(guān)學(xué)術(shù)研究學(xué)科分布情況(數(shù)據(jù)來(lái)源于CNKI)Fig.1 Distribution of BIM-related academic research disciplines(data from CNKI)

由于BIM技術(shù)產(chǎn)生的時(shí)間不長(zhǎng)，涉及內(nèi)容和方法又非常廣泛，有必要充分了解近年來(lái)BIM在市政污水廠(chǎng)中的應(yīng)用研究熱點(diǎn)及演進(jìn)趨勢(shì)。張呂偉[5]最早將BIM理念應(yīng)用到污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)中，并采用Revit軟件利用鏈接和工作集兩種模式進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)探索，取得了一定效果。張新蘭等[6]從使用者的角度分析了參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(GDL)的優(yōu)勢(shì)，論述了ArchiCAD軟件用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)的重要性，認(rèn)為BIM技術(shù)是未來(lái)設(shè)計(jì)技術(shù)的主流方向。孫同謙等[7]采用ArchiCAD軟件對(duì)污水處理廠(chǎng)建模，可以減少管道碰撞等問(wèn)題。楊楠等[8]認(rèn)為BIM技術(shù)可以直觀體現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)原則，解決施工中可能存在的問(wèn)題，并提出BIM技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中需要注重設(shè)計(jì)規(guī)則的制定、協(xié)同模式及模型庫(kù)構(gòu)建。徐曉宇[9]基于項(xiàng)目實(shí)踐總結(jié)了污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)中各工流程的內(nèi)容和軟件選擇，同時(shí)研究了協(xié)同設(shè)計(jì)中的工作模式。朱利民等[10]在春柳河污水處理廠(chǎng)的基礎(chǔ)上提出了一套基于Revit軟件的污水廠(chǎng)BIM設(shè)計(jì)工作流。徐亞男等[11]采用ArchiCAD軟件完成了污水處理廠(chǎng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建模、出圖及動(dòng)畫(huà)等工作。崔恒德等[12]利用BIM可視化的特點(diǎn)，模擬了地下污水廠(chǎng)的施工工藝，對(duì)施工人員進(jìn)行安全交底。

總體而言，污水廠(chǎng)BIM的研究主要在設(shè)計(jì)應(yīng)用中，并且研究機(jī)構(gòu)大多為國(guó)內(nèi)大型設(shè)計(jì)院，研究方向集中在項(xiàng)目樣板、參數(shù)化族庫(kù)、協(xié)同設(shè)計(jì)方式、碰撞檢查、施工進(jìn)度模擬、工程量統(tǒng)計(jì)及施工圖出圖等方面，其中建模軟件以Revit為主流，碰撞檢查軟件一般選用Navisworks，模型整合軟件選擇Infraworks，管線(xiàn)繪制采用鴻業(yè)管立得等。

2 BIM在污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)外污水處理廠(chǎng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作除結(jié)構(gòu)分析采用三維模型外，大多數(shù)工作仍采用二維的設(shè)計(jì)模式。然而，在一些復(fù)雜的或者改造的項(xiàng)目中，常會(huì)遇到傳統(tǒng)二維圖紙無(wú)法清晰表達(dá)的問(wèn)題，如地下污水廠(chǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)、濾池等復(fù)雜池體的異形結(jié)構(gòu)形體、改造過(guò)程中多種管線(xiàn)的穿越等。同時(shí)，在項(xiàng)目匯報(bào)和方案展示時(shí)，通常只能采用效果圖的方式向業(yè)主展示，這既增加設(shè)計(jì)成本，又難以讓業(yè)主直觀的明白設(shè)計(jì)意圖。因此，BIM技術(shù)的出現(xiàn)可以很好的解決以上這些問(wèn)題。

此外，基于二維CAD圖紙的設(shè)計(jì)模式，若出現(xiàn)修改需要反復(fù)更改圖紙，工作繁瑣、效率低下且容易出錯(cuò)。污水處理廠(chǎng)應(yīng)用BIM技術(shù)改變了傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法，帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)理念。BIM旨在建立以參數(shù)化的數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用修改完善各個(gè)模型數(shù)據(jù)的方式來(lái)完善設(shè)計(jì)工作，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)信息模型的平臺(tái)也為設(shè)計(jì)方與業(yè)主和施工方搭建一個(gè)有效的溝通平臺(tái)。BIM在城市污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖2 構(gòu)(建)筑物模型工作集圖Fig.2 The Worksets for Construction(building)model

(1)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少管線(xiàn)碰撞。由于污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)覆蓋工藝、結(jié)構(gòu)、建筑、給排水、暖通、電氣等多個(gè)專(zhuān)業(yè)，在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往由于各專(zhuān)業(yè)之間的溝通不到位，而出現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)之間的碰撞問(wèn)題，例如管道與梁和柱之間的碰撞，而利用BIM技術(shù)能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)各專(zhuān)業(yè)的碰撞問(wèn)題及時(shí)協(xié)調(diào)解決。如圖2所示，利用Revit軟件工作集模式，可以做到多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。在工作集中不同設(shè)計(jì)人員對(duì)圖元構(gòu)件有獨(dú)立權(quán)限，此功能可以保證自己的工作內(nèi)容不被任意修改，同時(shí)當(dāng)不同專(zhuān)業(yè)發(fā)生碰撞時(shí)，及時(shí)通知圖元所有者，能有效地消除碰撞點(diǎn)，同時(shí)解決錯(cuò)、漏、碰、缺等問(wèn)題，解決了二維圖紙溝通不當(dāng)造成的返工、工程浪費(fèi)，以此提高設(shè)計(jì)效率。

(2)精確算量，減少成本浪費(fèi)。污水處理廠(chǎng)單體繁多，工藝復(fù)雜，工程所需管道管件、設(shè)備多種多樣。然而，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)需要技經(jīng)專(zhuān)業(yè)人員統(tǒng)計(jì)核算工程量，內(nèi)容繁瑣且不能保證計(jì)算準(zhǔn)確。利用 BIM模型可以自動(dòng)精準(zhǔn)快速地生成工藝設(shè)備及管道附件的工程量，當(dāng)方案變更時(shí)，材料表中的數(shù)量會(huì)隨模型的變化自動(dòng)更新，為材料的采購(gòu)、預(yù)制下料等提供更加直觀的數(shù)據(jù)顯示，使得材料供應(yīng)更加方便。同時(shí)還能夠有效地輔助人工管控、材料節(jié)約，預(yù)制加工人員相對(duì)固定、材料集中管理，能夠輔助精確進(jìn)行成本預(yù)測(cè)分析和成本糾差、實(shí)施成本控制，真正做到“多、快、好、省”。

(3)模擬分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。利用BIM技術(shù)不僅僅局限于原有的展示、漫游、施工模擬和出圖，而且可以通過(guò)有限元分析軟件尋求水力模擬與工程設(shè)計(jì)之間的互動(dòng)，通過(guò)模擬和比較來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖3所示，V型濾池在實(shí)踐中經(jīng)常發(fā)生V型槽配水不均勻現(xiàn)象，利用CFD模擬比較各種進(jìn)水、配水設(shè)施的水力模擬表現(xiàn)能夠選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

圖3 利用CFD對(duì)V型濾池水力模擬Fig.3 Hydraulic simulation of V-shaped filter using CFD

(4)可視化交底，保證施工質(zhì)量。污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)精度高，對(duì)各構(gòu)筑物的功能尺寸設(shè)計(jì)要求高，通過(guò)BIM和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)將線(xiàn)條型的圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw的三維模型展現(xiàn)在人們的面前，解決了二維圖紙和三維現(xiàn)實(shí)的脫節(jié)問(wèn)題； 對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，借助施工工序模擬、設(shè)備安裝模擬動(dòng)畫(huà)和BIM模型向現(xiàn)場(chǎng)施工人員可視化交底，與施工人員及時(shí)溝通施工難點(diǎn)和要點(diǎn)，提高了互動(dòng)性和反饋性，確保按圖施工、規(guī)范施工，保證施工質(zhì)量。

(5)數(shù)據(jù)共享，利于施工管理?；贐IM技術(shù)的信息化、智能化管理，在施工過(guò)程中可以做到信息共享，幫助工程師更加有效地實(shí)時(shí)了解工程進(jìn)度。同時(shí)，在工廠(chǎng)化預(yù)制加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝的過(guò)程中，通過(guò)BIM技術(shù)的運(yùn)用對(duì)預(yù)制加工廠(chǎng)集中化進(jìn)行文明施工與安全管理，使得安裝工序更加程序化、標(biāo)準(zhǔn)化，真正做到工程施工可視化智能管理。再者，基于BIM進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)管理，借助模型，輔助完成現(xiàn)場(chǎng)平面布置的整體規(guī)劃，包括：用地規(guī)模及范圍、門(mén)衛(wèi)設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械布置、臨時(shí)設(shè)施布置、材料運(yùn)輸管理等。

3 BIM在污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

雖然BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值顯而易見(jiàn)，并且在污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中取得了一定成果，但是仍存在以下問(wèn)題：

(1)構(gòu)件庫(kù)不完善，參數(shù)化程度低。BIM最初應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，建筑結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的構(gòu)件庫(kù)相對(duì)完善，但是在污水廠(chǎng)中的工藝設(shè)備構(gòu)件仍十分匱乏，需要設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量的時(shí)間豐富設(shè)備構(gòu)件庫(kù)，如圖4所示。此外，不同企業(yè)建立的構(gòu)件庫(kù)不具共享性，并且沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，建模水平參差不齊，缺乏參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化。因此，亟需建立一套完善的污水廠(chǎng)設(shè)備構(gòu)件庫(kù)建模標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)間的數(shù)據(jù)互通和共享。

圖4 污水處理廠(chǎng)部分設(shè)備族Fig.4 Some equipment families for the sewage treatment plant

(2)模型二次利用性差，出圖效率低。各污水廠(chǎng)處理能力和工藝各不相同，構(gòu)筑物的尺寸也不同，建成的單體模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)二次復(fù)用，從而遇到新項(xiàng)目時(shí)，需重新建模，影響建模速度。再者，目前主流的BIM軟件大多為國(guó)外軟件，本地化程度低，標(biāo)注、圖例等二維表達(dá)方式不符合國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)。例如，Revit雖然三維模型表達(dá)效果好，但是相對(duì)CAD出圖效率較低。需要將Revit模型生成的平面、剖面導(dǎo)出二維圖紙，再通過(guò)CAD進(jìn)一步優(yōu)化才可出圖。建議未來(lái)將Revit等BIM軟件深入開(kāi)發(fā)，使其滿(mǎn)足我國(guó)的出圖標(biāo)準(zhǔn)； 并且利用Dynamo等參數(shù)化手段將污水廠(chǎng)各構(gòu)筑物通過(guò)調(diào)整尺寸實(shí)現(xiàn)模型的參變，實(shí)現(xiàn)快速建模和模型復(fù)用。

(3)軟件功能不健全，整合難度大。市政污水廠(chǎng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的綜合體，其包含多個(gè)構(gòu)建筑物、廠(chǎng)區(qū)道路、景觀及廠(chǎng)區(qū)管線(xiàn)等，由于主流的BIM軟件專(zhuān)業(yè)配合不完善、功能不健全，建模過(guò)程中需要選擇多種軟件，但是軟件自身限制，存在不同格式轉(zhuǎn)換時(shí)模型、材質(zhì)缺失問(wèn)題。例如Revit對(duì)于污水廠(chǎng)場(chǎng)地地形建模難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，還需Civil 3D和Infraworks等軟件配合使用。再如采用Revit對(duì)各單體建模后，將Navisworks整合模型導(dǎo)入Lumion時(shí)，部分模型和材質(zhì)丟失，降低了設(shè)計(jì)效率。未來(lái)BIM軟件需要強(qiáng)化其集成功能，并且利用計(jì)算機(jī)軟件API的開(kāi)發(fā)解決模型、材質(zhì)缺失等問(wèn)題。

(4)BIM專(zhuān)業(yè)人才不足，難以實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)。目前企業(yè)建模設(shè)計(jì)人員的界限過(guò)于清晰，BIM人員大多為各專(zhuān)業(yè)二維設(shè)計(jì)人員抽調(diào)，從CAD轉(zhuǎn)向BIM需要一定過(guò)程，并且復(fù)雜模型的創(chuàng)建對(duì)設(shè)計(jì)師的數(shù)學(xué)功底和編程能力有一定要求，然而計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員又不懂污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)，很難真正實(shí)現(xiàn)BIM正向設(shè)計(jì)。建議各大高?？梢孕Ｆ蠛献鳎黾酉嚓P(guān)課程，加強(qiáng)推廣BIM 教學(xué)力度，培養(yǎng)具有專(zhuān)業(yè)背景、技術(shù)應(yīng)用、軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)合型人才。

(5)BIM停留在基礎(chǔ)層面，未能發(fā)揮真正功能。如圖5所示，現(xiàn)階段對(duì)BIM技術(shù)在污水廠(chǎng)應(yīng)用仍局限于管線(xiàn)碰撞檢查、工程量統(tǒng)計(jì)、漫游動(dòng)畫(huà)模擬等基礎(chǔ)表現(xiàn)層面[13]，缺乏對(duì)信息的深入挖掘。李明奎等[14]分別采用Civil3D、Ecotect、Pathfinder、Phoenics及CadnaA等軟件對(duì)槐房再生水廠(chǎng)進(jìn)行曲面高程分析、采光分析、人員疏散模擬、通風(fēng)除臭和噪聲模擬，并利用Biowin軟件對(duì)不同工藝條件仿真模擬，但未對(duì)具體模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析。因此，結(jié)合BIM技術(shù)和CFD等相關(guān)模擬軟件模擬分析污水處理廠(chǎng)構(gòu)筑物中污水的流態(tài)、水質(zhì)變化、水動(dòng)力學(xué)形態(tài)等問(wèn)題，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高污水處理效率仍是一個(gè)極具潛力的研究領(lǐng)域。

圖5 市政領(lǐng)域BIM發(fā)展趨勢(shì)圖Fig.5 BIM development trend chart in the municipal sector

4 總結(jié)與展望

BIM 在我國(guó)已經(jīng)從初始的萌芽和測(cè)試階段，逐漸步入到發(fā)展普及的實(shí)施階段。工程領(lǐng)域內(nèi)各企業(yè)的工作重心，已經(jīng)從研究學(xué)習(xí)BIM 轉(zhuǎn)移到如何合理實(shí)施應(yīng)用BIM，并將其拓展到整個(gè)項(xiàng)目的全生命周期中，從而實(shí)現(xiàn)效益最大化。由此可見(jiàn)，BIM 技術(shù)將是未來(lái)工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。BIM的真正價(jià)值在于讓設(shè)計(jì)更合理，讓施工更高效，讓業(yè)主更明白，讓管理更科學(xué)。無(wú)論是對(duì)現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)的運(yùn)營(yíng)管理，還是對(duì)未來(lái)污水廠(chǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工，BIM 技術(shù)都將貫穿于污水廠(chǎng)建設(shè)的整個(gè)生命周期，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與社會(huì)價(jià)值無(wú)可估量。

然而，由于在我國(guó)BIM 起步相對(duì)較晚，缺乏相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和成熟的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，造成了BIM 在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上缺乏規(guī)范性和統(tǒng)一性。其次，BIM 技術(shù)作為一個(gè)新的理念，在城市污水廠(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，針對(duì)污水廠(chǎng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的BIM 軟件功能也不夠完善，軟件的二次開(kāi)發(fā)還有待發(fā)展。最后，現(xiàn)階段BIM在污水廠(chǎng)的應(yīng)用大多只停留在表現(xiàn)層面，其信息化、智能化優(yōu)勢(shì)未能真正發(fā)揮價(jià)值，未來(lái)仍需進(jìn)一步研究。