BIM技術(shù)在大型餐廚垃圾廠的應(yīng)用
——以上海生物能源再利用項(xiàng)目二期為例

文｜上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 魯慶丹

隨著B(niǎo)IM 技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)不僅限于房屋建筑行業(yè)，而是擴(kuò)展至市政基礎(chǔ)設(shè)施、商業(yè)綜合體、醫(yī)療、文化體育、科研辦公、工業(yè)建筑、交通運(yùn)輸、水利水電、工程建筑等各個(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用階段也從設(shè)計(jì)拓寬至施工、運(yùn)維，直至項(xiàng)目的全生命周期。BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的運(yùn)用主要包含各專業(yè)建模、碰撞檢查、管線綜合以及凈高分析運(yùn)用，施工階段以施工方案模擬、進(jìn)度可視化管理、質(zhì)量安全管理為主，運(yùn)維階段則主要包括運(yùn)維模型搭建、管理系統(tǒng)搭建、設(shè)備管理及能耗管理等。BIM 技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)，但是至今為止將其運(yùn)用于餐廚垃圾處理廠這一設(shè)備與土建緊密銜接類型的不多，本文對(duì)BIM 技術(shù)在大型餐廚垃圾處理廠設(shè)計(jì)和施工階段的運(yùn)用進(jìn)行探索。

1.項(xiàng)目信息

上海生物能源再利用項(xiàng)目二期工程位于老港生態(tài)環(huán)?；貎?nèi)、上海生物能源再利用項(xiàng)目一期工程南側(cè)地塊，用地面積約195 畝。處理對(duì)象為上海市中心城區(qū)和浦東新區(qū)南片區(qū)餐廚垃圾，處理規(guī)模為1500 噸/日，其中包括餐廚垃圾900 噸/日，廚余垃圾600 噸/日，是上海市最大的餐廚垃圾處理項(xiàng)目。本工程處理規(guī)模大，包含餐廚、廚余垃圾預(yù)處理，高低濃厭氧消化、沼液脫水、沼渣干化、沼氣凈化等11 個(gè)復(fù)雜的工藝系統(tǒng)。餐廚垃圾采用“大物質(zhì)分揀+精分制漿+除砂+除雜+三相分離+立式提油”預(yù)處理工藝，廚余垃圾采用“粗破碎+大物質(zhì)分揀+擠壓脫水/破碎制漿+除砂+除雜”預(yù)處理工藝，預(yù)處理后有機(jī)質(zhì)進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)沼，沼氣凈化后除廠區(qū)自用部分外并網(wǎng)發(fā)電。

圖1 項(xiàng)目鳥(niǎo)瞰圖

2.設(shè)計(jì)階段

2.1 軟件協(xié)同進(jìn)行土建建模

本工程主要建筑為綜合預(yù)處理車間、厭氧罐區(qū)、鍋爐及發(fā)電機(jī)房、黑水虻處理車間以及初雨事故池。對(duì)于固體廢物處理工程而言，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程首先是進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，工藝專業(yè)提出設(shè)計(jì)條件圖，建筑專業(yè)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深化再交接至結(jié)構(gòu)專業(yè)，結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后再返回建筑和工藝專業(yè)進(jìn)行復(fù)核，并最終確定建筑物的框架結(jié)構(gòu)。由于三維建模所需的時(shí)間成本大于二維設(shè)計(jì)，雖然其精確度高，但二次修改工作量大，因此，三維建模在項(xiàng)目的介入點(diǎn)建議自結(jié)構(gòu)專業(yè)完成后。結(jié)構(gòu)專業(yè)采用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，如PKPM 系列軟件、YJK 設(shè)計(jì)計(jì)算軟件等，都具備將計(jì)算模型直接導(dǎo)出為BIM 模型的接口。本工程結(jié)構(gòu)專業(yè)采用PKPM 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算模型可直接導(dǎo)出為Revit 模型，結(jié)構(gòu)模型作為單獨(dú)的文件，鏈接到建筑模型中，可靈活修改。

2.2 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)建模

土建模型的建模完成后，工藝、給排水、暖通、電氣各個(gè)專業(yè)可以在土建模型基礎(chǔ)上進(jìn)行各專業(yè)建模。目前，主流的三維設(shè)計(jì)軟件有 Bentley 系列軟件、Autodesk系列軟件、還包括AVEVA PDMS 等專業(yè)設(shè)計(jì)軟件。這些軟件都開(kāi)發(fā)了相關(guān)的協(xié)作功能，各專業(yè)設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行協(xié)作設(shè)計(jì)。本工程采用Autodesk Revit 軟件進(jìn)行三維建模，該軟件可以設(shè)置中心文件為終端文件，各專業(yè)采用工作集的形式在本地副本進(jìn)行本專業(yè)三維建模，并隨時(shí)與中心文件同步來(lái)上傳本地變更，同時(shí)獲取其他專業(yè)的最新模型，較傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，具有兩大明顯的優(yōu)勢(shì)：第一，信息的全面性。二維設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)圖紙，其他相關(guān)專業(yè)的圖紙進(jìn)行管線布置，設(shè)計(jì)效率低，出錯(cuò)率高。三維設(shè)計(jì)能在模型中直觀獲取所有所需的信息，高效便捷。第二，信息的實(shí)時(shí)性。二維設(shè)計(jì)時(shí)，各專業(yè)圖紙不會(huì)進(jìn)行頻繁的交接，一般只進(jìn)行初次的交接和重大變更，導(dǎo)致信息傳遞延滯，效率低下。三維設(shè)計(jì)時(shí)，各專業(yè)幾乎實(shí)時(shí)同步模型，消除信息傳遞時(shí)間差，提高設(shè)計(jì)效率。

圖2 綜合預(yù)處理車間、黑水虻車間BIM 模型

2.3 設(shè)備建模

圖3 工程通用設(shè)備構(gòu)件庫(kù)界面展示

由于機(jī)械設(shè)備行業(yè)與建筑行業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)存在巨大差異，目前市面上還沒(méi)有一款軟件能夠同時(shí)兼顧土建和設(shè)備兩方面的建模和出圖，因此，在土建建模軟件中不斷積累設(shè)備模型、形成數(shù)據(jù)庫(kù)，或成為當(dāng)前階段實(shí)現(xiàn)土建、設(shè)備在同一建?？蚣?、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式情況下建模的最優(yōu)途徑。在固廢處理工程中，設(shè)備模型的一般只要求達(dá)到構(gòu)件級(jí)精度，即外形尺寸和接口準(zhǔn)確。設(shè)備模型的選用要分為通用設(shè)備和專用設(shè)備兩種情況來(lái)討論。首先是專用設(shè)備，只針對(duì)于某一特定用途，沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家規(guī)范或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如本工程中的擠壓脫水機(jī)、破碎制漿一體機(jī)等，其外形設(shè)計(jì)根據(jù)不同品牌有相當(dāng)?shù)牟町悺Ｈ绻苯訉⒃O(shè)備集成到同一模型中，模型體量大，對(duì)硬件要求高。Autodesk Revit 軟件包含多種軟件接口，可導(dǎo)入*.dwg，*.dxf ，*.dgn，*.sat，*skp等多種格式的文件，本工程嘗試以*.dxf ，*.dwg，*.sat 三種格式導(dǎo)入設(shè)備，都因?yàn)樵O(shè)備體量太大，導(dǎo)致軟件運(yùn)行卡頓。這是由于對(duì)于多數(shù)設(shè)備商提供的Solidworks 設(shè)備模型精度達(dá)到 《建筑信息模型設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51301-2018）中的4.0 級(jí)模型精細(xì)度，也就是零件級(jí)模型單元，即使是抽殼模型也包含了很多不必要的細(xì)節(jié)信息。此時(shí)，模型的減量化顯得尤為重要，可用Solidworks 軟件工具面板“defeature”功能、Autodesk Inventor 裝配選項(xiàng)卡中的“簡(jiǎn)化”功能進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化，再將簡(jiǎn)化后的設(shè)備集成至系統(tǒng)模型中。第二類設(shè)備為通用設(shè)備，如泵、風(fēng)機(jī)、螺旋輸送機(jī)、儲(chǔ)罐等，這一類設(shè)備的外形條件有一定的標(biāo)準(zhǔn)約束，更多的是尺寸的差異，需要在項(xiàng)目中不斷積累具有復(fù)用性、獨(dú)立性、可參變性、可擴(kuò)展性、可連接性的通用設(shè)備構(gòu)件，形成構(gòu)件庫(kù)。建立構(gòu)件庫(kù)能解決外部導(dǎo)入設(shè)備模型體量過(guò)大、設(shè)備重復(fù)建模等問(wèn)題，并且彌補(bǔ)土建類建模軟件設(shè)備建模效率低的短板，將土建和工藝設(shè)備有機(jī)融合在同一建模體系下，為項(xiàng)目信息統(tǒng)一管理、設(shè)計(jì)效率提高、模型格式轉(zhuǎn)換再利用等提供便利。

Solidworks 是一款專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，精度達(dá)到零件級(jí)，為各類設(shè)備商廣泛使用。AutoCAD Plant3D 是一款三維工廠設(shè)計(jì)軟件，其操作基于AutoCAD 軟件平臺(tái)，基于等級(jí)的設(shè)計(jì)和元件庫(kù)可以有效簡(jiǎn)化管道、設(shè)備和支吊架的放置流程。構(gòu)建設(shè)備具有參數(shù)化的基本模塊，對(duì)于規(guī)則形狀的設(shè)備可進(jìn)行快速搭接。Autodesk Revit 為建筑信息模型構(gòu)建軟件，以參數(shù)化構(gòu)件的形式構(gòu)建設(shè)備，也稱為族?；邶嫶蟮挠脩羧后w，已經(jīng)積累的豐富的族庫(kù)資源，可有效提高建模效率。經(jīng)綜合比較和嘗試，在機(jī)械設(shè)計(jì)和管線工廠設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行土建建模存在效率低，視覺(jué)效果一般，土建信息模塊缺失等一系列問(wèn)題，本工程最終選用Autodesk Revit 為建模軟件，通用設(shè)備采用族庫(kù)模型，專用設(shè)備采用簡(jiǎn)化后導(dǎo)入的設(shè)備模型，從而實(shí)現(xiàn)土建和工藝的有機(jī)融合。

2.4 管線綜合排布優(yōu)化及碰撞檢查

基于餐廚垃圾處理廠集成程度高、管線錯(cuò)綜復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的管線綜合工作難度大、效率低下。與二維設(shè)計(jì)相比，BIM技術(shù)將各個(gè)專業(yè)內(nèi)容展現(xiàn)在同一空間中，全專業(yè)覆蓋式的建模是施工現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)演，可避免大部分由設(shè)計(jì)導(dǎo)致的施工返工問(wèn)題。設(shè)計(jì)工作開(kāi)展前，設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人需對(duì)全專業(yè)進(jìn)行空間、時(shí)間、資源上的優(yōu)化配置，各專業(yè)建模完成后，在管路復(fù)雜、管線交叉處，統(tǒng)一安排管廊進(jìn)行支撐，摒棄傳統(tǒng)管線錯(cuò)綜復(fù)雜的工業(yè)感工廠，建造具有觀賞性的現(xiàn)代化工廠。此外，在進(jìn)行管線布置時(shí)需考慮管線布置方案的可行性，留有安全系數(shù)，避免現(xiàn)場(chǎng)安裝不符合條件而產(chǎn)生的重大變更，盡量保持模型和現(xiàn)場(chǎng)的一致性。

本工程采用的Autodesk Revit 軟件自身就有碰撞檢查功能，但是在實(shí)施過(guò)程中存在一定的局限性。一是在模型體量較大時(shí)，對(duì)電腦硬件要求高，且需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)間。二是只能檢查硬碰撞，即實(shí)體與實(shí)體之間的碰撞，而無(wú)法考慮軟碰撞，例如實(shí)際并沒(méi)有碰撞，但間距和空間無(wú)法滿足相關(guān)施工要求（安裝、維修等）。因此，本工程建模完成后導(dǎo)出NWC 格式文件，在Navisworks 軟件中進(jìn)行碰撞檢查，針對(duì)各個(gè)碰撞點(diǎn)進(jìn)行修改，可導(dǎo)出碰撞檢查報(bào)告。

2.5 設(shè)計(jì)成果輸出

完整的交付模型應(yīng)包含模型和項(xiàng)目信息兩部分。模型信息應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就輸入到模型當(dāng)中，可根據(jù)項(xiàng)目需求選擇《建筑信息模型設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51301-2018）中的N1-N4 深度等級(jí)，一級(jí)為簡(jiǎn)單項(xiàng)目信息，二級(jí)至系統(tǒng)關(guān)系、組成及材質(zhì)，三級(jí)深化至生產(chǎn)、安裝信息，四級(jí)則考慮到運(yùn)維階段的資產(chǎn)和維護(hù)信息。模型的信息深度與模型后續(xù)階段的運(yùn)用相關(guān)，可視化為最低要求，若要發(fā)揮模型最大效益，將其深入施工、運(yùn)維階段則需要規(guī)范和完整模型信息。除了模型和信息的移交外，還包括圖紙和工程量的輸出。在傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)中，各個(gè)平面、剖面是相互獨(dú)立的，不存在聯(lián)鎖關(guān)系，修改工作量大，易產(chǎn)生錯(cuò)漏。BIM 模型可剖切至任意的平面、剖面，且與模型同步更新。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)需手動(dòng)清點(diǎn)工程量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且準(zhǔn)確率低，BIM 模型算量具有信息聯(lián)通性，隨模型調(diào)整直接導(dǎo)出最終工程量，便于招標(biāo)、采購(gòu)工作中的成本控制。

圖4 碰撞檢查內(nèi)容示例

圖5 協(xié)同管理交付平臺(tái)界面

3.施工階段

施工階段的核心目標(biāo)是把關(guān)項(xiàng)目質(zhì)量、控制項(xiàng)目進(jìn)度以及施工安全管理。為結(jié)合BIM 在項(xiàng)目全生命周期的運(yùn)用，本工程構(gòu)建了一個(gè)集合業(yè)主方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方、施工方以及設(shè)備材料供應(yīng)商為一體的協(xié)同管理交付平臺(tái)，該管理平臺(tái)包含三大功能板塊：基礎(chǔ)功能（包括3D 全景、協(xié)同辦公、設(shè)計(jì)管理、文檔管理等），核心業(yè)務(wù)（包括進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、安全管理等），擴(kuò)展業(yè)務(wù)（資產(chǎn)管理、現(xiàn)場(chǎng)管理、智慧工地等）。

3.1 進(jìn)度管理

結(jié)合BIM 模型的施工進(jìn)度管理，開(kāi)工前進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)度的計(jì)劃編制、標(biāo)段進(jìn)度計(jì)劃編制，施工過(guò)程及時(shí)上傳施工進(jìn)度，平臺(tái)可支持進(jìn)度計(jì)劃與模型關(guān)聯(lián)，進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃4D 模擬，即3D 模型加1D 時(shí)間，并通過(guò)進(jìn)度看板直觀反映與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況同步的進(jìn)度報(bào)告。

3.2 質(zhì)量管理

管理人員在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題后，填寫質(zhì)量檢查單并鏈接至模型相應(yīng)位點(diǎn)，下發(fā)質(zhì)量整改通知至相關(guān)責(zé)任人員，并且在整改完成后進(jìn)行復(fù)查，完成閉環(huán)質(zhì)量管理。

3.3 安全管理

利用BIM 模型協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)施工檢查管理，輔助安全管控。在三維全景中添加多個(gè)視頻監(jiān)控位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多屏監(jiān)控、監(jiān)控地圖以及云臺(tái)回放，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋。利用平臺(tái)APP 端對(duì)發(fā)現(xiàn)的安全隱患進(jìn)行及時(shí)拍照與信息上傳，并對(duì)問(wèn)題可指定責(zé)任人進(jìn)行整改，形成安全檢查單、安全整改通知與安全整改復(fù)查閉環(huán)。在安全看板中查看安全整改單情況、安全類型問(wèn)題統(tǒng)計(jì)等，為后期的安全管理對(duì)策提供數(shù)據(jù)支持。

3.4 設(shè)備管理

利用BIM 模型建設(shè)設(shè)備產(chǎn)品庫(kù)，在平臺(tái)中及時(shí)更新設(shè)備采購(gòu)計(jì)劃和安裝進(jìn)度管理，生成設(shè)備管理臺(tái)賬，確保現(xiàn)場(chǎng)安裝的及時(shí)反饋。型號(hào)、名稱、廠家等設(shè)備信息隨模型導(dǎo)入管理平臺(tái)，可一鍵生成二維碼，實(shí)現(xiàn)掃一掃獲取設(shè)備信息，對(duì)運(yùn)營(yíng)的單位后期進(jìn)行設(shè)備維保提供完整的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.5 可視化指導(dǎo)施工

目前所實(shí)現(xiàn)的BIM 在施工階段的應(yīng)用主要停留在管理層面，設(shè)計(jì)單位向施工單位進(jìn)行三維交底，項(xiàng)目部管理人員在BIM平臺(tái)上進(jìn)行進(jìn)度、質(zhì)量、安全等一系列的管理。在未來(lái)，BIM 技術(shù)在施工階段的應(yīng)用有望拓展至施工工人。本工程平臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在App 端查看輕量化模型，隨著B(niǎo)IM可視化軟件的升級(jí)和智能手機(jī)等通訊設(shè)備的普及，未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)工人在傳統(tǒng)根據(jù)藍(lán)圖施工的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)BIM 模型快速理解設(shè)計(jì)人員意圖，提高施工效率，減少返工。

4.結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)和施工階段的應(yīng)用已經(jīng)逐漸完善，本文以上海生物能源再利用項(xiàng)目二期為依托，介紹了BIM 技術(shù)在大型餐廚垃圾處理項(xiàng)目的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)，為今后類似工程的BIM 運(yùn)用提供了參考。在設(shè)計(jì)階段，對(duì)多軟件多專業(yè)協(xié)同、參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)、碰撞檢查、成果輸出等多個(gè)方面進(jìn)行了討論。建議采用Revit 軟件進(jìn)行建筑建模，結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM 直接導(dǎo)出Revit 模型，采用Revit 協(xié)作功能實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同建模。目前缺乏可以同時(shí)滿足土建建模和機(jī)械設(shè)備建模的軟件，為實(shí)現(xiàn)二者有機(jī)結(jié)合，通用設(shè)備在Revit 中建立構(gòu)件庫(kù)，專用設(shè)備用Solidworks/Inventor 簡(jiǎn)化后導(dǎo)入。建模完成后導(dǎo)出NWC 格式，至Navisworks 軟件中進(jìn)行碰撞檢查。在施工階段，BIM 技術(shù)在進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理、設(shè)備管理等方面均已實(shí)現(xiàn)基本功能運(yùn)用，未來(lái)BIM 模型或?qū)?shí)現(xiàn)在施工人員層面進(jìn)行可視化施工指導(dǎo)。