BIM 技术在水厂改扩建工程中的运用

随着城市化进程不断加速以及对水资源需求持续增长，水厂的改扩建工程变得越来越重要，然而水厂改扩建项目常常面临着不少挑战，如场地空间有限、地下管线情况复杂、建设工期紧张等问题。传统设计和施工方法在应对这些挑战时渐渐显出局限性，而 BIM（BuildingInformation Modeling）技术作为先进数字化技术，给水厂改扩建工程提供了全新解决方案，BIM 技术能够达成信息的集成与共享，提前发现并解决设计与施工当中的问题，优化建设时序进而提高项目的质量和效率。

1 BIM 技术概述

BIM 技术也称之为建筑信息模型技术，它以建筑工程项目相关信息数据为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物真实信息，它不只是一个简单的三维模型，更是包含从项目规划设计到运营维护全过程信息的数据库，涵盖建筑几何形状、结构体系、设备设施等多方面信息[1]。

1.2 BIM 技术的特点

BIM 技术可把传统二维图纸转变为三维立体模型，让项目参与者能直观看到建筑物外观、内部结构及各系统空间关系，方便理解和沟通设计意图并提前发现设计问题。在 BIM 模型中各专业设计信息集成于一个平台，不同专业设计人员可实时协同工作进行碰撞检查，及时发现并解决设计冲突以提高设计质量和协同效率，能对项目的各类情况像施工进度、设备运行、紧急疏散等进行模拟，助力项目团队提前制定应对策略来优化项目方案。基于 BIM 模型大量信息利用相关分析软件，对设计和施工方案等进行优化，在满足项目需求前提下实现资源合理利用和成本有效控制，还能依据 BIM 模型快速生成平面图、剖面图、详图等各种二维图纸，且这些图纸与三维模型实时关联，模型修改会自动反映在图纸上确保图纸准确一致。

1.3 BIM 技术在建筑工程中的应用现状

目前 BIM 技术在建筑工程领域应用愈发广泛，涵盖从规划设计到施工建设再到运营维护全生命周期，设计阶段 BIM 技术可帮助设计师做方案比选与协同设计，提高设计质量和效率；施工阶段能利用BIM 技术开展施工进度管理、质量管理和安全管理，实现精细化施工；运营维护阶段基于 BIM 模型建立的信息管理系统，为设备维护、设施管理、能源管理等提供便捷手段，降低运营成本并提高管理水平。然而在不同应用领域和项目类型当中，BIM 技术应用深度和广度仍存在差异，在水厂等市政工程领域BIM 技术应用还处于逐步推广和深化阶段。

2 水厂改扩建工程的特点与挑战

2.1 水厂改扩建工程的特点

水厂包含多段水处理工艺流程，如混凝沉淀、砂过滤、臭氧活性炭过滤、消毒等，各工艺环节彼此之间相互存在关联，在改扩建过程当中需保证现有工艺流程正常运行，同时要对新建深度处理设施和原有设施进行合理衔接，水厂作为城市供水的关键重要设施，其运行安全稳定直接与居民生活和社会稳定相关联。在改扩建工程里要采取严格的安全措施和水质保障措施，避免对供水水质和水量产生不利影响，水厂内部存在大量地下管线如原水管道、清水管道、污泥管道、空气管道等，因建设年代久远及过程中的维修，管线资料可能并不完整，这给施工带来了非常大的风险隐患，一些水厂处于城市建成区当中周边环境复杂，施工场地狭窄使材料堆放和设备停放受限，增加了施工组织方面的难度系数 [2]。

2.2 水厂改扩建工程面临的挑战

涉及建筑结构工艺电气自控等多个专业的设计，因各专业设计要求和标准存在差异，所以需要开展大量协调工作来保证设计的一致性与合理性。在改扩建工程当中，还得考虑新建设施和原有设施之间的兼容性与整体性，鉴于地下管线复杂且施工场地有限，施工过程里容易出现管线破坏和安全事故等风险。另外，在不停水施工的情形下，保障供水安全也是施工过程需要解决的关键问题，水厂改扩建完成之后，设备设施增多导致运行管理难度加大，需要建立一套高效运维管理系统，实现对水厂运行状态的实时监测、故障诊断与维护管理，以此确保水厂稳定运行。

3 项目概况

新河水厂坐落在湘江东岸，目前现状取水水源为混合水源，为湘江水和株树桥水库的混合水，湘江取水口位于湘江长沙段中下游位置，水源水质情况比较差属于Ⅲ类水，水厂在 1993 年建成并且投入生产，到现在已经运营超过 30 年时间，其设计供水规模达到 30 万 m³/d，此次提标改造工程重点是增加深度处理系统与排泥水系统，深度处理工艺采用“臭氧 + 活性炭滤池”工艺，排泥水处理系统采用“污泥浓缩池 + 污泥平衡池 + 离心脱水”工艺，项目总投资金额为3.2 亿元，占地面积达到4.5hm²，但厂区用地呈现紧张且分散状态，仅为国家标准的 41.7%，改造及新建单体数量较多，建设工期预估需要 390 天，并且施工期间不能对厂区正常生产造成影响， 二期改造工程实施难度非常大，建设资料缺失情况十分严重，地下管线系统类型复杂且数量较多，交叉区域布局呈现紧凑状态，新旧管线接驳空间比较有限，单体建设时序制约因素相对较多。

4 BIM 技术的应用需求与实施方案

新河水厂改造面临的主要问题包括地表水和水库水的水源混合、用地紧张、建设资料缺失、地下管线复杂和工期紧张等。针对这些问题，引入 BIM 技术，以实现设计、施工问题的前置解决。通过创建准确的 BIM 模型，梳理现状信息，模拟建设过程，优化设计方案和建设时序，从而提高项目的可行性和效率。

因为项目用地比较紧张，所以采用无人机倾斜摄影技术来采集现状建（构）筑物信息，进而创建三维实景模型当作设计数字底图，同时运用水面效果优化技术，对水面破洞平面开展约束和平整处理工作，让模型精度达到3 厘米级，以此满足标高、距离及面积测量的需求，基于现状管线竣工图纸和管线物探数据，使用自研现状管线创建工具进行现状管线三维建模，梳理并且复核现状地下管线信息，为总图管线设计提供有效指导，根据系统类型对管线进行配色，让其携带材质、标高、尺寸和节点属性等信息，准确获取现状管线的种类、布局、走向、管径及埋深等关键信息，为后续的管线设计和改造工作提供基础，依据厂区设计功能需求，对总图管线进行精细化设计，针对复杂节点区域开展优化设计工作，比如二期滤池及清水池区域、一期絮凝沉淀池区域等，对需要改造的单体进行详细设计，结合现状情况和设计要求，确保改造后的单体能够满足功能需求，按照设计标准和工艺要求，对新建单体进行精细设计，涵盖建筑、结构、工艺等多个专业。如下图1。

对调节水池、提升泵房以及后臭氧池等工艺设施开展详细设计工作，以此确定设备选型和具体工艺流程。比如，提升泵站采用 5 台立式轴流泵来满足运行需求，后臭氧池分成 2 组且每组设有 3 个反应室，臭氧投加系统由独立的微孔布气盘及管道组合而成，臭氧尾气运用采样尾气破坏装置进行处理，依据地勘钻孔数据创建地勘信息模型，以三维可视化的方式展示地勘相关成果，准确描述厂区建设区域地质土层分布状况和地下水水位情况，为后续的结构设计和基坑支护设计提供有效依据 [3]。结合地勘信息和工艺方面的要求，对结构进行详细且全面的设计，从而确保结构具备安全性和稳定性，针对不同的基坑实际情况，制定科学合理的支护方案，如排桩 + 内支撑支护、双排支护桩、悬臂桩支护等支护方式，对于 A、B、C、D 基坑支护危大工程，通过整合地质、地下水、基坑设计数据来校核专项方案，辅助专项方案进行论证评审。在建筑专业精细化 BIM 设计当中进行建筑方案比选操作，创建不同方案的 BIM 模型并直观展示建筑物形态和空间布局情况，辅助确定最佳的建筑方案，于三维场景里完成电气柜和桥架的综合布置工作，确保电气系统具备合理性和安全性

4.2 施工准备阶段作业规划

根据实景模型先对生产区域和建设区域做初步划分并规划围挡，接着提出多个施工平面布置以及交通组织方案且加以优化，对施工进出厂道路进行了优化，把项目部和临时道路分隔开来，解决了方案中临建区域分割的问题，同时和东南侧十字路口保持合理的距离，在不租用厂外临时用地的条件下作为备选方案，后来因为厂外临时用地租用没能顺利实施而成为正式方案。梳理建设内容之间的制约关系，初步制定建设时序计划，并且把进度计划表展示成更直观的三维动画场景，以此辅助建设时序方案的讨论分析。通过展示不同建设时期工作面的分布和变化状况、不同时间节点各单体建设的进度情况，辅助优化施工时序。比如，针对反冲洗泵房及变配电间安装工程，与一期滤池改造工程的时序问题提出优化方案，让反冲洗泵房安装和滤池改造工程同步开展，避免超出窗口期的风险，对于综合加药间的建设时间考虑提前施工，避免在高峰期内进行系统切换。

在日常关键工序正式开始施工之前开展 人员深入理解设计意图与具体要求来减少误解和返工情况，通过模拟以及预演施工方案的方式确保方案 位相关人员开展轻量化和实景模型软件培训，从而提高项目实施过程中 BIM 应用深度。 维码支持模型的三维查看、测量、属性信息查询、三维剖切等功能，方便各参建 率和准确性 [4]。本项目采用全过程咨询加 EPC建设模式，由专职BIM 设计团队负责编制BIM 全过程中BIM 设计团队牵头组织设计、施工、监理等参建方实施相关BIM 工作，成立新河水厂提质改造工程建设领导小组明确各参建方职责和分工以确保BIM 实施方案顺利执行。

4.3 施工图阶段BIM 深化设计

设计团队和 BIM 团队开展协同工作，利用内部漫游和三维剖切等功能，对各个单体实施全方位、多角度的校核工作，比如在炭滤叠合消毒池、调节水池、提升泵房及后臭氧池的校核当中，发现并解决工艺和建筑、结构方案存在的冲突，以及预留套管、洞口、设备基础等方面的问题，通过逐个单体内审并且确认优化方案，以此提高设计质量，减少施工过程当中的变更情况。基于 BIM 模型对总图管线进行综合以及优化，解决管线复杂区域存在的碰撞问题，整合总图以及各子项模型，反映一期、二期滤池等管线复杂区域的管道接驳点位，校核安装空间，提前发现可能存在的风险点，利用自研的管线检查及优化工具，按照设计要求的管道叠合顺序和间距要求，高效开展管线交叉方案的复核工作。该工具能够快速识别交叉点可能存在的管线冲突或净距不足等问题，提高复核工作的准确性和效率，在管线深化设计过程里，协调总图管线图纸出现的问题，记录总图管线标高与单体存在不一致、总图管线与井、现状管线等碰撞等问题，并及时对这些问题进行处理。通过对现状管线模型、总图管线模型、新建及改造单体模型、场地模型等进行整合，梳理总图管线建设的相关信息，确定新旧管道接驳的具体内容。

对重点区域开展详细分析，涵盖管道安装空间校核及优化方案、施工时阀门控制方案分析、施工时对现状厂区生产影响分析等内容，在新建格栅预臭氧池与现状絮凝沉淀池进水管的接驳方案里，要考虑现状物探资料，进一步通过现场开挖来确认管线定位，论证土建施工范围和现状管道关系并制定管线保护方案 [5]。通过对管线接驳方案进行分析，能够提前发现问题、优化设计方案以及提高施工效率，从而减少潜在风险，整合基坑支护、总图管线和单体模型，对单体结构、管线与支护净距进行校核，以此提高设计准确性，针对厂区西北角排水管线迁改区域，结合基坑支护模型（A、B 基坑）、管线施工区域钢板桩模型，重点复核管线施工可行性，对现状排水管线明挖钢板桩支护下管道、管涵上下叠合方案进行分析，以此确保管线施工的安全性和可行性。

5 结语：

综上，BIM 技术在新河水厂提标改造工程里进行全面应用，充分体现出它在解决复杂工程问题上的显著优势，通过三维实景建模、精细化管线设计等创新手段，项目团队有效克服用地紧张资料缺失等诸多挑战，实现设计信息全过程流转以及施工方案的前置优化。BIM 与GIS 结合的数字化交付平台推动项目管理智能化，为后期运维工作提供了可靠的数据支撑，实践表明 BIM 技术不仅缩短工期还降低了建设成本，提升工程品质与协同效率，为水厂类市政工程改扩建提供可复用技术路径。

参考文献：

[1] 张宁 , 邓京楠 . 市政污水处理厂改扩建工程 BIM 技术应用研究 [J]. 中国给水排水 ,2024,40(14):79-84.

[2] 史文先, 基于BIM 技术的水电厂房改扩建工程设计. 云南省, 中国水利水电第十四工程局有限公司,2023-04-25.

[3] 宁运芳 , 刘柱 , 陈学水 , 等 . 大型老旧水厂不断水集约化重建技术与实践 [J]. 给水排水 ,2022,58(09):1-6.

[4] 钟亚丽 .BIM 技术在水厂改扩建工程中的研究与应用 [J]. 水利技术监督 ,2022,(02):46-49+107.

[5] 谭立新 .BIM 技术在既有站房改扩建施工中的应用 [J]. 铁路技术创新 ,2021,(04):71-76.