摘要：近年来，随着高新技术产业的发展，绿色经济与可持续发展的必要性也日益凸显。本污水处理厂是“十四五”可持续发展规划下的长江流域污水治理攻坚项目，也是四川首批低碳转型、数字运维的试点工程，作为国内首个采用“以太阳能、污水热源双源绿色赋能的双清洁能源”污水处理厂，项目运用BIM技术实现“智慧建造”、“智慧治污”，项目紧抓水务行业数字化转型新机遇，加快推进基于全生命周期管理的数字双胞胎污水处理厂建设，蓄力推动水务行业数字化、智能化转型升级。

项目概况

拟建一座污水处理厂，坐落于某市清水河南岸，项目总占地74.54亩，处理规模为8万m3/d，采用 “预处理+调节及事故池+水解酸化池+改良AAO反应池+高效沉淀池+活性焦吸附池+V型滤池+紫外消毒”的先进污水处理工艺，主要服务成都高新西区清水河以南区域居民生活废水及“5+2”产业园区工业废水。项目结构形式为多层框架结构。开工日期为2022年4月21日；竣工日期2023年6月25日，总工期430日历天。

项目按工艺流程分为预处理器、生化处理区、深度处理区，污水经处理合格后，排入清水河，清水河是该市河段上游重要水源，最终汇入长江，环境敏感度较大，环保要求高；项目排放标准位列国家污水排放标准第一梯队；项目建成以后，将成为本区污水处理量最大的污水厂，在“打造绿色园区、实现的绿色经济发展、保护饮用水安全、保护长江流域生态环境”四大方面发挥重大作用与意义。

项目BIM应用需求分析

污水处理工艺流程复杂，专业化程度高。传统的工艺设计优化方式支撑性差，不适用于此项目，希望能够通过数字化手段，通过实际参数分析及验证生物池的污泥沉积风险、工艺设备的稳定性、安全性，从而优化工艺设计方案；利用BIM技术辅助施工，模拟厂区水流走向与工艺处理流程，辅助满水试验与试车调试。

污水处理行业是传统的耗能大户，我国污水处理厂的能耗主要是电耗，处理每吨污水耗电约0.2-0.3度，电费约占污水处理运营成本的50%-70%，且近年来全球气温上升，2022年四川省经历了历史同期最高极端温度，最少降水量，最高电力负荷——“三最”叠加的局面，更是在用电高峰期，不得不以“限电”方式，全力维护保障民生用电。因此，实现节约传统电能，开发利用新能源，成为设计阶段优化的重要目标。

项目作为“十四五”可持续发展规划下的长江流域污水治理攻坚项目，是四川省首批低碳转型、数字运维BIM试点工程，致力于实现集成工业智能化管理系统，打破了数据孤岛化现状，实现了设备可视化，打造智能水务管控一体化平台和水务智能化管理平台。有效提高污水厂作业的综合监管能力、降低运营成本，实现管理精细化、决策科学化和服务高效化。

BIM设计环境构建

（一）编制《项目BIM综合应用策划》

结合地方、行业、企业级BIM标准、业主BIM要求。根据业主及相关部门要求，在项目策划阶段，编制《项目BIM综合应用策划》。涉及的相关标准有：《建筑信息模型施工应用标准》（GB/T 51235-2017），《建筑信息模型分类和编码标准》（GB/T 51269-2017），《成都市市政工程建筑信息模型（BIM）设计技术规定（试用版）》，《中国五冶集团建筑信息(BIM)建模标准》，《成都高新西区第二污水处理厂工程项目关于建筑信息数据（BIM）招标技术要求》。

（二）设置样板文件

根据项目图纸特点，将建模工作面划分分为工艺、结构、建筑、自控、暖通、电气、景观专业，规范系统命名规则，如：A-污水处理管道-碳钢管（Q235a）-法兰，”A”表示工艺处理区，“污水处理管道”表示管道系统名称，“碳钢管（Q235a）”表示管道材质，“法兰”表示管道连接形式，同时，根据规范管道材料规格表，增加录入公称直径500~1600mm的材料真实规格，确保模型与真实数据匹配，BIM模型精度达LOD400，精度满足施工图设计及深化设计要求的工艺模型创建要求。

（三）系统建设

BIM实施前进行系统建设，包括配置智慧工地决策系统，BIM组织体系建设 ，组建专业化团队，BIM应用标准化体系建设，制定BIM常态化管理制度，扩充企业专业设备族库，模型版本协同管理等措施，整合软硬件资源，确保BIM工作顺利开展。

本项目将Revit模型、Civi3d模型、各类设计BIM衍生分析软件，模型通过统一数据接口，整合至BIM+智慧管理系统。BIM实施过程涉及的软件有AutoPIPE管道设计软件，OpenBuildlings Designer多专业建筑设计软件，Synchro施工模拟软件，企业自主数字项目平台，BIMFILM，Lumion，pathfinder，Ecotect, ANSYS Fluent。

BIM技术应用成果

（一）基于BIM的CFD流体力学有限元仿真分析

在污水工艺处理过程中，调节池的作用是克服污水排放的不均匀性，通过均衡调节污水的水质、水量以及控制水温的变化，让生物处理设施的进水量变得更加均匀，有效降低污水的不一致性，以及减少之后进行的二级生物处理设备受到冲击的影响。本项研究目的是基于 CFD（Computational Fluid Dynamic，计算流体动力学）技术，对污水厂生物池内的流态进行分析，基于流场信息评估搅拌器选型布置方案的合理性，增进对搅拌器实际功效的了解，为设备安装提供更有效的解决方案，降低实际工程出现问题的可能性。本研究的主要内容包括模拟生物池中的流场分布，分析搅拌器安装位置的合理性，分析可能产生的不利流动现象，评估沉积的风险。包含以下三个基本步骤：（1）前处理。包括几何建模和创建流体的水力计算网格。（2）数值计算。包括设定初始和边界条件，选择适用的计算模型并运算。（3）后处理。包括分析结果，并根据参数、变量和总体评价编写分析结论。

1、建立几何模型

利用本特利系列软件，按照1：1的比例创建生物池的3D模型，下图是水池几何模型的展示（以调节池为例）。进出水口及搅拌器布置如图1所示。

图1. 调节池CFD分析三维几何模型

2、网格模型

网格类型为非结构网格，空间体网格主要为四面体、棱柱体及六面体网格类型。划分的壁面网格如下图2所示，在流动敏感区域(近壁面处)采用密网格，在远离壁面区域采用稀疏网格。

3、边界条件

采用CFD对流动现象进行计算之前，需先对网格模型设置边界条件。池壁：采用固壁边界条件，即将壁面结构视为考虑边界层效应的绝热边界。水面：采用无粘壁面边界，不考虑飞溅及气隙效应。进水口：采用基于流量的质量入流边界。出口：采用基于边界内部流场压力梯度的自由出流边界。搅拌器：结合搅拌器选型报告数据，将搅拌器推力以动量源的方式添加到流体力学N-S方程。

4、计算模型

计算模型采用稳态不可压缩流体分析类型。湍流模型采用双方程RANS模型(realizable k-ε模型)。该湍流模型对于此类问题具有较好的计算精度和效率综合性能。壁面效应采用高级双层方法进行近似模拟（采用”blend”模型基于网格的y+值进行壁面效应修正）。搅拌器用一个动量源模拟，位于搅拌器布置位置的中心。相应的输出推力和角动量分布与搅拌器输出的总推力和轴转距测量值一致。通过对水池内流线图、流场各典型剖面上的速度矢量图、速度等值面分析调节池计算结果。

5、结果分析

通过对水池内流线图、流场各典型剖面上的速度矢量图、速度等值面图，考察流场中回流、流动分离不利现象，并通过池底剪应力分布图分析池底的沉积风险。

通过流线图可知，在推流器作用下，水流得到显著的加速。池内水流在经过跑道形池较窄一端时，流速较高；在经过较宽一端时，由于流道变宽，水流速度降低。同时，该端存在较多管道和支撑柱体结构，对水流的流动起到阻碍作用。

图2.池内流线图

从不同水平截面上展示池内流场速度分布。由图可见，在池内中下部，1#2#推流器一侧的廊道内水流速度高于另一侧；在接近池内水面处，3#4#推流器一侧的廊道内水流速度高。过推流器盘面的横截面图可见，3#4#推流器盘面附近存在回流区，设备运行时存在安全风险。

对水池中搅拌器产生的V=0.3m/s、V=0.6m/s速度等值面进行分析，等值面包络空间内部为高流速区域，通常等值面包络区域越大，池内流速越高。经计算，该池区内流动平均速度为0.34m/s，流速合理范围内。

池底剪应力分布，通常认为池底剪切应力大于0.1Pa的区域发生污泥沉积的风险较低。由下图可见，池底大部分区域剪切应力大于0.1Pa，污泥沉积风险低。

综合来说，通过对池内流线、流速、池底剪切应力的CFD分析，可知：生物池推流器在该池区内均能对水体产生显著的推流加速作用，池内平均流速合理；池底大部分区域剪切应力大于0.1Pa，污泥沉积风险低；但在3#4#推流器盘面处，存在回流现象，不利于设备安全运行。根据分析结果，决定调整推流器安装位置，避开回流的影响，达到延长设备使用寿命的目的，计算池体的污泥沉积风险，有利于运营期的维护成本控制，使未来污水处理厂的能够长期稳定运行，保障污水处理效果。

（二）基于BIM的成套工艺流程集成模拟

本项目工艺流程采用“预处理+调节及事故池+水解酸化池+改良AAO反应池+高效沉淀池+活性焦吸附池+V型滤池+紫外消毒”的先进污水处理工艺，项目涉及专业化程度高，项目内部构造复杂，工艺流程复杂。基于BIM的成套工艺模拟，梳理各个处理单元的水流走向、设备联动关系，处理功能，通过三维模拟动画演绎的方式，创造可视化条件，辅助项目技术交底、试车模拟、流程展示。集成模拟制作流程为（1）梳理工艺流程（2）编写脚本。（3）确定分镜（4）精细化BIM模型（5）应用3Dmax等动画制作软件，进行动画制作与输出（6）应用视频软件进行剪辑并配音，最后整合输出整体工艺模拟动画。在制作过程中，应多次校核脚本的准确性，分镜设计时，介绍内容包含工艺流程、工艺特点、地理环境、水质状况、周边环境要素、建成整体效果、对各处理区详细工艺处理流程介绍，针对性地对复杂渠道，内部层次复杂区域进行展示。让整个项目在项目开工前，就能辅助技术人员有全局的认识与把控，从而提升项目建设品质。

图3.工艺模拟生物反应池分镜

（三）基于BIM的PV板自然冷却数学模型分析

为减少污水处理厂对传统电能的依赖，项目从立项阶段就坚定走低碳化路线，率先进行低碳变革，全国范围内率先采“用太阳能、污水热源双源赋能”的先进环保设计理念，实现绿色赋能，降低能耗，节能减排。

通过无人机倾斜摄影，整合 GIS 数据和 BIM 模型，为设计人员提供了周边环境仿真分析，根据采光率及屋顶设备密集程度比选，最终确定在事故池与调节池屋面设置光伏板。在自然通风条件下，光伏板倾角、全年城市太阳辐射强度、环境温度、风俗、肋片、间距对发电性能均有影响，本项目通过BIM光照模拟分析确定最佳倾角数值，在matlab软件中，基于BIM模型建立PV板自然冷却数学模型，设定假设条件，设定项目真实地点及项目定位。模拟太阳能辐射量，将倾角数值设定为变量，其他影响因素参照全年常值作为定量，得出最佳倾角为35.3°，基于BIM技术确定光伏板安装的最佳方向与角度，进而提高太阳能的利用率。

项目充分利用污泥的热值，结合ORC低温发电及并网系统，将污水热能转换为电能，进行发电，系统能够实现电网故障下的并网运行，具有较高可靠性与稳定性，优化了电网与新能源系统之间的流量和能量供比；同时又减少污泥固化及废弃量，一举多得，达到了节能减排的良好效果。利用污水资源，使用BIM技术对污水源热泵技术进行厂区冷、热自供方案深化设计，省去了锅炉等燃烧系统的燃烧过程，节约能源，避免了环境污染，综合利用效率高达90%，本项目日均处理水量高达8万吨/天，污水热源丰富。项目建成以后，可实现全年COD减排8760万吨（日均3吨/天/m³），氨氮减排4380万吨（日均1.5吨/天/m³），有效减少碳排放量。

（四）智慧水务运维

作为数字运维的试点项目，本项目数字化运维平台的建设在原有运维分布式系统基础之上，实现集成实时监控数据及静态数据可视化、三维可视化、业务逻辑算法等先进技术，为水厂运维提供智能化管理平台，可生动还原工厂内设备及工艺流程，物理工厂与数字工厂实现虚实交互，工厂设备运行状态线上可视化，为操作人员管理、分析、优化提供决策支持。通过PLC传感器收集实际数据，基于BIM模型，实现智能运营中心、设备运检可视化、生产监控可视化，生产流程可视化.同时，运维平台还集成企业自主研发的能控系统，对设备能耗进行智能控制与合理调度,实时统计传统能源与新能源用电来源配比，优化用电结构，减少对电网的依赖，并对尾水控制因子等重要指标进行监测监控，实现全自动化预警和响应。

总结：

在大力推进绿色低碳循环发展，深入打好长江经济带生态污染防治攻坚战的可持续发展背景下，本项目通过BIM技术的深度实践验证，切实利用好BIM技术的前瞻性，为项目建设与使用增值，同时该项目的BIM应用为城镇污水处理类项目提供标准体系，具有典型性、可推广性、复制性，为水环境治理项目提供完善的标准方法体系。