深圳市共和閘站BIM運維應(yīng)用初探

黃培志，胡 亭，黎志藝

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)的發(fā)展[1]，智慧水務(wù)受到前所未有的重視[2]，很多城市陸續(xù)開展智慧水務(wù)構(gòu)建方案[3]和應(yīng)用體系[4]研究，以新信息技術(shù)應(yīng)用促進管理精細(xì)化、智慧化，已成為新時期水務(wù)管理的趨勢[5]。作為重要的新信息技術(shù)，BIM已在提高水利水電工程建設(shè)現(xiàn)代化水平等方面發(fā)揮了重要作用[6]。但與此同時，信息化和智慧水務(wù)并不能一蹴而就，而是一個隨著業(yè)務(wù)和技術(shù)變化不斷滾動、更新、迭代的過程[7]，例如，水利水電行業(yè)內(nèi)BIM應(yīng)用在不同地區(qū)、不同類型的工程中就體現(xiàn)了明顯的不均衡性。其中中小型泵站、水閘的BIM應(yīng)用并不理想[8]，涉及運維的研究也較少，李威[9]展望了BIM模型在泵閘運行管理中設(shè)備巡檢、防汛演習(xí)、人員培訓(xùn)、設(shè)備效能分析和項目后評估等方面的應(yīng)用，王佳媛[10]結(jié)合BIM、VR、RFID、SCADA等技術(shù)系統(tǒng)提出給水泵站全生命周期的應(yīng)用思路，秦雯[11]將BIM與GIS信息對接，初步完成基于BIM的泵站項目管理系統(tǒng)的開發(fā)，基本實現(xiàn)全壽命期信息記錄等。盡管中小型泵站、水閘是承擔(dān)城鄉(xiāng)防洪、防潮、排澇、供水等功能的重要民生基礎(chǔ)設(shè)施，但由于規(guī)模較小、數(shù)量眾多、位置分散等原因，其運維信息化水平往往不高而且關(guān)注度也較低，總體上仍停留在以文字、二維圖表、簡單臺賬等形式留存、使用工程運維資料的狀態(tài)，信息交互效率低。

作為未來智慧水務(wù)建設(shè)的重要組成部分，中小型泵站、水閘的運維信息化應(yīng)用研究十分必要而緊迫，文章將圍繞深圳市共和閘站的BIM運維應(yīng)用展開初步探討。研究對象共和閘站是深圳市寶安區(qū)沙井河片區(qū)排澇工程的組成部分，位于寶安區(qū)西北部共和涌河口，包括共和泵站和共和水閘，設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24h設(shè)計暴雨不受淹，服務(wù)面積為0.12km2，機組共3臺，設(shè)計總裝機容量為945kW，設(shè)計總提水流量為12.3m3/s。

1 運維BIM建模

項目根據(jù)現(xiàn)行的Autodesk、Bentley、Catia等主流平臺[8]的特點，綜合考慮性價比、兼容性、操作友好性等因素，采取更契合中小型水利設(shè)計單位需求的Autodesk平臺，以Revit軟件為主進行建模。各專業(yè)、各分項建模精度不低于竣工圖模型(LOD500)。軟、硬件具體配置不能低于最低要求，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范參照地方BIM交付標(biāo)準(zhǔn)[12]、中國水利水電勘測設(shè)計協(xié)會BIM標(biāo)準(zhǔn)[13]及研究成果[14]、水利行業(yè)制圖規(guī)范及建筑行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)[15]等執(zhí)行，翻模技術(shù)也較為成熟，文章均不贅述，僅重點闡述有關(guān)原則和注意事項。

1.1 模型創(chuàng)建規(guī)則

(1)坐標(biāo)、高程和單位系統(tǒng)。項目中所有模型使用統(tǒng)一坐標(biāo)和高程系統(tǒng)，在Revit中建立項目北與地理信息正北方向的關(guān)系。水工結(jié)構(gòu)標(biāo)高特性為標(biāo)高對應(yīng)特征名稱(如閘底板等)，標(biāo)高數(shù)值為絕對高程；建筑結(jié)構(gòu)的標(biāo)高特性為樓層編碼，標(biāo)高數(shù)值以相對標(biāo)高。使用統(tǒng)一的單位制，模型單位為毫米(保留1位小數(shù))，標(biāo)高及路線樁號單位為米，標(biāo)注尺寸單位為毫米。

(2)模型拆分協(xié)同原則。模型應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)按構(gòu)筑物分區(qū)、按專業(yè)、按部位、按構(gòu)件進行拆分。拆分的單個模型文件的大小，最大不宜超過50M，以保證計算機操作的流暢性和GIS平臺導(dǎo)入模型的完整性。

(3)模型文件命名規(guī)則。模型文件命名應(yīng)考慮文件名的長度和后期管理的需要，應(yīng)包含項目名稱、實施階段、相關(guān)專業(yè)及具體的空間位置，同時還應(yīng)包含自定義字段。具體格式為：項目名稱代碼-設(shè)計階段代碼-[分區(qū)名稱]-專業(yè)代碼-[子項名稱/代碼]-自定義描述。其中，[ ]表示按實際項目需要添加。如有多個子項的可用設(shè)計編號(如01、02)進行區(qū)分。專業(yè)代碼用于表明該模型的專業(yè)用途，如SG：水工結(jié)構(gòu)， DQ：電氣，JG：景觀，JZ：建筑，如有其他專業(yè)代碼需要增加另行設(shè)定。自定義描述用于表示文件版本號、時間等自定義描述內(nèi)容。例如，共和閘站運維階段水工結(jié)構(gòu)水閘部分11月15日版模型，模型文件命名為GHBZ-YW-SG-水閘- 1115。

(4)模型信息要求。通用信息的模型構(gòu)件屬性表中須包含規(guī)范的構(gòu)件名稱，模型文件屬性表中須包含創(chuàng)建時間、創(chuàng)建人員、文件命名、模型專業(yè)、實施階段、相關(guān)專業(yè)等信息。

1.2 模型創(chuàng)建與校驗

鑒于該工程是已建成的在運行項目，前期未開展正向設(shè)計，主體工程大多位于水下而無法通過實景建模，建模人員主要通過工程圖紙和相關(guān)調(diào)研資料深入、準(zhǔn)確地理解項目設(shè)計方案后開展“翻模”工作。啟動建模前結(jié)合工作習(xí)慣預(yù)設(shè)項目樣板，在指定項目信息處填寫本項目名稱和時間等相關(guān)建設(shè)信息，可為以后模型的傳遞和信息交流提供便利。

根據(jù)泵站、水閘的整體布置和各段結(jié)構(gòu)尺寸，建模時應(yīng)創(chuàng)建合適的軸網(wǎng)和標(biāo)高，軸網(wǎng)宜布置在構(gòu)筑物的墻邊線、結(jié)構(gòu)中心線、上下游各段結(jié)構(gòu)的分界處；標(biāo)高宜根據(jù)構(gòu)筑物各個分層的控制高程進行設(shè)置，標(biāo)高疏密要適中，以利于不同高程的部件進行放置和后續(xù)的方案調(diào)整。各模型均基于柱、墻、梁、板等構(gòu)件創(chuàng)建，異形構(gòu)件采用內(nèi)建模型進行自定義建模。相似構(gòu)件通過全局參數(shù)功能實現(xiàn)模型的參數(shù)化驅(qū)動以提升效率。在構(gòu)件類型屬性中應(yīng)注釋名稱、尺寸、材質(zhì)、所在建設(shè)階段等數(shù)據(jù)，并特別注意添加構(gòu)件非幾何信息。非幾何信息是BIM模型信息傳遞的重要內(nèi)容，也是運維管理的重要依據(jù)。

建模過程與金結(jié)、電氣、建筑、巖土等專業(yè)保持模型鏈接關(guān)系，隨時檢查專業(yè)間的不協(xié)調(diào)問題，并結(jié)合圖紙與現(xiàn)場照片等資料復(fù)核墻體、樓板開洞位置、尺寸及設(shè)備基礎(chǔ)、樓梯等做法，減少過程錯誤。模型建成后，直接應(yīng)用Revit碰撞檢查進行模型校驗，同時還需將自動剖切生成的二維視圖與圖紙進行比對，盡可能減少錯誤。如圖1～如4所示。

圖1 整體模型進口三維視圖(進水口側(cè))

圖2 廠房模型外部三維視圖

圖3 電氣系統(tǒng)模型三維視圖

圖4 廠房模型內(nèi)部三維視圖

2 運維管理系統(tǒng)開發(fā)

目前，已有較多基于BIM+GIS的系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用，張帆[16]開發(fā)了BIM水務(wù)應(yīng)用管理協(xié)同平臺，王子成[17]應(yīng)用地理信息系統(tǒng)Skyline和PHP 編程語言開發(fā)了土石壩施工仿真可視化系統(tǒng)。但相關(guān)研究更多面向重大基礎(chǔ)設(shè)施工程，而針對中小型泵站、水閘的BIM+GIS運維管理系統(tǒng)研究較少，對此，文章將結(jié)合該工程特點選取較為易用、實用的開發(fā)方法進行應(yīng)用研究。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

在滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、用戶需求和技術(shù)支持的基礎(chǔ)上，該工程運維管理系統(tǒng)架構(gòu)分為業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層(如圖5所示)，采用.NET Framework 3.5框架的C/S模式開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用Access，三維GIS平臺采用Skyline 6.6.1，三維底圖和建筑模型在線調(diào)用深圳市規(guī)劃和自然資源局的三維空間平臺，系統(tǒng)運行網(wǎng)絡(luò)需求為深圳市政務(wù)外網(wǎng)，軟件運行需求為WIN 7以上操作系統(tǒng)、TerraExplorer 6.6.1以及.NET Framework 3.5。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括地圖工具、設(shè)施運維管理、圖紙資料管理、應(yīng)急預(yù)案管理、報表統(tǒng)計和數(shù)據(jù)管理等6大模塊。其中，地圖工具模塊(如圖6所示)提供在地圖模式下的測距、模擬下雨、陰影、室內(nèi)視圖、旋轉(zhuǎn)、圖層控制功能，主要用于模型查看，便于快速熟悉工程情況；設(shè)施運維管理模塊(如圖7所示)提供泵機、吊車梁、進水閘、拍門、排水閘、清污機等設(shè)施的排澇能力、裝機容量等詳細(xì)參數(shù)信息的快速查詢；圖紙資料管理模塊提供工程設(shè)計、更新改造或者除險加固等全套完整圖紙調(diào)閱功能；應(yīng)急預(yù)案管理模塊提供工程設(shè)備的應(yīng)急預(yù)案信息調(diào)閱功能；報表統(tǒng)計模塊提供電氣主材及閘門、水泵、橋機、格柵清污機等的實時運行報表信息；數(shù)據(jù)管理模塊提供泵機、吊車梁、進水閘、拍門、排水閘、清污機等設(shè)施數(shù)據(jù)編輯和更新功能。

圖6 地圖工具模塊(測距)

圖7 設(shè)施運維管理模塊(格柵清污機)

圖8 運維保障模塊

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢分析

共和閘站BIM運維系統(tǒng)在資料和資產(chǎn)管理方面優(yōu)勢突出，管理人員和相關(guān)方可及時便捷調(diào)閱工程各有關(guān)參數(shù)、圖紙報告、驗收檔案和設(shè)備運行狀態(tài)等資料，實現(xiàn)對工程資產(chǎn)有效的信息管理和資料共享。因泵閘工程大部分為地下建筑物且部分設(shè)備位于水下，投入運行后很難直觀查看，本系統(tǒng)可快速、流暢地瀏覽工程三維模型全貌，協(xié)助快速掌握閘站結(jié)構(gòu)情況，為培訓(xùn)和匯報宣傳帶來便利。與此同時，實現(xiàn)閘站圖紙、設(shè)備信息與BIM模型的關(guān)聯(lián)，點選模型具體部位快速調(diào)出相應(yīng)竣工圖紙，點選具體設(shè)備快速調(diào)出運行信息及維修保養(yǎng)記錄等，可有助提高工程除險加固、設(shè)備更新改造等決策效率。

另外，共和閘站是中小型泵站、水閘的典型代表，工程范圍小、設(shè)備內(nèi)容清晰、運行工藝簡單，應(yīng)用BIM技術(shù)進行逆向建模較容易，開發(fā)基于BIM+Skyline的三維GIS運維管理系統(tǒng)，其效率較高也較易實現(xiàn)。類似閘站工程的BIM運維應(yīng)用，可在較短時間內(nèi)完成建模和系統(tǒng)的個性化調(diào)整，具有可復(fù)用價值，推廣應(yīng)用后可為深圳市智慧水務(wù)的工程信息歸集提供重要基礎(chǔ)資料。

3 存在問題與建議

對照深圳市智慧水務(wù)的總體要求與工程管理實際情況，共和閘站BIM運維應(yīng)用仍面臨亟待解決的若干問題。

(1)BIM運維系統(tǒng)控制設(shè)備的優(yōu)勢暫不明顯。中小型閘站工作的設(shè)備操控相對簡單，對管理人員的門檻要求較低，無需通過復(fù)雜流程即可啟閉機組實現(xiàn)擋潮、排澇功能，在實現(xiàn)全無人值守前，現(xiàn)地操作仍然具有安全可靠及性價比的優(yōu)勢。

(2)中小型閘站硬件自動化水平有待提高。目前，大部分中小型閘站工程尚未配備全面的自動化監(jiān)控、監(jiān)測設(shè)備，水位、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)無法通過傳感器傳到BIM運維系統(tǒng)來實現(xiàn)智能感知，也無法通過實時信息來共享支持流域的聯(lián)合調(diào)度。

(3)BIM建模與系統(tǒng)開發(fā)方法仍有優(yōu)化空間。通過竣工圖創(chuàng)建運維模型的逆向建模方式，檢驗?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性的難度和工作量較大。同時，基于本次版本Skyline開發(fā)的BIM運維系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的材質(zhì)丟失問題，而且C/S開發(fā)模式不利于大范圍推廣應(yīng)用。

中小型閘站工程數(shù)量眾多，大部分還停留在紙質(zhì)檔案管理階段而未實現(xiàn)三維可視信息化，歷史欠賬較多，要全面提升運維信息化管理水平仍需較長的過程才能實現(xiàn)。針對中小型閘站工程BIM運維應(yīng)用面臨的問題，建議存量工程應(yīng)加強逆向建模的校驗，確保模型的準(zhǔn)確性，增量工程宜采用BIM正向設(shè)計方式創(chuàng)建準(zhǔn)確BIM模型，不斷更新、豐富模型信息并流轉(zhuǎn)到運維階段，復(fù)雜工程還可采用Vault正向協(xié)同設(shè)計模式建模。系統(tǒng)開發(fā)可考慮Skyline新版本或超圖、易智瑞等三維GIS平臺結(jié)合B/S開發(fā)模式，嘗試提升信息共享效率和解決材質(zhì)丟失問題，并增加豐富的圖表分析和視頻顯示功能。在自動控制方面，可結(jié)合設(shè)備更新改造逐步加設(shè)各類傳感器以獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用自動感應(yīng)、圖像識別、視頻識別技術(shù)將信息傳遞到應(yīng)用系統(tǒng)和流域管理系統(tǒng)，實現(xiàn)單體工程自動控制，有助于全市智慧水務(wù)管理應(yīng)用。

4 結(jié)語

針對目前中小型閘站工程運維管理水平與智慧水務(wù)要求差距較大的現(xiàn)狀，文章以深圳市共和閘站為試點開展BIM運維應(yīng)用初步探索，梳理了以Revit為主、基于竣工資料的BIM逆向建模原則與注意事項、模型創(chuàng)建與校驗方法，提出了Skyline在C/S模式下BIM運維系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊，并開發(fā)了共和閘站BIM運維系統(tǒng)；結(jié)合工程實際分析了該系統(tǒng)有效提升資料資產(chǎn)管理效率、便于推廣復(fù)用等優(yōu)勢以及存在的若干問題，提出了強化正向設(shè)計、優(yōu)化開發(fā)模式和模型處理方法、豐富展示功能和結(jié)合設(shè)備更新改造加快硬件自動化升級等建議，可為智慧水務(wù)建設(shè)和類似工程BIM運維管理提供基礎(chǔ)信息和參考。