水廠全生命周期建設(shè)工程數(shù)字化解決方案

張 琦

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司，上海 200092）

對(duì)于上海這座國(guó)際化大都市來(lái)說(shuō)，重大環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施體系日趨完善，為響應(yīng)國(guó)家建設(shè)綠色城市號(hào)召，水廠建設(shè)項(xiàng)目作為重要的民生工程，是改革與發(fā)展的主要陣地。水廠建設(shè)工程項(xiàng)目類型包含新建、擴(kuò)建、改建，在處理工藝上也逐步從提標(biāo)改造向提質(zhì)增效進(jìn)行轉(zhuǎn)型。在建設(shè)過(guò)程中應(yīng)充分考慮廠區(qū)原有構(gòu)筑物、工藝的老舊狀態(tài)與新工藝的系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行集約設(shè)計(jì)、科學(xué)建造與智慧管理。如何做好水廠建設(shè)與新技術(shù)的融合，深度發(fā)掘并體現(xiàn)數(shù)字化、智能化、智慧化在市政工程行業(yè)中的作用及價(jià)值，為成功打造以數(shù)字化、信息化為主導(dǎo)的現(xiàn)代工程建設(shè)新業(yè)態(tài)提出了更高要求。作為建設(shè)工程設(shè)計(jì)與實(shí)施的參與者，需要我們針對(duì)這一建設(shè)類型，通過(guò)分析具體工程的特點(diǎn)及重點(diǎn)，在結(jié)合傳統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、管理的工作模式的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字+BIM 的方式提煉新的工程應(yīng)用點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化、管理提升，全面賦能全生命周期建設(shè)工程的實(shí)施成效。

1 數(shù)字化BIM 技術(shù)應(yīng)用亮點(diǎn)

通過(guò)了解并挖掘水廠建設(shè)全生命周期的需求和特點(diǎn)，圍繞水廠建設(shè)全過(guò)程，在策劃、設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)維交付各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有針對(duì)性及側(cè)重點(diǎn)的數(shù)字化應(yīng)用專項(xiàng)，聚焦目前行業(yè)內(nèi)可實(shí)踐，并確有成效的數(shù)字化專項(xiàng)應(yīng)用，重點(diǎn)包含了以BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及基于平臺(tái)的大數(shù)據(jù)AI 分析等的數(shù)字化解決方案。

1.1 利用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化

在規(guī)劃設(shè)計(jì)前期，通過(guò)對(duì)構(gòu)筑物及工藝系統(tǒng)的全面梳理及信息整合，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的模型構(gòu)件單元、數(shù)據(jù)模板，搭建規(guī)范化的全專業(yè)模型，過(guò)程中與設(shè)計(jì)互相提資及反復(fù)驗(yàn)證、優(yōu)化及整合，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的“數(shù)字孿生”模型，同時(shí)，在設(shè)計(jì)階段就同步考慮運(yùn)維數(shù)據(jù)需求，確保模型中已包含為后期智慧建造、智能運(yùn)維相關(guān)的構(gòu)件屬性，為后期建設(shè)、運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)基底。例如，建設(shè)過(guò)程中樁基的編號(hào)、運(yùn)維中生產(chǎn)廠家提供的運(yùn)管編碼等參數(shù)或字段，通過(guò)模型構(gòu)件的屬性預(yù)設(shè)，為后期建設(shè)信息的補(bǔ)充和延展，數(shù)據(jù)接口和拾取打下基礎(chǔ)。

1.2 通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通施工智能化

在施工建造前期，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)測(cè)設(shè)備儀器、終端進(jìn)行信號(hào)連接，結(jié)合項(xiàng)目需求，通過(guò)推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備終端、IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云服務(wù)等打造以自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主的智慧工地。將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、清洗，以數(shù)據(jù)輪播圖、BI 數(shù)據(jù)分析圖、智慧大屏等多重表現(xiàn)形式實(shí)現(xiàn)對(duì)涉及項(xiàng)目人、機(jī)、料、法、環(huán)的全方位、多維度的實(shí)時(shí)管控，把所有傳感信息納入統(tǒng)一平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)工地的全方位感知及把控。例如，通過(guò)人員定位傳感系統(tǒng)與視頻監(jiān)控AI 分析方法相結(jié)合，可有效采集到個(gè)人信息及人員軌跡，對(duì)在場(chǎng)作業(yè)人員安全帽佩戴合規(guī)性、違規(guī)闖入等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤與事后追溯，實(shí)現(xiàn)安全管理智能化。

1.3 基于平臺(tái)大數(shù)據(jù)AI 分析把控建造智慧化

工程建設(shè)過(guò)程中，為提升項(xiàng)目的管理和溝通效率，將項(xiàng)目管理與BIM 技術(shù)深度融合，運(yùn)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的建設(shè)管理平臺(tái)，進(jìn)行各方協(xié)同管理，并將項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量、資源進(jìn)行及時(shí)的數(shù)據(jù)優(yōu)化部署?；诙嘣悩?gòu)的BIM 模型數(shù)據(jù)將項(xiàng)目實(shí)體、各組織要素以及管理流程進(jìn)行多維度的集成、分析及預(yù)判，運(yùn)用數(shù)字化手段提升管理效能。例如，基于平臺(tái)的塔吊監(jiān)測(cè)，通過(guò)平臺(tái)部署塔吊模型及塔吊基本信息，在模型文件上關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)塔吊施工組織的數(shù)字化呈現(xiàn)。進(jìn)一步，從現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)塔吊高度、幅度、回轉(zhuǎn)、起重量、仰角、風(fēng)速6個(gè)性能進(jìn)行傳感器信號(hào)接收，來(lái)確保即時(shí)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。最后經(jīng)分析影響因素和安全指標(biāo)，根據(jù)規(guī)范設(shè)置禁戒閾值，實(shí)現(xiàn)智慧化預(yù)警，聯(lián)動(dòng)應(yīng)急措施，將預(yù)警、預(yù)判做到與手機(jī)信號(hào)的關(guān)聯(lián)，對(duì)塔吊實(shí)施操作進(jìn)行全方位管控，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行報(bào)警提醒。形成從收集、統(tǒng)計(jì)、決策及判斷上真正的智慧化。

2 實(shí)踐案例BIM 技術(shù)與水廠全生命周期建設(shè)工程的深度融合

BIM 及數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求，根據(jù)定制化的建設(shè)思路，選取不同的BIM 技術(shù)，形成一體數(shù)字化解決方案。

上海市長(zhǎng)橋水廠地處上海老城區(qū)，始建于1959年，歷史久遠(yuǎn)，是上海中心城區(qū)規(guī)模最大的水廠之一，總體供水規(guī)模140萬(wàn)m3/d。為進(jìn)一步提高城區(qū)供水水質(zhì)，建設(shè)工程是對(duì)長(zhǎng)橋水廠進(jìn)行深度處理改造，包括新建60萬(wàn)m3/d 常規(guī)處理工程和140萬(wàn)m3/d 的深度處理工程，依靠本工程將進(jìn)一步提高長(zhǎng)橋水廠供水安全保障能力。在建設(shè)前期考慮到本工程是在不新征用地的情況下，在原廠區(qū)內(nèi)完成所有改造工程，并要求改造期間確保120萬(wàn)m3/d 的持續(xù)供水能力，對(duì)設(shè)計(jì)、施工提出很高挑戰(zhàn)。項(xiàng)目從整體把控，將BIM 技術(shù)和信息化管理理念綜合應(yīng)用貫穿項(xiàng)目全生命周期，通過(guò)前期策劃、調(diào)研，標(biāo)準(zhǔn)制定，建立協(xié)同管理機(jī)制等一系列管控措施，確立項(xiàng)目數(shù)字化整體解決方案及思路。

2.1 設(shè)計(jì)階段BIM 技術(shù)應(yīng)用

（1）全系統(tǒng)、新老工藝模型創(chuàng)建。針對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)地地下管線復(fù)雜的現(xiàn)狀，通過(guò)老圖紙收集和物探技術(shù)應(yīng)用，將地下管線的三維BIM 模型進(jìn)行重建，梳理水廠各類現(xiàn)有管道系統(tǒng)的空間位置和系統(tǒng)流向，用于指導(dǎo)項(xiàng)目部施工組織和現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)展，施工過(guò)程中根據(jù)開(kāi)挖后管線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行模型信息的修正，逐步形成完整的廠區(qū)地下管網(wǎng)數(shù)字資產(chǎn)，為今后水廠的運(yùn)營(yíng)和改造提供可靠的數(shù)字化基礎(chǔ)。

（2）設(shè)計(jì)方案可視化展現(xiàn)。在設(shè)計(jì)階段利用REVIT軟件進(jìn)行廠區(qū)BIM 總體設(shè)計(jì)，將構(gòu)筑物的單體設(shè)計(jì)模型進(jìn)行多種方案的排布和討論，并逐步細(xì)化工藝設(shè)備專業(yè)、建筑專業(yè)、自控儀表的設(shè)計(jì)方案及模型，形成建成后的實(shí)景展示，并通過(guò)虛擬仿真技術(shù)及VR/AR 交互體驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)行全廠區(qū)、全方位和全流程可視化展示，提升對(duì)項(xiàng)目的前期把控能力。

圖1 利用數(shù)字化模型進(jìn)行專業(yè)整合與設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.2 施工階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

（1）人員定位系統(tǒng)。針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)用地緊張，人員管理及安全管控要求高的特點(diǎn)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在安全帽上加裝RFID 芯片，通過(guò)傳感設(shè)備，將現(xiàn)場(chǎng)人員定位信息進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)施工區(qū)域的人員進(jìn)行精確定位管理，繪制人員行動(dòng)軌跡，并利用視頻攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)影像，與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相結(jié)合，設(shè)置電子圍欄，對(duì)在場(chǎng)人員是否在安全工作范圍內(nèi)進(jìn)行識(shí)別和預(yù)警，有力保障施工作業(yè)人員的安全。通過(guò)基于管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成、統(tǒng)計(jì)與自動(dòng)報(bào)警推送功能，有效輔助管理人員第一時(shí)間了解在場(chǎng)施工作業(yè)人員的情況，及時(shí)分析、排查安全隱患。

（2）環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？紤]工程地處上海城區(qū)，施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，同時(shí)為提升項(xiàng)目建設(shè)品質(zhì)，貫徹綠色建造理念，在建設(shè)過(guò)程中對(duì)項(xiàng)目環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備與管理平臺(tái)關(guān)聯(lián)，將環(huán)保數(shù)據(jù)傳輸至平臺(tái)，通過(guò)即時(shí)統(tǒng)計(jì)并形成環(huán)保圖表，展現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置環(huán)保閾值，對(duì)超過(guò)揚(yáng)塵閾值的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)霧化噴淋聯(lián)動(dòng)應(yīng)急措施，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2.3 應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)AI 分析

建立建設(shè)管理平臺(tái)，對(duì)施工建造期的人、機(jī)、料、法、環(huán)進(jìn)行全方位、多層級(jí)的項(xiàng)目統(tǒng)管，將項(xiàng)目實(shí)施各方納入平臺(tái)信息維護(hù)與管理協(xié)調(diào)中，實(shí)現(xiàn)工程的信息全面把控，并將BIM 模型與工程數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，打造基于BIM 的建設(shè)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的信息化、數(shù)字化。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)展現(xiàn)

（1）人員實(shí)名制系統(tǒng)。通過(guò)項(xiàng)目平臺(tái)對(duì)人員實(shí)名制進(jìn)行科學(xué)化、智能化管理，利用AI 人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)施工作業(yè)人員的證件信息進(jìn)行采集，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拍照打卡，以及門(mén)禁閘機(jī)識(shí)別功能，對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)信息與真實(shí)照片進(jìn)行比對(duì)，防止冒名頂替、身份信息造假、超齡上工等現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)工地上的大數(shù)據(jù)中心，能準(zhǔn)確收集到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)人員的相關(guān)信息，消除數(shù)據(jù)孤島，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)工地實(shí)名制管理、考勤管理、防疫管理提供更為高效合理的管控手段和決策依據(jù)。

（2）設(shè)備管理系統(tǒng)。針對(duì)水廠工程設(shè)備的特殊性和對(duì)水廠運(yùn)行的重要性，本項(xiàng)目基于全場(chǎng)工藝設(shè)備的全生命周期信息作為管理重點(diǎn)，通過(guò)管理平臺(tái)將設(shè)備名錄和設(shè)計(jì)BIM 模型進(jìn)行匹配，并在訂單采購(gòu)、發(fā)貨通知、到場(chǎng)接收以及安裝驗(yàn)收等信息進(jìn)行真實(shí)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)全流程進(jìn)行精細(xì)化管控，確保設(shè)備資料的完整性和準(zhǔn)確性，以三維可視化和設(shè)備臺(tái)賬信息相關(guān)聯(lián)，作為設(shè)備大數(shù)據(jù)的信息集成。同時(shí)為每臺(tái)設(shè)備制作惟一標(biāo)識(shí)的二維碼，通過(guò)電子終端掃碼實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的隨時(shí)查詢和維護(hù)，為本工程的全數(shù)字化資產(chǎn)移交以及智慧水廠的運(yùn)維系統(tǒng)部署做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

圖3 設(shè)備工藝系統(tǒng)與BIM結(jié)合形成信息聯(lián)動(dòng)

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，基于BIM 的設(shè)計(jì)、智能化施工管控與建設(shè)管理平臺(tái)的有效聯(lián)動(dòng)，通過(guò)實(shí)踐數(shù)字化新技術(shù)，改善原有項(xiàng)目實(shí)施的操作與管理方式，實(shí)現(xiàn)高于并優(yōu)于原有項(xiàng)目的效益。最終通過(guò)基于BIM 的技術(shù)賦能，將信息技術(shù)成果進(jìn)行數(shù)字化資產(chǎn)交付，為后期與項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)接提供可靠依據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于BIM 的智慧化運(yùn)行管理體系。未來(lái)，數(shù)字化必將作為新的業(yè)態(tài)，為傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與建設(shè)賦能，為全生命周期的建設(shè)工程賦予新的價(jià)值與定義。