基于 BIM 技術(shù)應(yīng)用的智慧污水管控平臺

本項目為長沙市南部的雨花污水處理廠，污水總規(guī)模為 Q＝18 萬 m3/d，規(guī)模類別屬 3 類，按總規(guī)模進(jìn)行總體布局，分 3 期進(jìn)行，每期規(guī)模為一期規(guī)模 Q＝6萬 m3/d，截至 2021 年底，一期為已運營狀態(tài)，BIM 運維平臺已可使用；二期正進(jìn)行配管和泵站工程建設(shè)，廠區(qū)中為待開發(fā)階段。本水廠共 15 個子項，包含了廠區(qū)、粗格柵及提升泵房、細(xì)格柵及旋流沉砂池、A/O 生物池、配水渠及污泥泵房、二沉池、配水井、高密度沉淀池、濾池、紫外線消毒及計量渠、加藥間、鼓風(fēng)機(jī)房及配電間、污泥均質(zhì)池、污泥脫水間、綜合樓、傳達(dá)室、門衛(wèi)。本項目的主要應(yīng)用為采用 BIM 技術(shù)在工程階段減少圖紙錯誤、降低項目變更、優(yōu)化項目工程管理，提升項目品質(zhì)，并建立了基于 BIM 數(shù)據(jù)的智慧水廠管控平臺，使水務(wù)信息數(shù)字化、決策支持智能化、應(yīng)急處置聯(lián)動化，提升水廠整體管控效率，降低管理成本。

1 工程階段的 BIM 技術(shù)應(yīng)用

項目前期進(jìn)行 BIM 技術(shù)應(yīng)用的規(guī)劃，從明確項目目標(biāo)開始，共進(jìn)行了七個階段的BIM流程應(yīng)用。包含了編制項目應(yīng)用指南和標(biāo)準(zhǔn)、組建項目 BIM 工作組、梳理項目工作內(nèi)容、配備 BIM 應(yīng)用資源配置（軟、硬件）、設(shè)計階段 BIM 應(yīng)用實施、施工階段 BIM 應(yīng)用實施、運維平臺整備。項目采用了企業(yè) BIM 管理平臺進(jìn)行了 BIM 云端的三維設(shè)計協(xié)調(diào)。在平臺上進(jìn)行項目模型、文檔、圖紙、數(shù)據(jù)和問題的綜合管理。

在工程應(yīng)用中，首先利用了 Google earth 貼面和地勘數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，生成了三維可視化地形，并進(jìn)行地形高程、坡度的分析評定，繼而就不同開挖方案在 Civil3D 進(jìn)行土方量的比對。然后利用 Revit 進(jìn)行了工藝單體和管線的建模，建模過程中，設(shè)計和施工問題將會大量的暴露，圖紙上的各專業(yè)的綜合問題，綜合廠區(qū)管網(wǎng)的碰撞問題尤為嚴(yán)重，本項目在進(jìn)行三維協(xié)調(diào)管理的同時，還進(jìn)行湖南省 BIM 審查平臺的測試，保證了設(shè)計不違反強(qiáng)條和規(guī)范的同時還提升了成果的交付質(zhì)量。另外在進(jìn)行 BIM 模型優(yōu)化時，需要精確定位了各個單體之間、單體與廠區(qū)管線之間的接駁定位，并利用軟件得出了所有廠區(qū)管線端頭點的高程數(shù)據(jù)，輔助進(jìn)行水利計算和綜合管網(wǎng)排布。這其中對于復(fù)雜的管線交叉點的數(shù)據(jù)排查和重力流管道的方向以及覆土深度的綜合考慮極為重要。

另外，BIM 軟件的出圖功能也較為實用，可以直接進(jìn)行施工圖的出圖和三維圖紙的補充，而三維圖紙的表達(dá)則更加清晰明了，對于施工指導(dǎo)的效果也更好。本項目的施工過程中也利用模型進(jìn)行了大量的深化工作和交底工作，例如對空間緊湊的鼓風(fēng)機(jī)房進(jìn)行檢修通道和主要人員的通道的分離設(shè)計，對假藥管溝進(jìn)行了綜合排布定位，減少了交叉重疊現(xiàn)象，對弧形定位支架進(jìn)行三維預(yù)制數(shù)據(jù)提取。

施工過程中，本項目提前規(guī)劃現(xiàn)場施工平面，并在模型中進(jìn)行管理，根據(jù)施工的進(jìn)度，對施工現(xiàn)場的施工臨建進(jìn)行補充，使現(xiàn)場場地布置情況按施工進(jìn)度進(jìn)行更新。然后對設(shè)計 BIM 模型進(jìn)行了進(jìn)一步的深化，包括對模板、腳手架、施工圍擋等臨時構(gòu)建，充分利用模型對施工現(xiàn)場進(jìn)行細(xì)節(jié)上的深化和構(gòu)件空間關(guān)系的排布，使得施工更加合理，過程中對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)判和修改完成，保證施工的整體質(zhì)量。而大型設(shè)備和大型管道，還進(jìn)行了吊裝模擬，保證了施工的順利進(jìn)行。

2 運營維護(hù)信息的整備

因為本項目在前期就規(guī)劃了 BIM 運維系統(tǒng)的建設(shè)，所以在即將竣工投入使用的時間段，進(jìn)來大量工程信息的記錄和整理。首先在可視化模型上，需要保證現(xiàn)場和模型的一致性，這便牽涉了大量工廠設(shè)備、材料信息的提取和模型的更新，其中需要復(fù)核設(shè)備、材料與原始設(shè)計資料的差異，包含了設(shè)備材料的基礎(chǔ)性能參數(shù)信息、空間位置信息、設(shè)備安裝時間、外形尺寸信息和生產(chǎn)廠家維保信息等。在收集實際使用的設(shè)備數(shù)據(jù)的同時，BIM 項目組人員定期趕赴現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場的影像記錄和設(shè)備實測，特別對于隱蔽工程，項目部會提前通知BIM項目組人員記錄后再進(jìn)行施工。本項目除了采用傳統(tǒng)的相機(jī)記錄，還采用了無人機(jī)拍攝模型，保證模型可以還原現(xiàn)場的真實性。設(shè)備和材料信息會按后續(xù)運維需求進(jìn)行整理，形成 BIM 數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。

模型數(shù)據(jù)收集整好了后需要進(jìn)行模型的整理劃分。此步驟可以先在BIM模型中進(jìn)行處理，包含了系統(tǒng)管理的劃分，空間管理的劃分，視圖管理的劃分。本項目重點是對系統(tǒng)管理的劃分，按照水廠的功能需求，分別建立了污水處理系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、流量及液位監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)。每個系統(tǒng)需要建立單獨視圖以便于導(dǎo)入平臺。而空間上則按照水廠 15 個單體逐一建立空間管理視圖，視圖中對土建、工藝進(jìn)行單獨視圖區(qū)分。

動態(tài)數(shù)據(jù)則由水廠管理團(tuán)隊為我們提供數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)接入，包含了水廠參數(shù)監(jiān)控設(shè)備信息的數(shù)據(jù)錄入，工藝設(shè)備信息的錄入，液位設(shè)備信息的錄入，自控設(shè)備的信息錄入等水廠主要信息化設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與錄入。

3 智慧污水管控平臺搭建

本項目智慧污水管控平臺搭建旨在為滿足現(xiàn)今水務(wù)智能化管理的需求，要求實現(xiàn)水廠的智能化控制、智能化輔助管理，智能化數(shù)據(jù)分析等功能，平臺需要接入現(xiàn)有的設(shè)備系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)積累為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)，并逐步利用數(shù)據(jù)實施智能化管理，為管理人員提供操作的數(shù)據(jù)建議和風(fēng)險閥值控制。最終逐步搭建出集合物聯(lián)網(wǎng)控制、三維可視化、移動端管理，大數(shù)據(jù)分析智能化決策于一體的綜合化智能水廠管理平臺。

3.1 平臺技術(shù)路線

平臺的建立的路線可以分了 5 個層級，包含了交互層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、設(shè)備層、應(yīng)用層。平臺的交互層選取了基于 HTML5 網(wǎng)頁技術(shù)開發(fā)的WEB客戶端，采用了 B/S 設(shè)計降低對用戶終端設(shè)備的要求，可以使操作員通過普通瀏覽器即可輕松地完成對整個系統(tǒng)的配置、管理和維護(hù)。平臺的服務(wù)層則建立了存儲服務(wù)、BIM 三維引擎接口、數(shù)據(jù)交互中建件、模型轉(zhuǎn)換服務(wù)四個內(nèi)容，可以將 BIM 模型直接導(dǎo)入平臺并進(jìn)行輕量化處理，并采用 WebGL 在線渲染進(jìn)行三維顯示。平臺的數(shù)據(jù)層建立了 BIM 數(shù)據(jù)庫、BIM 引擎私有云、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器資源池，各類數(shù)據(jù)可供平臺分別調(diào)用。平臺的設(shè)備層主要對接水廠的各類生產(chǎn)設(shè)備，本項目主要接入了水質(zhì)檢測設(shè)備、水量檢測設(shè)備、能耗檢測設(shè)備、藥耗檢測設(shè)備、安防檢測設(shè)備、有害氣體傳感器等。平臺的應(yīng)用層主要對針對用戶的使用功能進(jìn)行定制，主要分層了三維管理、生產(chǎn)管理、決策管理、其他內(nèi)容幾個板塊。

3.2 平臺功能

本項目智慧污水管控平臺將水廠、設(shè)備、管網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集中存儲管理，并通過 BIM 模型實現(xiàn)三維可視化。同時，將設(shè)備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)接入運維平臺，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一控制和調(diào)度，實現(xiàn)了水務(wù)信息數(shù)字化、決策支持智能化、應(yīng)急處置聯(lián)動化，達(dá)到對水務(wù)工作全生命周期的管理。

平臺界面主要有數(shù)據(jù)總覽艙、全景展示、工藝流程、設(shè)備臺帳、安防管理、能耗管理、自控系統(tǒng)幾個主要選項板塊。在數(shù)據(jù)總覽艙界面可以直接查看一些簡要的信息，例如設(shè)備的情況和檢測數(shù)據(jù)，污水處理當(dāng)量、實時流量、出水狀況、加藥狀況、電耗狀況、監(jiān)控狀況、報警信息。全景展示用來直接查看污水廠整體三維模型，模型包含土建及機(jī)電，模型中可以對各工藝設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和展示。工藝流程用來查看水廠的各類工藝流程，并提供相應(yīng)的二維流程供用戶點擊，單擊后可以對此單體進(jìn)行模型及數(shù)據(jù)查看。設(shè)備臺帳記錄廠區(qū)內(nèi)所有的使用設(shè)備列表，可以單機(jī)列表快速定位設(shè)備，查看設(shè)備的運行狀況，并提供設(shè)備維修、保養(yǎng)信息等。安防系統(tǒng)主要搭建了設(shè)備報警、視頻監(jiān)控，設(shè)備報警中心匯總了水廠生產(chǎn)過程中所有異常報警以便集中處理，點擊列表里的條目，模型中會飛往報警設(shè)備所在位置。視頻監(jiān)控匯總了水廠所有監(jiān)控攝像頭信息，用戶可自由從攝像頭清單將想查看的區(qū)域拖入九宮格區(qū)域并行展示，可以同界面查看 9 臺攝影機(jī)。能耗管理主要從總電耗、每噸水電耗、單位 COD 電耗 3 個指標(biāo)展示歷史數(shù)據(jù)，并以圖表形式實時展示各時間尺度下的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。能耗管理下面還嵌入了藥耗管理，通過圖表實時顯示藥耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并區(qū)別設(shè)立了理論加藥量、實際加藥量、各單體藥耗歷史數(shù)據(jù)，繼而通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行實時的修正與優(yōu)化。自控系統(tǒng)結(jié)合了原 PLC 控制系統(tǒng)，在三維模型單體獨立查看生產(chǎn)情況，包括監(jiān)控單體內(nèi)各項生產(chǎn)參數(shù)，并在自控設(shè)備上提供選項，可實時操作車間內(nèi)各生產(chǎn)設(shè)備，操作結(jié)果也將在上方狀態(tài)展示面板中實時反饋。

4 結(jié) 語

BIM 技術(shù)在工程方面相提供更加精細(xì)化、準(zhǔn)確化的技術(shù)手段，可以極大的提升設(shè)計質(zhì)量，而施工中模型對現(xiàn)場的指導(dǎo)意義重大，特別是對于復(fù)雜的工程點，可以預(yù)先進(jìn)行模擬，規(guī)避錯誤做法，整體上降低項目風(fēng)險和管理難度，提高了項目質(zhì)量，節(jié)省項目成本?；?BIM 模型的智慧污水管控平臺則在管理上更加直接可靠，將原始的多個系統(tǒng)進(jìn)行整合，提供可視化的平臺，并建立智能化管理的多個板塊，在三維模型上進(jìn)行設(shè)備操控也更為直觀清晰，不管是設(shè)備檢修、實時數(shù)據(jù)提取、故障預(yù)警、監(jiān)控數(shù)據(jù)一體化等，都比以往更為方便，另外智能化的功能增加，相比于以往靠人工經(jīng)驗的方式，更是巨大的進(jìn)步?？傮w來說，平臺提升水廠了的管理效率，實現(xiàn)水廠自動與智能的深度融合。