BIM技術(shù)在智慧水廠工程中的應用研究
——以天津某水廠為例

魏園園

中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司 天津 300222

BIM是Building Information Modeling的縮寫，中文翻譯為建筑信息模型，該技術(shù)是通過創(chuàng)建并利用三維數(shù)字化模型對建設(shè)項目的設(shè)計、施工、運維管理等過程進行信息管理和優(yōu)化，是實現(xiàn)智慧化設(shè)計、施工和運維的重要技術(shù)手段[2]。

2014年，國家發(fā)展和改革委員會等8個部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》中，要求全面提升電力、燃氣、交通、水務(wù)等公用基礎(chǔ)設(shè)施的智能化水平?！爸腔鬯畯S”的概念應運而生，即以應用新一代信息技術(shù)為手段，結(jié)合監(jiān)測和感知設(shè)備并采用可視化的方式整合信息，實現(xiàn)生產(chǎn)、運行、維護、調(diào)度和服務(wù)等全方位、全過程各環(huán)節(jié)高度信息互通、反應快捷、管理有序的高效節(jié)能型水廠[3]。相較于傳統(tǒng)水廠，智慧水廠對水廠工程建設(shè)期和運維期的信息化和智能化技術(shù)應用提出了更高的要求。BIM技術(shù)以三維模型為載體，可以在設(shè)計、施工和運維管理中集成多維技術(shù)和管理信息，結(jié)合信息化平臺進行開發(fā)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的三維可視化展示，在智慧水廠的建設(shè)過程和運維過程中可以發(fā)揮明顯的優(yōu)勢。

1 項目概況

案例水廠位于天津市東麗區(qū)，總用地面積約為12萬平方米，總建筑面積為2萬平方米左右，日產(chǎn)水量為25萬立方米，是對原一期水廠的擴建工程。水源引欒水和江水，采用預處理、常規(guī)處理、深度處理（上向流炭吸附脈沖澄清池、中臭氧生物活性炭濾池、V型砂濾池）、污泥處理等工藝，新建凈水系統(tǒng)出水水質(zhì)滿足并優(yōu)于國家衛(wèi)生部頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006），出廠水濁度≤0.2NTU，年合格率≥95%。是天津市“十一五”發(fā)展規(guī)劃的重點工程，是為天津濱海新區(qū)發(fā)展和工業(yè)戰(zhàn)略東移服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

2 建設(shè)期BIM應用

2.1 BIM項目管理平臺

本項目建設(shè)規(guī)模大，建筑單體多，工藝流程復雜，設(shè)備管道系統(tǒng)多、安裝難度大，工程分包多，管理協(xié)調(diào)難度大。為解決以上建設(shè)和管理難題，本項目在施工階段采用BIM技術(shù)，并且由施工總承包單位搭建了BIM項目管理平臺，基于該平臺進行本項目的質(zhì)量管理、工期管理、安全文明施工管理、數(shù)字化竣工交付等工作，保證施工順利實施。BIM項目管理平臺的基礎(chǔ)模塊如下表1所示：

表1 BIM項目管理平臺功能模塊

2.2 建立BIM施工圖模型

本項目在設(shè)計階段采用傳統(tǒng)二維設(shè)計方式進行設(shè)計出圖，各專業(yè)圖紙雖然經(jīng)過協(xié)調(diào)，但依然存在多處圖紙問題。并且二維圖紙用線條進行設(shè)計表達，當空間比較復雜時，就難以表達清楚設(shè)計意圖，容易造成施工過程中的誤差，引起返工。在施工階段，施工單位按照業(yè)主要求，引入BIM技術(shù)，按照業(yè)主的BIM應用標準要求對設(shè)計單位提供的施工圖紙進行BIM三維可視化建模，在建模過程中發(fā)現(xiàn)和整理圖紙問題，利用三維模型在BIM項目管理平臺上進行圖紙會審，幫助施工人員理解圖紙的設(shè)計意圖，消除因?qū)D紙理解不到位引起的返工。

本項目使用Revit 2020軟件，按照建筑單體進行BIM建模，單體建筑內(nèi)分專業(yè)、分系統(tǒng)進行建模，然后按照鏈接的方式進行模型整合。

基于廠區(qū)管道配色方案，創(chuàng)建廠區(qū)總圖BIM模型，直觀展示廠區(qū)管道與各個單體出戶管道連接關(guān)鍵節(jié)點，基于三維場景準確表達 管井、閥門、流量計空間定位，直觀展示總圖管線布置。

BIM模型有利于實現(xiàn)多專業(yè)設(shè)計圖紙的協(xié)同校核，，通過三維剖切也可分層或分功能區(qū)域展示工藝流程和設(shè)計細節(jié)。應用輕量化軟件將反應沉淀池、活性炭濾池、泵站等復雜單體BIM模型進行輕量化轉(zhuǎn)換，可方便項目各參建方在BIM項目管理平臺上以第一人稱視角進行建筑物內(nèi)部漫游，審核關(guān)鍵位置設(shè)計細節(jié)及構(gòu)件參數(shù)，復核構(gòu)筑物及設(shè)備管線標高，檢查安裝凈空等。依靠BIM技術(shù)三維可視化的優(yōu)勢，業(yè)主能夠更準確地理解設(shè)計意圖，提高審查和決策效率。如下圖1所示：

圖1 建筑內(nèi)部工藝細節(jié)漫游展示

2.3 碰撞檢查和管線綜合排布

傳統(tǒng)二維設(shè)計協(xié)同采用圖紙參考的方式進行圖紙間的協(xié)同設(shè)計，靠設(shè)計師的經(jīng)驗進行問題檢查和綜合管線排布，難免出現(xiàn)錯漏碰缺等圖紙問題。利用BIM技術(shù)則可以將各專業(yè)模型整合到一個三維軟件平臺上，運行自動碰撞檢查功能，可以更精準、更快捷地進行專業(yè)間碰撞檢查和設(shè)計糾錯工作[4]。構(gòu)件和構(gòu)件之間的物理碰撞一般稱為“硬碰撞”，利用軟件就可以全部檢查出來；還有一類碰撞稱為“軟碰撞”，主要指雖然空間上沒有碰撞在一起，但是卻違反了設(shè)計規(guī)范、不利于空間利用，或者設(shè)計內(nèi)容缺失等。

本項目利用Revit軟件的碰撞檢查命令和Navisworks軟件的碰撞檢查命令進行模型構(gòu)件的綜合碰撞檢查，共檢查出碰撞2000多處，經(jīng)協(xié)調(diào)解決后的重要問題約40處。重大的圖紙問題和專業(yè)間碰撞問題整理成碰撞報告，作為設(shè)計變更的重要依據(jù)。

本項目基于各單體、各專業(yè)及廠區(qū)總圖BIM模型進行機電管道、工藝管道綜合排布，在施工之前充分考慮設(shè)計規(guī)范、施工規(guī)范，解決管道之間的碰撞問題。管線排布深化設(shè)計完成之后，以三維模型展示、圖片展示、導出軸側(cè)圖紙等三維可視化的形式向現(xiàn)場一線工作人員進行技術(shù)交底，使工作人員能夠更加直觀、形象地了解施工內(nèi)容和步驟，避免因?qū)D紙理解失誤造成的工程質(zhì)量問題，減少施工過程中的返工現(xiàn)象，為本工程施工節(jié)約工期20天左右。

2.4 工期4D模擬

本項目建筑單體多，施工分包多，在施工過程中各單體施工交叉面多，且室外管線布置比較復雜，工期緊張。本項目基于BIM的項目管理平臺的進度管理模塊，利用BIM模型，結(jié)合工期計劃和工序安排，制作出工期4D模擬視頻，準確反應各單體、各專業(yè)施工計劃，為各施工單位安排具體的施工計劃提供了重要的參考價值。

2.5 智慧工地管理

為滿足施工現(xiàn)場安全文明施工要求，本工程的BIM項目管理平臺研發(fā)了智慧工地管理功能模塊，實現(xiàn)了對現(xiàn)場的人員管理、安全管理、環(huán)境管理、視頻監(jiān)控管理等功能，極大地提高了現(xiàn)場管理的工作效率。

2.6 數(shù)字化竣工驗收

隨著工程建設(shè)的進展和分部分項工程的驗收，在BIM項目管理平臺上分階段錄入各分部分項工程的建設(shè)信息、設(shè)備信息、調(diào)試報告等內(nèi)容，模型和數(shù)據(jù)、文檔可實現(xiàn)雙向關(guān)聯(lián)查看，最終形成數(shù)字化竣工模型，并基于BIM項目管理平臺進行本工程整體數(shù)字化移交，為水廠投產(chǎn)運營提供了完備的數(shù)字化檔案和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

3 運維期BIM應用

本項目一期工程已建成并運行多年，整體水廠基本條件較為良好，其運維管理工作主要存在以下問題：

（1）信息化程度低，系統(tǒng)之間不互通，管理與控制分離；

（2）數(shù)據(jù)缺乏有效的分析利用，難以為水廠的生產(chǎn)和運營提供更為科學的決策支撐；

（3）設(shè)備資產(chǎn)臺賬式管理，較為依靠人工經(jīng)驗，響應式為主，主動性薄弱。

（4）運維不便捷，值班管理人工為主，運行維護傳統(tǒng)紙質(zhì)方式。

在二期擴建工程的運維期，基于BIM竣工模型，結(jié)合運營單位運維管理需求，運用數(shù)字孿生理念和技術(shù)，構(gòu)建水廠數(shù)據(jù)底板，統(tǒng)一匯聚感知、運行數(shù)據(jù)與BIM模型，進行智慧水廠管理平臺定制開發(fā)，實現(xiàn)對水廠的三維展示、運行模擬、狀態(tài)查看、實時管理、危險預警等功能。系統(tǒng)采用模塊化微服務(wù)架構(gòu)，提供開放性接口，便于后期拓展。系統(tǒng)以滿足水廠業(yè)務(wù)與生產(chǎn)為建設(shè)目標，充分考慮經(jīng)濟適用，集中管理，生產(chǎn)運營，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，信息安全，便于維護等需求，采用統(tǒng)一開發(fā)部署，分級分權(quán)限使用的方式，利用AI技術(shù)賦能水廠管理運營。技術(shù)架構(gòu)如下圖2所示：

圖2 數(shù)字孿生水廠系統(tǒng)架構(gòu)

在智慧水廠運維管理平臺中，BIM模型體現(xiàn)的作用和價值主要有以下幾方面：

（1）三維可視化。基于BIM引擎研發(fā)的智慧水廠運維管理平臺，以三維可視化的方式展示水廠范圍內(nèi)所有單體建筑、設(shè)備、閥門儀表、工藝管道連接狀態(tài)等，相較于傳統(tǒng)管理平臺，更加形象、直觀地展示水廠的細節(jié)和工藝流程，便于工作人員理解和作為技術(shù)培訓的有力手段。

（2）數(shù)據(jù)流無損傳遞。建設(shè)期竣工交付的數(shù)字化水廠模型，承載了水廠設(shè)計參數(shù)、建設(shè)安裝信息、設(shè)備銘牌信息、工藝設(shè)備管道信息等豐富的內(nèi)容。這些信息以模型為載體，通過構(gòu)件編碼和模型構(gòu)件輕量化處理，可以無損傳遞到智慧水廠運維管理平臺上，保證了水廠數(shù)據(jù)的真實性、完整性、及時性。

（3）數(shù)據(jù)采集和分析的載體。BIM模型構(gòu)件是富含建設(shè)信息、運維信息的，在智慧水廠運維管理平臺上每一個BIM構(gòu)件都對應真實水廠中的一個物理實體[5]。設(shè)備和閥門儀表在日常運行過程中所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)與智慧水廠平臺上的BIM構(gòu)件關(guān)聯(lián)，在BIM構(gòu)件屬性中可實時查看該設(shè)備采集的運行數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過水廠智能分析模型處理后，將結(jié)果反饋到BIM構(gòu)件中，再反作用到物理水廠的設(shè)備和閥門儀表上，實現(xiàn)遠程自控，提高運維管理的自動化程度和工作效率。

4 總結(jié)

水廠類工程單體多、管道交叉復雜、施工協(xié)調(diào)管理難度大，對于工程數(shù)字化、信息化程度要求高。本論文將BIM技術(shù)和BIM項目管理平臺應用于項目建設(shè)期全過程，以BIM模型作為智能化深化設(shè)計手段并開展BIM技術(shù)應用，優(yōu)化設(shè)計圖紙質(zhì)量；并且基于BIM深化設(shè)計成果，結(jié)合BIM項目管理平臺實現(xiàn)智慧建造和管理。設(shè)計、施工階段所有的數(shù)據(jù)、信息均高度標準化和集成在數(shù)字化竣工模型中，為后期的智能化運行、智慧化管理打下了堅實基礎(chǔ)。本工程運維期基于BIM模型和數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)了智慧水廠運維管理平臺，運用該平臺實現(xiàn)了BIM模型在運維管理階段更大的應用價值。

BIM技術(shù)的應用，打破了傳統(tǒng)水廠建設(shè)各個階段相對孤立信息傳遞模式，實現(xiàn)了以參數(shù)化的BIM模型，推動智能化的施工建造，并助力于后期的智慧化運維管理。隨著該智慧水廠建設(shè)步伐的加快，BIM技術(shù)也將會有更廣闊的應用前景。