基于BIM的水務(wù)工程全生命周期管理平臺研究與設(shè)計

陳婷婷，殷峻暹

（1．深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000；2．中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程加快，城市供水、排水、水環(huán)境等問題日益凸顯。為解決或緩解城市水務(wù)問題，很多城市開展了各類水務(wù)工程建設(shè)，建設(shè)規(guī)模和數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢[1]。水務(wù)工程普遍涉及專業(yè)多、專業(yè)交叉復(fù)雜、地形及邊界條件多變[2]，存在工程相關(guān)信息分散、參建各方協(xié)同難和共享難等問題。如何運用新技術(shù)解決這一難題，通過數(shù)字化和信息化手段提升建設(shè)工程項目管理的質(zhì)量與效率，已成為當(dāng)前工程建設(shè)項目管理新的研究方向[3]。

目前已有眾多學(xué)者開展了水務(wù)工程管理平臺研究工作，取得了一定成果。有的學(xué)者基于工程建設(shè)管理應(yīng)用場景需求開展了水務(wù)工程建設(shè)管理平臺研究工作[4–7]，有的學(xué)者基于不同類型的水務(wù)設(shè)施運維管理需求開展了水務(wù)工程運維管理平臺研究工作[8–12]。雖然現(xiàn)階段在水務(wù)工程建設(shè)、運維階段已建立了較為成熟的工程管理平臺，但大多主要面向施工方、設(shè)計方，面向業(yè)主方的工程管理平臺較少，且存在 BIM 應(yīng)用深度不足、深化應(yīng)用較少[13]，工程信息模型體量大而制約數(shù)字化交付及輕量化展示[14]，建設(shè)與運維階段的模型和數(shù)據(jù)未進(jìn)行有效銜接等問題。為此，本研究構(gòu)建面向業(yè)主方的水務(wù)工程管理平臺，涵蓋前期、建設(shè)、運維全生命周期，并依托BIM 模型通過數(shù)字化移交，有效實現(xiàn)建設(shè)和運維階段的數(shù)據(jù)繼承。

1 設(shè)計思路

業(yè)主作為項目發(fā)起者和所有者，對項目成敗起到關(guān)鍵作用，基于 BIM 的水務(wù)工程全生命周期管理平臺主要面向業(yè)主方需求。項目業(yè)主具有以下特點：1）管理項目較多，需同時對多個項目進(jìn)行管理；2）業(yè)主作為項目組織中的最高層，主要承擔(dān)項目宏觀管理，不直接承擔(dān)具體實施任務(wù)；3）需同時承擔(dān)項目建設(shè)管理和工程建成后的運維管理職責(zé)，參與項目全生命周期管理，涵蓋前期設(shè)計、中期施工、后期運維?；谝陨咸攸c，若運用傳統(tǒng)的單項目單階段管理模式，將導(dǎo)致各項目間缺乏有效溝通，項目各階段間數(shù)據(jù)缺乏有效銜接，業(yè)主指令難以快速有效地下達(dá)到參建各方。因此，迫切需要運用新一代信息技術(shù)手段構(gòu)建一體化平臺，以滿足業(yè)主方對多項工程全生命周期的高效統(tǒng)籌管理需求。

BIM 是一種以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成工程建設(shè)項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，同時也是一種應(yīng)用于設(shè)計、建造、管理的數(shù)字化技術(shù)[15]。國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 19650-1：2018）將 BIM 定義為促進(jìn)設(shè)計、建造和運營，并為決策提供可靠依據(jù)的數(shù)字化共享建筑資產(chǎn)[16]。BIM 模型作為數(shù)據(jù)載體，其本質(zhì)是一個按照工程直觀物理形態(tài)構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，可匯集記錄貫穿工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計、施工及運維等全生命周期的數(shù)據(jù)信息[17]，為工程設(shè)計、施工、運維等各階段數(shù)據(jù)銜接提供有效支撐。將 BIM 模型通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口與應(yīng)用系統(tǒng)集成，構(gòu)建以 BIM 模型為基礎(chǔ)的水務(wù)工程全生命周期管理平臺，推動 BIM與工程設(shè)計、招標(biāo)、支付、質(zhì)量、安全、進(jìn)度、驗收、移交、運維等業(yè)務(wù)深度融合，可有效提高工程管理效能，支撐業(yè)主實現(xiàn)水務(wù)工程高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、高質(zhì)量建設(shè)、高水平運維。

2 總體設(shè)計

2.1 總體框架

圍繞業(yè)主方項目管理需求，以實現(xiàn)“業(yè)務(wù)可視、過程留痕、結(jié)果可測”為目標(biāo)，綜合運用大數(shù)據(jù)、IoT（Internet of Things）等新技術(shù)，構(gòu)建基于BIM 的水務(wù)工程全生命周期管理平臺。平臺采用SOA（Service-Oriented Architecture）和微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，使用共性能力進(jìn)行集約化建設(shè)，并統(tǒng)一注冊在數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)集成平臺上，供各應(yīng)用調(diào)用，具體特點如下：1）構(gòu)建業(yè)務(wù)模塊共性能力，BIM 模型管理為各業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐和通用服務(wù)；2）建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)中心為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)、監(jiān)測、專題數(shù)據(jù)查詢和服務(wù)；3）提供統(tǒng)一的應(yīng)用支撐服務(wù)，應(yīng)用支撐平臺提供業(yè)務(wù)應(yīng)用需要的公共服務(wù)能力。

總體架構(gòu)包括智能感知、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、業(yè)務(wù)應(yīng)用的一體化建設(shè)格局，以及信息安全、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范兩大體系，各部分共同構(gòu)成有機(jī)整體，確保系統(tǒng)的擴(kuò)展性、實用性、先進(jìn)性、移植性及開放性[18]。平臺框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺框架結(jié)構(gòu)

基于 BIM 的水務(wù)工程全生命周期管理平臺總體架構(gòu)如下：

1）智能感知。以智能無人機(jī)傾斜攝影、衛(wèi)星遙感、視頻監(jiān)控與無線通信技術(shù)為核心，將視頻、塔吊、環(huán)境、高支模等監(jiān)測數(shù)據(jù)與 BIM 模型融合，為后續(xù)工地安全管理及分析等提供支撐。

2）基礎(chǔ)設(shè)施。包括網(wǎng)絡(luò)、云平臺、硬件基礎(chǔ)設(shè)施等內(nèi)容，為各項數(shù)據(jù)承載和應(yīng)用服務(wù)提供基礎(chǔ)的軟硬件資源[19]。

3）數(shù)據(jù)中心。包括數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用支撐等內(nèi)容，主要服務(wù)數(shù)據(jù)存儲、管理和使用，是平臺的基礎(chǔ)和核心[20]。通過對各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化清洗過濾，構(gòu)建以基礎(chǔ)和監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、專題業(yè)務(wù)庫為主的水務(wù)大數(shù)據(jù)湖；應(yīng)用支撐主要提供各業(yè)務(wù)應(yīng)用需要的公共服務(wù)能力，如統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一報表和流程服務(wù)、數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)集成平臺、BIM 平臺等。

4）業(yè)務(wù)應(yīng)用。包含 BIM 模型管理、前期管理、施工管理、數(shù)字化移交、運維管理等模塊。其中，BIM 模型管理是各項目 BIM 模型的統(tǒng)一入口，負(fù)責(zé) BIM 模型上傳，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和輕量化處理后，通過 API（Application Program Interface）方式向各業(yè)務(wù)模塊提供服務(wù)。

5）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。在充分利用已有國標(biāo)和行標(biāo)并參考國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際需要，構(gòu)建水務(wù)工程 BIM 分類與編碼、應(yīng)用統(tǒng)一、交付 3 部BIM 標(biāo)準(zhǔn)，確保在統(tǒng)一框架和標(biāo)準(zhǔn)下開展工程建設(shè)工作。

6）信息安全體系。按照等級保護(hù) 2.0 要求，部署邊界安全設(shè)備、病毒防護(hù)、安全漏洞掃描、設(shè)備接入管理、數(shù)據(jù)及日志審計等，為信息系統(tǒng)保駕護(hù)航。

2.2 數(shù)據(jù)資源架構(gòu)

圍繞數(shù)據(jù)資源整合與服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用場景需求，將各項目 BIM 模型、實時監(jiān)測、基礎(chǔ)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集，通過數(shù)據(jù)治理形成基礎(chǔ)屬性庫、綜合監(jiān)測庫及各業(yè)務(wù)的主題庫，并在其上封裝基礎(chǔ)屬性、基礎(chǔ)空間、監(jiān)測數(shù)據(jù)和各專題數(shù)據(jù)及大數(shù)據(jù)分析服務(wù)，為上層應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支撐。平臺充分考慮 Revit，Bentley，CATIA 等多種軟件的數(shù)據(jù)格式需要，制定了通過 IFC（Industry Foundation Class）或其他中間格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方式，實現(xiàn)多種格式的 BIM 數(shù)據(jù)兼容。數(shù)據(jù)資源架構(gòu)包括：

1）數(shù)據(jù)源層。數(shù)據(jù)源層是數(shù)據(jù)中心所要融合匯聚的數(shù)據(jù)源，包括工地現(xiàn)場感知設(shè)備數(shù)據(jù)、單個項目級平臺匯集的數(shù)據(jù)、各項目 BIM 模型數(shù)據(jù)等，各數(shù)據(jù)源通過規(guī)范的集成格式進(jìn)行統(tǒng)一歸集和整合。

2）基礎(chǔ)支撐層。基礎(chǔ)支撐層主要是云平臺提供的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，包括 Hadoop 和數(shù)據(jù)倉庫 MPPDB。

3）采集匯聚層。采集匯聚層主要包括數(shù)據(jù)匯集平臺，支持對各類型數(shù)據(jù)的采集、處理、交換，數(shù)據(jù)類型包括結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

4）治理管控層。治理管控層整合工具對各類數(shù)據(jù)提供治理管理的能力，包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、模型、質(zhì)量及元數(shù)據(jù)管理等。

5）統(tǒng)一服務(wù)層。統(tǒng)一服務(wù)層是將各類數(shù)據(jù)資源進(jìn)行接口化、服務(wù)化的封裝，為應(yīng)用訪問數(shù)據(jù)資源提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，主要包括基礎(chǔ)、監(jiān)測、BIM、專題和元數(shù)據(jù)服務(wù)等。

3 功能實現(xiàn)

基于 BIM 的水務(wù)工程全生命周期管理平臺采用B/S 結(jié)構(gòu)，支持主流的 Java 應(yīng)用服務(wù)器，客戶端為瀏覽器形式，同時提供 Android，iOS 端的 App 功能，以滿足移動辦公和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集需要。主要功能包括 BIM 模型管理、前期管理、施工管理、數(shù)字化移交、運維管理等功能，基本涵蓋水務(wù)工程管理的各個方面[21]。各功能之間既相對獨立又相互關(guān)聯(lián)，其中 BIM 模型管理為基礎(chǔ)支撐性功能，實現(xiàn)水務(wù)工程 BIM 模型數(shù)據(jù)的集中管理，為各業(yè)務(wù)應(yīng)用提供模型數(shù)據(jù)和通用性服務(wù)；數(shù)字化移交有效銜接了工程建設(shè)和運維模塊，支撐工程前期、施工、運維各階段數(shù)字資產(chǎn)漸進(jìn)式移交。平臺主要功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺功能框架

3.1 BIM 模型管理

BIM 模型管理模塊兼容水務(wù)行業(yè)主流的 BIM設(shè)計軟件格式（包括 Autodesk，Bentley，CATIA等），實現(xiàn)對各項目設(shè)計、施工、運維等各階段的BIM 模型的統(tǒng)一集中管理；通過對模型的上傳導(dǎo)入、校驗、審查、信息提取、分類、編碼、結(jié)構(gòu)化等處理后，實現(xiàn)模型的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化，為水務(wù)工程建設(shè)階段的設(shè)計、變更、質(zhì)量、安全及運維階段保養(yǎng)和維修等各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)提供 BIM 模型“管、用、服”精細(xì)化專業(yè)服務(wù)。BIM 模型管理系統(tǒng)界面如圖3 和 4所示。

圖3 BIM 模型管理

圖4 BIM 模型

各業(yè)務(wù)應(yīng)用使用輕量化、可視化服務(wù)時，可通過 IFRAME 的形式嵌入到用戶的應(yīng)用頁面，同時考慮到跨域訪問的安全性限制，提供基于消息的 API接口，模型瀏覽器根據(jù)用戶的操作給應(yīng)用頁面發(fā)送消息，用戶通過消息處理回調(diào)函數(shù)擴(kuò)展自己的應(yīng)用，從而實現(xiàn)模型服務(wù)于各業(yè)務(wù)應(yīng)用的目標(biāo)。

BIM 模型管理可提供以下服務(wù)：輕量化均衡服務(wù)，輕量化服務(wù)集群，模型文件服務(wù)器，渲染均衡服務(wù)，渲染服務(wù)集群。具體功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 BIM 模型管理功能結(jié)構(gòu)

3.2 工程全生命周期管理

工程全生命周期管理平臺可支撐從前期設(shè)計、建設(shè)施工、驗收移交、工程運維全過程多項目綜合管理業(yè)務(wù)。建設(shè)階段主要功能包括前期策劃、報批報建、設(shè)計管理、招標(biāo)采購、合同管理、工程支付、履約評價、進(jìn)度、質(zhì)量、安全、設(shè)計變更、會議管理、投資管理、材料管理、項目竣工與移交、工程結(jié)算、工程決算、政府驗收與后評價、人員管理等，運維階段主要功能包括工單管理、設(shè)施設(shè)備管理等。

在工程實物資產(chǎn)建設(shè)過程中，通過平臺收集匯總各參建單位工作協(xié)同的數(shù)字化成果，以 BIM 為載體，從招標(biāo)、合同、變更、質(zhì)量、驗收等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)采集數(shù)據(jù)，在平臺上開展基于 BIM 的設(shè)計交底、進(jìn)度模擬與預(yù)警、質(zhì)量安全管理等。同時以 BIM 為核心，以運維需求為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化定義和轉(zhuǎn)換，貫穿形成數(shù)字化資產(chǎn)鏈，并通過移交與接收、審核、入庫歸集、存儲、集中管理和共享展示功能模塊支撐數(shù)字化移交，實現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界孿生共長的同時，促進(jìn)水務(wù)工程質(zhì)量、安全、投資、進(jìn)度等業(yè)務(wù)的精細(xì)化管理。

1）在設(shè)計變更中，通過在線多窗口 BIM 模型對比功能，實現(xiàn)變更內(nèi)容的精準(zhǔn)定位；業(yè)主單位基于 BIM 模型審核變更的合理性和工程量變化，減少無效簽證、無效變更、不合理變更；通過 BIM 模型的版本控制機(jī)制，實現(xiàn)設(shè)計變更可溯源。

2）在進(jìn)度管理中，探索將單元工程與模型構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將單元工程實施的計劃和實際進(jìn)度賦予BIM 構(gòu)件，實現(xiàn)工程實體基于時間、空間的模擬生長，輔助進(jìn)行施工進(jìn)度合理性分析，可視化查看施工進(jìn)度，直觀掌握項目實際進(jìn)展情況。

3）在質(zhì)量安全管理中，通過調(diào)用 BIM 模型快速了解項目重要匯總信息；對質(zhì)量、安全問題進(jìn)行錨點定位，直觀顯示問題所在；基于 BIM 模型進(jìn)行質(zhì)量評定與驗收，實現(xiàn)施工過程文檔與 BIM 關(guān)聯(lián)，便于后續(xù)運維調(diào)用。

4）在竣工驗收階段，以 BIM 為載體，采集各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)工作協(xié)同數(shù)字化成果，實現(xiàn)按運維標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的數(shù)字工程點擊式交付，完成建筑實體、項目建設(shè)檔案、基于 BIM 的數(shù)字化信息模型、項目投資賬本“四維一體”的工程建設(shè)資料與成果向運維階段的順暢交付。

5）在水務(wù)工程數(shù)字化移交階段，建立設(shè)施分解結(jié)構(gòu)樹，對系統(tǒng)、設(shè)備、部件信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和關(guān)聯(lián)化管理，實現(xiàn)從工程建設(shè)到運行的數(shù)字化交付，具體體現(xiàn)在圍繞水務(wù)工程設(shè)施和設(shè)備，將與之相關(guān)的設(shè)計、采購、安裝、調(diào)試、質(zhì)量安全等相關(guān)數(shù)據(jù)和信息關(guān)聯(lián)，建立移交、接收及參建方的多方協(xié)同和共享工作平臺，實現(xiàn)實體與數(shù)字資產(chǎn)雙交付。促進(jìn)紙質(zhì)和電子化資料管理向數(shù)字化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，“一刀切、打包資料”式移交向漸進(jìn)式移交轉(zhuǎn)變。

6）在工程運維階段，基于 BIM + GIS 模型，將水務(wù)設(shè)施、機(jī)電設(shè)備信息、工情數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實時展現(xiàn)工程重點部位運行工況與狀態(tài)，同時依托巡視檢查、各類報警閾值設(shè)置，實現(xiàn)設(shè)備異常情況自動告警，通過工單派發(fā)、預(yù)案推送，實現(xiàn)告警事件快速、有效處理。

4 結(jié)語

BIM 技術(shù)是提升水務(wù)治理能力和體系的有效工具，實現(xiàn)水務(wù)工程智能化管理是水務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的必然趨勢。結(jié)合水務(wù)工程業(yè)主方管理需求，構(gòu)建了基于 BIM 的水務(wù)工程全生命周期管理平臺，為實現(xiàn)工程建設(shè)和運維階段有效銜接、促進(jìn)水務(wù)工程建設(shè)和運維管理提質(zhì)增效奠定了基礎(chǔ)。該平臺主要特點如下：

1）實現(xiàn)水務(wù)工程全生命周期信息管理，助力消除各參建單位和項目各階段間信息孤島，為管理模式轉(zhuǎn)型升級提供有力支撐。

2）創(chuàng)新性推動建設(shè)全過程數(shù)字化移交，實現(xiàn)實體與數(shù)字資產(chǎn)雙交付，為后續(xù)運維提供有力支撐，為水務(wù)資產(chǎn)數(shù)字化奠定堅實基礎(chǔ)。

3）基于管理要求多維度自動抓取各類數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并可穿透至相關(guān)業(yè)務(wù)模塊，實現(xiàn)項目建設(shè)和運維管理橫向貫通、縱向比較、在線監(jiān)控和智能分析，為各層級項目管理人員提供決策支持。

本平臺部分功能已應(yīng)用于水務(wù)工程管理實際，一定程度上解決了水務(wù)工程建設(shè)和運維管理粗放、信息集成與協(xié)同困難等問題[22]，同時驗證了平臺全生命周期理念的應(yīng)用價值。下一步將繼續(xù)完善平臺功能設(shè)計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與友好性，為水務(wù)工程建設(shè)和運維管理提供更有力的支撐。