基于BIM技術(shù)的水廠(chǎng)智慧化構建與運行

王如(rú)華 上海市政工(gōng)程設計(jì)研究總院（集團）有限公司 副總工(gōng)程師(shī)

　　水務管理(lǐ)是城(chéng)市管理(lǐ)的重要組成部分(fēn)，智慧水務是智慧城(chéng)市建設的必然延伸。當前，以物聯網、移動互聯網、人(rén)工(gōng)智能技術(shù)爲代表的新一代信息技術(shù)正在帶來(lái)第三次信息技術(shù)革命，信息技術(shù)正在與城(chéng)市基礎設施相(xiàng)融合、與城(chéng)市的管理(lǐ)運行系統相(xiàng)融合、與市民(mín)的生(shēng)活和企業的運行相(xiàng)融合，創造出原來(lái)難以想象的城(chéng)市和生(shēng)活新形态。

　　對于水務工(gōng)作(zuò)而言，智慧化的着力點應落實于水務工(gōng)作(zuò)的各個環節，在底層數據感知、數據分(fēn)析智能化的基礎上，貫通數據傳輸，全面實現業務環節、服務環節、管理(lǐ)環節、決策環節的數字化管理(lǐ)和決策，以及水務建設全生(shēng)命周期——規劃、設計(jì)、施工(gōng)、運維的數字化管理(lǐ)。

　　簡而言之，智慧水務系統總體(tǐ)框架的底層是數據感知層，包括傳統的計(jì)量設備、監測設備、傳感器等各種監測體(tǐ)系，以及基于傳感器技術(shù)、RFID無線射頻技術(shù)、智能識别技術(shù)、物聯網技術(shù)等構建而成的強大(dà)的數據獲取體(tǐ)系；頂層是我們的用戶層，主要是在豐富的數據支撐體(tǐ)系下，基于互聯網、大(dà)數據技術(shù)，面向用戶的各種智能應用；中間層是基于數據傳輸、集成、分(fēn)析、存儲技術(shù)構建而成面向業務的自(zì)動控制體(tǐ)系和智能應用體(tǐ)系。

　　從(cóng)孤立的各個層次來(lái)講，傳統上我們行業也有不少這些方面的應用，有大(dà)量的軟件(jiàn)企業爲行業開發了許多應用軟件(jiàn)，但(dàn)是在行業的應用平台整合方面，由于缺乏統一的架構，導緻我們的應用大(dà)多屬于“孤島應用”。我們面臨的任務就(jiù)是要将這些孤島打通、連接、整合，使水務行業的信息化變得(de)更智慧。

   BIM技術(shù)在市政行業的應用起步得(de)相(xiàng)對較晚。雖然目前标準匮乏、軟件(jiàn)壁壘在一定程度上阻礙了BIM技術(shù)的發展，但(dàn)經過近年(nián)來(lái)的實踐和研究，對BIM的内涵、價值一般都(dōu)有統一的認知。

　　美國(guó)國(guó)家BIM标準對BIM進行了四個層次的闡述，數字表達指的是形體(tǐ)層次，共享資源指的是信息層次，而決策過程和協同作(zuò)業指的是工(gōng)程管理(lǐ)的過程。國(guó)内學者也有類似的表述，将BIM分(fēn)解爲産品模型、過程模型和決策模型。

　　通俗而言，BIM就(jiù)是輔助工(gōng)程管理(lǐ)的工(gōng)具和過程。它依靠一系列的軟件(jiàn)采用協作(zuò)的方式打造數字模型和歸集工(gōng)程信息，對BIM的最有效使用落實在對信息的使用上，如(rú)何在工(gōng)程各階段有效收集、錄入、分(fēn)析、提取、修改、傳遞信息才是最重要的。而三維形體(tǐ)本身(shēn)是次要的，形體(tǐ)隻是信息的載體(tǐ)。

　　這幅圖是國(guó)際BIM發展聯盟（building Smart）在其《BIM實施指南(nán)》中總結的25種BIM應用。它按照(zhào)建設工(gōng)程的不同階段，分(fēn)别對每種應用點進行了描述，并介紹了其潛在價值、資源需求、實施團隊技能需求、實施流程等。我們國(guó)家在BIM的應用過程中，還(hái)發展了一些其他(tā)應用，比如(rú)施工(gōng)進度控制、設備與材料管理(lǐ)等，也就(jiù)是現在常說(shuō)的4D-BIM、5D-BIM。從(cóng)這幅圖裡(lǐ)也可(kě)以看(kàn)到，BIM在規劃、設計(jì)階段的應用比較成熟和明确，在運維階段的價值還(hái)有待不斷探索和挖掘。

　　前面提到，對于智慧水務來(lái)說(shuō)，是要消除“孤島應用”。BIM的最大(dà)價值也在于通過信息技術(shù)，把業主、設計(jì)、施工(gōng)、監理(lǐ)、分(fēn)包商等整合到一個協同平台上來(lái)，降低信息不暢帶來(lái)的額外支出和成本，減少信息孤島。

　　對于設計(jì)階段來(lái)講，應用BIM的直接好處就(jiù)是設計(jì)可(kě)視化，以及由此帶來(lái)溝通便捷、高效。施工(gōng)階段如(rú)果很好的利用和深化BIM模型，能夠事(shì)先在計(jì)算機(jī)裡(lǐ)模拟建造過程，提前發現各種沖突和錯誤，這也是當前施工(gōng)單位應用BIM技術(shù)的最大(dà)動力。最終我們把設計(jì)階段、施工(gōng)階段的所有信息整合在一起的模型，就(jiù)爲我們運營維護帶來(lái)了各種可(kě)能性，這其實就(jiù)是将工(gōng)程建設全生(shēng)命周期的資料統一化、數字化。

　　項目前期策劃階段對整個建築工(gōng)程項目的影(yǐng)響是很大(dà)的。前期策劃做得(de)好，随後進行的設計(jì)、施工(gōng)就(jiù)會進展順利；而前期策劃做得(de)不好，将會對後續各個工(gōng)程階段造成不良的影(yǐng)響。項目的前期應用BIM，使項目所有利益相(xiàng)關者能夠早一點在一起參與項目的前期策劃，讓每個參與方都(dōu)可(kě)以及早發現各種問(wèn)題并做好協調。BIM在項目前期可(kě)以進行的工(gōng)作(zuò)有很多，包括：現狀建模與模型維護、場地分(fēn)析、土(tǔ)石方平衡計(jì)算、布置方案必選等，甚至于如(rú)右邊這張圖所示的，對于廠(chǎng)區現狀拆遷、施工(gōng)平整、建成後的各個階段都(dōu)可(kě)以整合在一個模型裡(lǐ)，模型沿時間跨度上進行了整合。

 BIM最早的應用就(jiù)是在設計(jì)階段，然後再擴展到工(gōng)程建設的其他(tā)階段。對于水廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，各個設計(jì)階段、各個不同專業的模型都(dōu)可(kě)以進行整合，需要詳細表達的節點可(kě)以進行更爲精細的建模。在構築物模型、廠(chǎng)區模型完備的基礎上，可(kě)以完成設備材料的自(zì)動統計(jì)、二維圖紙的剖切生(shēng)成、管道系統的區分(fēn)、設計(jì)信息的記錄。模型的精細度國(guó)際上一般分(fēn)爲五級，對于設計(jì)而言，第三級模型細緻度即滿足施工(gōng)圖的設計(jì)要求。

 BIM在設計(jì)階段的另一項好處就(jiù)是爲協同設計(jì)開辟了廣闊的前景，使不同專業的、甚至是身(shēn)處異地的設計(jì)人(rén)員(yuán)都(dōu)能夠通過網絡在同一個BIM模型上展開協同設計(jì)，使設計(jì)能夠協調地進行。

　　最基本的設計(jì)優化就(jiù)是對各專業的模型進行協調整合、檢查沖突。以往應用二維繪圖軟件(jiàn)進行設計(jì)，平、立、剖各種視圖之間不協調、各專業設計(jì)圖紙之間不協調的事(shì)情時有發生(shēng)。由于BIM的三維特性和可(kě)視化特性，可(kě)以很方便的進行各專業間的設計(jì)協調。比如(rú)建築結構和工(gōng)藝管道設備間的沖突檢查，都(dōu)可(kě)以出具詳細的報告。      

　　除了做好設計(jì)協調之外，由于BIM模型中包含的各種構件(jiàn)詳細信息，也可(kě)以爲性能分(fēn)析提供條件(jiàn)，比如(rú)CFD分(fēn)析、結構有限元分(fēn)析、風(fēng)場分(fēn)析、噪聲場分(fēn)析、日(rì)照(zhào)分(fēn)析等，而且這些分(fēn)析都(dōu)是可(kě)視化的。通常各種BIM軟件(jiàn)都(dōu)提供了良好的交換數據功能，隻要将模型中的數據通過一定格式輸入到相(xiàng)關的分(fēn)析軟件(jiàn)中，能夠很快(kuài)地得(de)到分(fēn)析結果。

　　在工(gōng)程項目建設中，尤其是大(dà)型項目，不确定因素很多，施工(gōng)的工(gōng)序搭接、進度安排，資源調度安排等等往往存在着衆多矛盾，施工(gōng)單位通過BIM模型可(kě)在項目施工(gōng)之前預先模拟項目施工(gōng)過程，提前将可(kě)能出現的問(wèn)題找出并加以解決，保證項目的順利進行，保證工(gōng)期的同時也節約了返工(gōng)等帶來(lái)的不必要成本。因此施工(gōng)企業對于應用新技術(shù)、新方法來(lái)減少錯誤、浪費，消除返工(gōng)、延誤，從(cóng)而提高勞動生(shēng)産率，帶動利潤的上升的積極性是很高的。      

 BIM在施工(gōng)階段可(kě)以有如(rú)下多個方面的應用：三維協調/管線綜合、深化設計(jì)、場地使用規劃、施工(gōng)系統設計(jì)、施工(gōng)進度模拟、施工(gōng)組織模拟、數字化建造、施工(gōng)質量與進度監控、物料跟蹤等。

　　前面提到，BIM真正的價值在于消除信息孤島，消除工(gōng)程參與方的信息傳遞障礙。設計(jì)的協同建模還(hái)隻是在設計(jì)院内部的協同，基于BIM工(gōng)作(zuò)應用流程，構建協同平台，有助于業主、設計(jì)、施工(gōng)真正的在一個平台上工(gōng)作(zuò)，在各自(zì)的權限内對項目進度進行管理(lǐ)，對項目狀态進行監控，對人(rén)員(yuán)權限進行控制，以及對項目建設過程中的各種流程進行數字化管理(lǐ)。當前，基于BIM的協同管理(lǐ)平台很多單位都(dōu)有嘗試，要真正地發揮效用，需要業主單位在BIM實踐中發揮主導作(zuò)用。

　　運營階段則是工(gōng)程實體(tǐ)發揮功能和全生(shēng)命周期中最長的階段，這個階段的管理(lǐ)工(gōng)作(zuò)同樣非常重要。BIM服務于運維，已經發展成爲一個相(xiàng)對獨立的研究方向，BIM和設施管理(lǐ)相(xiàng)結合的研究越來(lái)越受到關注，這也正是智慧水務建設的一個重要方面，即對供水設施的運營進行科(kē)學化的管理(lǐ)。    

   BIM竣工(gōng)模型能夠實際反映工(gōng)程實體(tǐ)的最終狀态，以及包含全過程的信息記錄，結合BIM的天然特性，發揮其三維體(tǐ)驗、視覺化管理(lǐ)、信息集成交互三方面的優勢，能夠幫助我們開發出服務于各種目标的管理(lǐ)平台。這六個應用點是我院結合BIM技術(shù)開發的信息管理(lǐ)平台雛形，更多的應用價值有待進一步研究挖掘。

　　基于BIM模型開發的最直接應用就(jiù)是利用其可(kě)視化特性，在管理(lǐ)平台中加入三維交互式的漫遊體(tǐ)驗，将工(gōng)程實體(tǐ)場景在計(jì)算機(jī)中呈現，漫遊線路(lù)也可(kě)以分(fēn)爲預設模式和人(rén)機(jī)交互模式。由于是基于網頁和數據庫，這種應用爲工(gōng)程實體(tǐ)展示、上崗培訓、以及後續的各種應用提供了技術(shù)基礎。

　　既然BIM模型包含了完整的設計(jì)、建造和運營信息，那麽我們就(jiù)可(kě)以按需對設備、管道等的基礎資料進行查詢，比如(rú)選中三維視圖中的某個閥門(mén)，平台自(zì)動檢索出該閥門(mén)的生(shēng)産廠(chǎng)家、安裝時間、備品備件(jiàn)等信息；同時我們可(kě)以對設備的信息進行更改和更新，比如(rú)增加一條檢修記錄，數據庫會自(zì)動同步，保證平台信息的即時性和有效性。

　　除了基本的設備信息之外，還(hái)可(kě)以将設計(jì)、施工(gōng)、安裝過程中相(xiàng)關技術(shù)文檔與工(gōng)程實體(tǐ)關聯，讓相(xiàng)關的信息和資料都(dōu)通過三維模型建立聯系，避免工(gōng)程資料的分(fēn)散存儲、查找不便。如(rú)圖對某台水泵可(kě)一鍵索引其水泵基礎設計(jì)圖、水泵安裝技術(shù)文檔等。從(cóng)某種程度上講，這才是達成了将工(gōng)程所有信息集成在一起的目的。

　　除了可(kě)以通過三維模型查詢其附屬信息外，我們有時也需要根據提供的一部分(fēn)信息反向定位三維模型，從(cóng)而查找更多的相(xiàng)關信息。比如(rú)通過提供的設備号，我們可(kě)以快(kuài)速定位該設備的空間位置，并即時切換視角。這爲生(shēng)産運行過程中的故障應急響應提供了技術(shù)基礎。

　　在BIM模型中我們可(kě)以采用與實際工(gōng)程實體(tǐ)相(xiàng)似的處理(lǐ)方式，對不同的管道系統進行着色區分(fēn)。更優越的是，我們可(kě)以單獨的亮顯某一管道系統，更清楚地浏覽管道走向和功能，甚至可(kě)以采集監測信息，将管内的介質信息反映到BIM模型中來(lái)。如(rú)此我們的BIM模型不僅可(kě)以顯示工(gōng)程建設的靜(jìng)态信息，也能顯示運行階段的動态信息。

　　和前面管道系統一樣，對于設備運行的動态信息，也可(kě)以将它和BIM模型相(xiàng)關聯，進行動态顯示。

　　除了運維管理(lǐ)平台可(kě)以利用BIM的一些優勢之外，在我們的業務培訓上，BIM也有嶄露頭角的機(jī)會。通過在計(jì)算機(jī)中将常規的操作(zuò)進行流程化模拟，采用人(rén)機(jī)交互的方式對技術(shù)人(rén)員(yuán)進行崗前培訓，運用類似于沙盤推演的方式使技術(shù)人(rén)員(yuán)掌握實際操作(zuò)的技能。      

對于常規的檢修維護工(gōng)作(zuò)，還(hái)可(kě)以事(shì)先利用模型進行人(rén)體(tǐ)工(gōng)程學的力學仿真、操作(zuò)時的視距仿真，爲維修人(rén)員(yuán)、巡檢人(rén)員(yuán)的安全保障提供技術(shù)依據。

　　衆所周知，3S技術(shù)是數字城(chéng)市的技術(shù)基礎之一，其中GIS技術(shù)更是根本。在智慧水務的建設中，BIM也同樣可(kě)以和GIS相(xiàng)結合，并且兩者的結合已經成爲了BIM應用研究的新課題。即通過建築内部與外部空間信息的結合以支持進行多種類型的應用分(fēn)析，例如(rú)結構設計(jì)需要地質資料信息，節能設計(jì)需要氣象資料信息，而這些數據可(kě)以借助GIS得(de)到。反過來(lái)，通過BIM和GIS的集成，BIM可(kě)以給GIS環境帶來(lái)了更多的信息，從(cóng)而擴展GIS的應用，提升GIS的應用水平。

　　過去(qù)50年(nián)我們看(kàn)到了全球技術(shù)的飛速發展，在此期間各個行爲業都(dōu)已經通過創新提高了效率，尤其是先進制造業。工(gōng)程建造行業的發展相(xiàng)對來(lái)講要緩慢(màn)很多，有很多環節還(hái)依賴于傳統的工(gōng)藝和管理(lǐ)手段，在針對大(dà)型、複雜的現代化項目時顯得(de)力不從(cóng)心。制造業和建築工(gōng)程行業有很多相(xiàng)似之處，現在，建築業的先鋒正借鑒制造業的經驗，把先進制造業的知識和數字化技術(shù)往工(gōng)程建造行業遷移，比如(rú)“建築工(gōng)業化”已經成了當下最火(huǒ)熱(rè)的關鍵詞之一。

　　虛拟現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（MR）技術(shù)的興起，給工(gōng)程建設領域帶來(lái)夢幻般的可(kě)能性，在科(kē)幻片裡(lǐ)看(kàn)到的場景正在逐步變成現實。現在已經有廠(chǎng)商借助混合現實眼鏡開發出基于BIM模型的應用，設計(jì)師(shī)将BIM模型文件(jiàn)導入MR眼鏡，将模型直接投射到真實場景中，在增強現實的環境下查看(kàn)設計(jì)，甚至于修改、重構設計(jì)稿，設計(jì)所見(jiàn)即建造所得(de)，實實在在地縮小數字和物理(lǐ)之間的差距。