BIM＋物聯(lián)網(wǎng)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的技術(shù)應(yīng)用

黃 超 揭 敏 席 鵬 張佳波 張輝煌

中建一局華江建設(shè)有限公司 北京 100161

地下管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，利用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)能夠?qū)⑹占降男畔R集建立三維管線模型，形成三維立體化數(shù)據(jù)庫(kù)，更加凸顯智慧城市理念[1]。水污染的治理不光需要依靠前期的整治，更加離不開后期的監(jiān)測(cè)防護(hù)。隨著技術(shù)的更新，設(shè)備越來(lái)越趨于信息化，信息化改革已成為必然趨勢(shì)，水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備也正在逐漸進(jìn)行更新，并與信息化進(jìn)行接軌[2]。物聯(lián)網(wǎng)能將虛擬與現(xiàn)實(shí)相連通，因此為了滿足當(dāng)代智慧城市的建設(shè)理念，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到水環(huán)境監(jiān)測(cè)中是一個(gè)新的管理發(fā)展方向。BIM＋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合是必然的先進(jìn)建設(shè)趨勢(shì)[2-4]，將打通現(xiàn)實(shí)與虛擬、實(shí)體與數(shù)據(jù)間的接口，完成數(shù)據(jù)交互，形成有效的現(xiàn)場(chǎng)管理和操作行為[5]。以漳州市區(qū)水污染治理為例，建設(shè)一個(gè)排水管網(wǎng)在線監(jiān)控與污染源自動(dòng)識(shí)別定位于一體的水環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為城市水污治理提供一種更加有效的技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

福建漳州市舊城區(qū)規(guī)劃建設(shè)長(zhǎng)510.65 km的市政污水干管，其中270.87 km已建成，239.78 km還未建設(shè)，原有老舊管道破損率達(dá)70%。環(huán)保理念的缺失、排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)疏漏和管道的破損缺失已經(jīng)對(duì)漳州市環(huán)境水體造成了嚴(yán)重的污染，影響到了漳州市的城市形象以及居民的生活質(zhì)量，限制了漳州市的進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 城市管網(wǎng)現(xiàn)狀及問題

水污染的治理應(yīng)從源頭截污，并且完善城市的雨污管網(wǎng)系統(tǒng)。目前城市雨污管網(wǎng)基本為老舊管網(wǎng)，錯(cuò)綜復(fù)雜，并且雜亂無(wú)章，維修困難。根據(jù)排查結(jié)果，老城區(qū)內(nèi)70%以上的市政污水管道存在功能性或結(jié)構(gòu)性二級(jí)缺失障礙，情況不容樂觀，并存在以下幾點(diǎn)問題：

1）部分城區(qū)存在雨污混流現(xiàn)象，雨水接入污水管網(wǎng)或污水接入雨水管網(wǎng)，水污染現(xiàn)象嚴(yán)重，并且增加了污水處理站的運(yùn)行成本。

2）部分地區(qū)區(qū)域內(nèi)未建設(shè)污水管網(wǎng)系統(tǒng)，存在污水直接排入環(huán)境水體的情況，嚴(yán)重影響了周邊居民的生活質(zhì)量和漳州的城市形象。

3）由于大部分城市管網(wǎng)是20世紀(jì)建立的老舊管網(wǎng)，20世紀(jì)城市建設(shè)規(guī)劃不全面，技術(shù)比較落后，并且資料保存不完善。導(dǎo)致管線布置錯(cuò)綜復(fù)雜，管網(wǎng)資料不全，難以判斷現(xiàn)狀，致使無(wú)法做出正確的判斷。

4）城市部分管網(wǎng)設(shè)計(jì)排水能力不足。無(wú)法滿足排水需求，導(dǎo)致下大雨時(shí)雨水不能及時(shí)從管網(wǎng)排出，造成路面積水嚴(yán)重，給交通出行造成不便。

5）老舊城市管網(wǎng)嚴(yán)重?fù)p壞，使大量污水流入河道，對(duì)河道造成了嚴(yán)重污染，破壞了水生態(tài)環(huán)境，影響市容。

對(duì)城市地下管網(wǎng)的修復(fù)與重建是BIM＋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的前提條件。

1.3 采用該技術(shù)的原因

漳州市區(qū)水污治理涉及范圍廣、面積大，為根治水環(huán)境污染，杜絕治理后再污染的情況發(fā)生，必須從根本上解決水環(huán)境污染問題。針對(duì)漳州市的整體情況以及對(duì)水污染治理的研究，擬采取前期截污，后期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理的技術(shù)路線。但是由于城區(qū)現(xiàn)有管道錯(cuò)綜復(fù)雜，雨污混流，并且管道破損嚴(yán)重，因此城市雨污管網(wǎng)亟需整改。

由于管網(wǎng)整改涉及范圍廣、施工難度大，為了方便設(shè)計(jì)施工以及后期水環(huán)境監(jiān)測(cè)管理，所以將BIM技術(shù)運(yùn)用于此次的方案，通過BIM技術(shù)建立城市全管網(wǎng)三維管道模型，分析設(shè)計(jì)出最適宜的雨污管道整改方案，并建立BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)，儲(chǔ)存城市管網(wǎng)的信息狀況，方便及時(shí)了解管網(wǎng)的信息情況，當(dāng)后期水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染問題時(shí)，能以最快的速度去定位解決污染源。目前傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過對(duì)各個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行采樣、化驗(yàn)、檢查來(lái)判斷水質(zhì)情況，整個(gè)流程煩瑣，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間，不符合當(dāng)代的智慧城市理念。

近些年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)興起，并且漸漸運(yùn)用到環(huán)境監(jiān)控中。此次漳州市的水環(huán)境監(jiān)測(cè)也融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器將水質(zhì)情況及時(shí)傳遞，工作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)情況，增加監(jiān)控效率，保證信息準(zhǔn)確。若出現(xiàn)水污染問題能及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染源，再通過BIM數(shù)據(jù)庫(kù)定位污染源位置，保證在最短的時(shí)間內(nèi)排除污染，將污染影響降到最低限度。利用BIM建立城市管網(wǎng)模型，建立信息數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋水質(zhì)情況，兩者的融合成為一種有效的水環(huán)境治理技術(shù)。

2 BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)中較為先進(jìn)的技術(shù)之一，它具有很強(qiáng)的實(shí)用性和科學(xué)性，通過智能設(shè)備或各種傳感器采集信息以后，將這些信息集結(jié)到相關(guān)的平臺(tái)中，進(jìn)行詳細(xì)的分析和有效的儲(chǔ)存。將物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)境體系融合后，就形成了環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)，它是一種可以監(jiān)測(cè)和管理污染源的技術(shù)系統(tǒng)[6]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，改變了以往的工作方式，大大降低了管理難度，提高了管理效率。

物聯(lián)網(wǎng)通常劃分為3個(gè)層次——感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層相當(dāng)于人體的皮膚、五官，網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人體的神經(jīng)中樞，應(yīng)用層相當(dāng)于人類的社會(huì)分工[7]。

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視環(huán)境的整治。近些年，城市和農(nóng)村的水污染問題日益嚴(yán)峻，水污染問題也越發(fā)得到重視，各大城市紛紛進(jìn)行水環(huán)境整治。但由于受傳統(tǒng)思維局限，治理后的監(jiān)測(cè)管理不到位，再污染的情況非常普遍，因此尋找一種有效的水質(zhì)監(jiān)測(cè)運(yùn)維方法非常重要。

很多地區(qū)的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只是由相關(guān)的處理人員在污水排放出口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的抽樣檢測(cè)，經(jīng)過抽樣、化驗(yàn)、分析等一系列復(fù)雜的工作程序才能得出相應(yīng)的結(jié)果。這種監(jiān)測(cè)手段不僅浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，而且缺乏時(shí)效性和精確性，影響研究人員對(duì)水質(zhì)的詳細(xì)檢測(cè)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，安裝相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，可以有效地避免傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，增加監(jiān)測(cè)效率，為水安全檢測(cè)提供可靠、精準(zhǔn)的信息資源，同時(shí)也大大提升了工作人員的檢測(cè)水平，使水污染問題得到根本上的解決[6]。

2.2 BIM＋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

BIM是一個(gè)完備的信息模型化的過程，能夠?qū)⒐こ添?xiàng)目在全生命周期中各不同階段的工程信息、過程和資源集成在一個(gè)模型中。

對(duì)比傳統(tǒng)的單一使用物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)立監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，BIM技術(shù)的加入使水環(huán)境的監(jiān)測(cè)更加方便、高效，并有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念在圖紙上只能靜態(tài)的表達(dá)，不能體現(xiàn)出過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑的設(shè)計(jì)性越來(lái)越注重，通過BIM建模，可以將工程師們的思路與創(chuàng)意三維可視化地展現(xiàn)出來(lái)，創(chuàng)造出新穎可靠的設(shè)計(jì)。

2）工程是由多個(gè)參與方一起協(xié)作完成的，但是各個(gè)專業(yè)需要考慮的問題不同，自然會(huì)產(chǎn)生專業(yè)的溝通問題，工程的完成與否關(guān)鍵在于是否能統(tǒng)一協(xié)調(diào)，通過基于BIM的協(xié)同工作平臺(tái)能夠應(yīng)用三維模型將問題沖突直觀地展現(xiàn)出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)更好的溝通協(xié)作。

3）通過BIM的管道碰撞模擬功能可以事先發(fā)現(xiàn)管道碰撞問題，暴露出設(shè)計(jì)方案中存在的問題，提前避免問題或者找到解決方案，同時(shí)可以通過模擬了解工程大致進(jìn)度，從而設(shè)計(jì)出施工方案等。

4）方案優(yōu)化受信息、復(fù)雜程度和時(shí)間等3個(gè)要素制約。沒有準(zhǔn)確的信息做不出合理的優(yōu)化結(jié)果，BIM模型提供了建筑物實(shí)際存在的信息，包括幾何信息、物理信息、規(guī)則信息，還提供了建筑物變化以后的實(shí)際存在的信息。參與人員依靠本身的能力無(wú)法掌握全部的信息，必定要借助一定的科學(xué)手段和設(shè)備的幫助，BIM及其配套的各種優(yōu)化工具提供了對(duì)復(fù)雜項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化的可能。基于BIM的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目方案的優(yōu)化以及特殊項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3 BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 BIM運(yùn)用

BIM是通過所提供的各方管網(wǎng)信息來(lái)建立三維管網(wǎng)模型，但由于本項(xiàng)目管網(wǎng)建立已久，很多信息都不全面，甚至有缺失，給建立模型造成困難。因此本項(xiàng)目對(duì)原有管網(wǎng)進(jìn)行了不同程度的修復(fù)、翻新或改造重建，在此基礎(chǔ)上對(duì)新的管網(wǎng)系統(tǒng)及污水處理系統(tǒng)進(jìn)行建模，重建整個(gè)漳州市水環(huán)境的系統(tǒng)模型。

一方面，應(yīng)用BIM模型可以將所得的數(shù)據(jù)整合建立三維管網(wǎng)模型，進(jìn)行各項(xiàng)工程分析，展現(xiàn)出在施工時(shí)可能出現(xiàn)的問題，盡早做出解決方案或者預(yù)防措施，減少成本，縮短工期。另一方面，BIM技術(shù)可以將工程師的各種想法進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)其中的弊端及優(yōu)勢(shì)，選出最適宜的方式。通過BIM技術(shù)能夠?yàn)槭姓o排水管線設(shè)計(jì)人員提供更加準(zhǔn)確合理的運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證市政給排水管線得到合理布置。通過科學(xué)運(yùn)用BIM技術(shù)，能夠有效減少市政給排水線路出現(xiàn)交叉的現(xiàn)象，進(jìn)一步提升給排水管線的運(yùn)行速度，保證市政給排水管線更加穩(wěn)定地運(yùn)行。

3.2 基于管線問題的BIM解決方案

1）通過BIM技術(shù)建立三維模型，將設(shè)計(jì)思路清晰地展現(xiàn)出來(lái)，對(duì)方案進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)以及碰撞檢查，可以事先發(fā)現(xiàn)有沖突的地方，解決在管線布置時(shí)所遇到的問題。

2）通過BIM的設(shè)計(jì)模型，可根據(jù)需求獲取相應(yīng)的構(gòu)件截面和復(fù)雜部位的信息，極大地降低了施工難度。

3）通過三維BIM模型可以對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行局部調(diào)整，各個(gè)碰撞點(diǎn)調(diào)整后所帶來(lái)的其他部位的連鎖反應(yīng)可以及時(shí)清楚地被表現(xiàn)出來(lái)。在實(shí)際的工作中，借助BIM制定完整可行的問題解決流程，有效減少施工過程中的返工現(xiàn)象，保證管線調(diào)整的全面性和準(zhǔn)確性[8]。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)控過程煩瑣、復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不能及時(shí)獲取實(shí)時(shí)的水質(zhì)情況，不能及時(shí)了解污染源。通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引進(jìn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以很好地解決這個(gè)問題，降低監(jiān)測(cè)難度，并且確保監(jiān)測(cè)信息及時(shí)準(zhǔn)確，能夠?qū)崟r(shí)查看水質(zhì)情況，保證了監(jiān)測(cè)的時(shí)效性。

物聯(lián)網(wǎng)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中分為3個(gè)層面，分別為：數(shù)據(jù)收集層（感知層）、數(shù)據(jù)傳輸層（網(wǎng)絡(luò)層）、應(yīng)用展示層（應(yīng)用層），詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)收集層主要是收集水質(zhì)的情況，利用水質(zhì)檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)情況，并且配置相應(yīng)的采水配水單元和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等，保證能夠?qū)崟r(shí)有效地進(jìn)行監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)傳輸層的作用是將收集的信息通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行傳遞，為了保證傳遞及時(shí)，可通過有線通信和無(wú)線通信進(jìn)行；應(yīng)用展示層是將收集的信息顯示到工作人員處，并且分析出結(jié)果，自動(dòng)將信息儲(chǔ)存，實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)情況，起到預(yù)警作用。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

3.4 BIM＋物聯(lián)網(wǎng)建立城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)

基于BIM在城市管網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)，為了滿足可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)理念，建立了一套地下管網(wǎng)的三維系統(tǒng)，可以幫助后期人員進(jìn)行排查，從而更加有效地進(jìn)行管理。

該系統(tǒng)借助BIM、GIS以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。BIM主要用來(lái)整合排水管網(wǎng)資產(chǎn)本身全生命周期的信息，GIS則是與環(huán)境相關(guān)的外部信息，在運(yùn)維階段結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將管線上各傳感器的位置及測(cè)量信息實(shí)時(shí)反饋到三維管網(wǎng)模型中去。用戶可通過三維模型查看管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)還可通過對(duì)各參數(shù)的分析計(jì)算，作出管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)[9]。

該系統(tǒng)的工作流程如下：

1）導(dǎo)入信息。將已有構(gòu)筑物BIM模型導(dǎo)入基于GIS的環(huán)境信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)的結(jié)合。

2）在以上包含建筑內(nèi)部信息以及外部環(huán)境信息的模型基礎(chǔ)上建立管線、道路，以及新建模型的幾何物理等屬性信息。

3）借助碰撞檢測(cè)插件分析得到全部碰撞點(diǎn)，并自動(dòng)分類顯示管道間的接近碰撞、軟碰撞以及硬碰撞。

4）進(jìn)行管線綜合調(diào)整，解決各專業(yè)間的各類碰撞。

5）模型深入優(yōu)化后開始組織相關(guān)人員施工，在施工中對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位布設(shè)傳感器，將傳感器信息通過有線或者無(wú)線通信設(shè)備傳輸?shù)较到y(tǒng)主機(jī)。

6）主機(jī)存儲(chǔ)分析各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將分析結(jié)果反饋給用戶，以便用戶能夠全面掌握管網(wǎng)運(yùn)作狀況，及時(shí)解決存在的或即將出現(xiàn)的問題。

7）當(dāng)管網(wǎng)出現(xiàn)問題或事故時(shí)，系統(tǒng)第一時(shí)間向用戶報(bào)警，并準(zhǔn)確定位事故發(fā)生位置，使工作人員能夠迅速準(zhǔn)確地對(duì)問題部位進(jìn)行檢修處理[9]。

4 基于BIM＋物聯(lián)網(wǎng)的水監(jiān)控操作

水污染治理的持續(xù)發(fā)展需要靠?jī)烧呓Y(jié)合，BIM＋物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)是兩者協(xié)作融合的產(chǎn)物，大致操作流程如圖2所示。

圖2 BIM＋互聯(lián)網(wǎng)的水監(jiān)控操作

先采用水質(zhì)檢測(cè)儀在各樣點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)匯報(bào)水質(zhì)情況，并經(jīng)過傳輸?shù)綉?yīng)用層進(jìn)行分析檢查，如果有問題則觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，通知工作人員并匯報(bào)污染口，工作人員根據(jù)BIM的管道信息數(shù)據(jù)庫(kù)可以快速查出污染口的線路，及時(shí)找到污染源，然后再派出工作人員進(jìn)行維修或者處理，以最快的速度減少水質(zhì)污染，解決問題，從而達(dá)到水治理防護(hù)的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

在此次的漳州水污治理中，將BIM與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，該方案可以實(shí)現(xiàn)虛擬信息化管理與實(shí)體環(huán)境硬件之間的有機(jī)融合[10]。通過兩者的融合，更好地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，更加有效地解決水污治理的問題，并能夠起到更佳的防護(hù)作用。BIM與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合不但適用于建筑建設(shè)，同樣也適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，兩者技術(shù)愈發(fā)成熟，能夠?qū)⒏鄦栴}更加有效輕松地解決。