BIM在水廠建設中的應用

孫慧樂， 王 鵬， 李金太， 李 辰， 孫云凱

(1.天津水務集團濱海水務有限公司，天津300451；2.天津尚源智慧科技有限公司，天津300381；3.天津水務集團濱海水務有限公司 大港油田水務分公司，天津300280)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是在計算機輔助設計(CAD)等技術基礎上發(fā)展而來的多維建筑模型信息集成管理技術，通過創(chuàng)建并利用數字智能化模型對建設項目的設計、建造等過程進行管理和優(yōu)化，是實現智慧化設計、建造和運維的重要技術手段[1]。

BIM技術在國內起步相對較晚，但隨著建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念的提出和國家近年來的大力推廣，已慢慢掀起建筑業(yè)“二次革命”的浪潮。

近年來，隨著用水需求量的不斷上升和水質標準的日益提高，水廠體量與工藝復雜程度也逐漸增加，傳統的以平、立、剖等二維平面圖為核心的設計、施工、管理模式已無法滿足逐漸高度復雜化的工程[2]。而BIM技術在水廠建設中全生命周期的應用，可以很好地解決這個問題，見圖1。

圖1 BIM在建筑工程各階段的應用Fig.1 Application of BIM in various stages of construction engineering

1 方案與設計階段

目前，隨著水廠建設項目的規(guī)模、形態(tài)和工藝日趨復雜，傳統的設計模式已經不能滿足要求。各個專業(yè)的設計在信息傳遞過程會存在一定的滯后與誤差，導致設計結果在后期實施中產生問題，影響設計成果的最終實現。

方案與設計階段是BIM應用的開始，最直觀的優(yōu)點是設計可視化與協同設計。通過各個設計階段、不同專業(yè)的模型整合，可以完成場地規(guī)劃(圖2)、三維建模(圖3)、設計優(yōu)化、二維施工圖的生成、材料統計(圖4)、設計信息的錄入、設備信息的記錄(圖5)等。

圖2 某水廠三維場地規(guī)劃Fig.2 Three-dimensional site planning of a waterworks

圖3 某水廠三維建模Fig.3 Three-dimensional modeling of a water plant

設計優(yōu)化即通過模型檢查各專業(yè)之間的碰撞沖突(圖6)，通過BIM的三維特性和可視化特性，可以快速檢測并出具詳細報告，如機電管道碰撞、建筑結構和機電管道設備的沖突碰撞等；協同設計(圖7)是BIM在設計階段的另一項優(yōu)點，可以使不同專業(yè)甚至不同地域的設計人員通過網絡在同一個BIM模型上展開協同設計，提高了設計效率和協調性。

圖4 明細表統計Fig.4 Statistics of detail list

圖5 設備信息記錄Fig.5 Record of equipment information

圖6 碰撞檢查Fig.6 Collision check

圖7 協同設計Fig.7 Collaborative design

BIM模型包含各個構件的詳細參數信息，因此也可以為性能分析，如日照分析、風場分析、噪聲分析(圖8)等提供條件。

圖8 節(jié)能分析Fig.8 Analysis of energy saving

2 施工階段

施工階段對工程質量的影響最為直接，目前普遍存在管理理念不完善、返工現象頻繁、資源浪費嚴重、施工信息表達傳遞不及時不明確、施工變更數量、各專業(yè)交叉作業(yè)存在矛盾等較多問題[3]。

BIM在施工階段的應用較其他階段相對成熟。施工策劃將對整個工程階段產生影響，將BIM應用于項目前期，可以使所有參與者一起參與項目的前期策劃，以便各方及早發(fā)現問題并做好協調。

BIM在項目前期的應用包括：施工場地規(guī)劃(圖9)、土石方平衡計算、土方開挖模擬(圖9)等；施工階段，BIM可以進行三維協調、管線綜合優(yōu)化(圖10)、二次深化設計、一二次結構預留洞(圖11)、施工組織模擬、物料跟蹤、工藝模擬、竣工圖輸出、施工質量與進度監(jiān)控(BIM-4D)(圖12)、成本管控(BIM-5D)(圖13)等。BIM的協同性也體現在施工階段，通過構建協同平臺，可以讓業(yè)主、設計、施工在各自的權限內對項目進行綜合管理、監(jiān)控，并且可以將項目建設過程中的各種過程文件數字化并整理保存。

圖9 某工程場地布置與土方開挖模擬Fig.9 Site layout and earthwork excavation simulation of a project

圖10 管線綜合優(yōu)化Fig.10 Comprehensive optimization of pipeline

圖11 建筑結構預留洞Fig.11 Reserved holes in building structure

圖12 施工進度模擬Fig.12 Simulation of construction schedule

圖13 成本管理Fig.13 Cost management

3 運維階段

隨著水廠處理工藝逐漸復雜化，水廠的設備數量逐漸增多，設備系統的結構也更加復雜，傳統的主要依靠電子表格和紙質資料輔助人員經驗進行決策管理的運維方式，已經無法滿足當下智慧化管理的要求[4]。集成BIM、人工智能和大數據為一體的智慧化管理平臺的興起，為水廠智慧化運維的發(fā)展帶來了新的契機。

運維階段(圖14)是工程實體在全生命周期中最長的階段。BIM服務于運維，通過竣工模型反映的工程實體的最終形態(tài)，以及包含全過程的信息記錄，結合BIM的特性，有助于開發(fā)出服務于各種目標的管理平臺。

圖14 BIM在運維階段的應用Fig.14 Application of BIM in operation and maintenance stage

基于模型開發(fā)的最直接應用，就是利用BIM的三維特性在管理平臺中加入三維交互的漫游體驗，在計算機中展現工程最終實體，實現任意漫游和預設路線漫游等；通過BIM模型中完整的設計、建造和運營信息，可以按照需要查詢設備、管道等的資料，并且支持對信息進行維護和更新(圖15)，例如在模型中選中某個閥門，會自動顯示其生產廠家、安裝時間、維修保養(yǎng)情況等。同時，支持反向定位三維模型，即通過設備參數、型號等信息完成對設備的三維定位。

圖15 設備信息維護Fig.15 Maintenance of equipment information

3S技術是數字城市的技術基礎之一，其中GIS技術更是根本。BIM可以與GIS結合，在智慧水務的建設中發(fā)揮信息互補的作用：GIS為BIM提供設計需要的氣象、地質等信息；BIM給GIS帶來建設中建筑本身的資料。兩者的結合創(chuàng)建了一個包含大量信息的虛擬城市，這正是智慧水務和智慧城市的基礎。

4 結語

將BIM技術應用于水廠的全生命周期管理中，能夠為項目科學合理的規(guī)劃、設計、施工和運營管理發(fā)揮重要功能，同時也為智慧水務、智慧水廠的應用與發(fā)展起到基礎保障和重要推進作用。目前，BIM技術在智慧水廠的應用仍處于探索階段，在短時間實現水廠建設全生命周期、全專業(yè)應用BIM技術暫不現實，但積極地探索和挖掘其在水務行業(yè)和智慧水務建設的價值和應用，具有一定的迫切性和必要性。