基于BIM的水電工程全生命周期數字化移交應用研究

黃 勇，楊黨鋒，蘇 鋒，劉曉東，賈新會，劉立峰

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 引 言

BIM(Building Information Modeling)技術由于其可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等特點[1]，已廣泛應用于土木工程設計、施工、運維等各個環節[2]。趙繼偉等人[3]研究了水利工程信息模型的快速建模理論方法體系及模型構建過程，并將其應用于工程信息查詢及運營管理當中；苗倩[4]將BIM技術應用于水利水電工程可視化仿真當中，實現了工程施工過程的動態演示及仿真信息的可視化查詢;黃建文等人[5]將BIM技術應用于大壩施工期5D進度-成本可視化模型及動態聯合管控當中，實現了基于BIM的施工進度-成本聯合管控；陳強[6]結合工程實例，研究了BIM技術在市政道路橋梁設計中的應用;馬少雄等人[7]將BIM技術應用于大跨度橋梁規劃、設計和施工過程當中，顯著提高了橋梁信息化施工管理水平和建造效率；吳文高[8]結合項目案例，研究了BIM關鍵技術在軌道交通設計中的應用。作為工程建設行業的一種發展主流，BIM技術提高了信息化應用水平和應用效果，有力地推動著工程建設朝著精細化、集約化和工業化的方向發展。水電工程涉及測繪、地質、壩工、泄水、廠房、水機、金結、電氣、通信、給排水、建筑、暖通、道路等多個專業，其BIM模型的構建和應用對軟件功能、人員素質、計算機配置都有較高的要求，這在一定程度上影響著BIM模型在工程全生命周期不同階段的流轉和應用。數字化移交是在BIM應用基礎上繁衍出來的新型工程數據移交形式，是基于BIM技術構建的“數字雙胞胎”工程，以移交平臺為載體，將BIM模型和工程建設過程產中生的各類數據通過輕量化、結構化和標準化處理，建立模型和相關工程數據(結構化數據和非結構化數據)之間的關聯關系，消除信息孤島，實現工程數據的全面、統一、協調、模擬及可視化表達，為工程全生命周期管理和大數據應用提供基礎數據和基本應用功能。相比較以BIM軟件為載體的BIM模型應用，數字化移交通過模型輕量化、數據關聯、統一數據管理等手段，降低了水電工程BIM模型的使用門檻，有力地推動著BIM模型在工程全生命周期不同階段的流轉和應用；同時，基于數字化移交平臺，以BIM模型為載體統籌管理工程建設、運維管理中的各種結構化數據和非結構化數據，解決了水電工程建設管理中數據孤島嚴重、數據共享困難、數據管理混亂、數據應用無序等眾多問題。

本文面向水電工程全生命周期，深入研究基于BIM的數字化移交形式、實現流程、實現要素和數字化移交的特性。在此基礎上，詳細闡述了水電工程數字化移交的實現過程和數字化移交成果在工程全生命周期管理中的應用，為相關工程開展數字化移交提供借鑒和參考。

1 基于BIM的數字化移交技術研究

1.1 數字化移交形式及分類

按照數字化移交工作狀態的不同，將數字化移交分為靜態數字化移交和動態數字化移交。靜態數字化移交又叫一次性移交，是指在工程某一階段(設計、施工或調試)或工程建設結束時，在交付設計成果、工程實體的同時，給業主移交包含BIM模型和工程數據的“數字雙胞胎”工程，其特點是所有BIM模型和工程數據都是最終且唯一版本。動態數字化移交，是指在工程某一階段(設計、施工或調試)或工程建設的初始階段，就開始進行數字化移交，直至某一階段或工程竣工；其特點是移交工作與工程建設同步，移交數據隨工程的進展累積漸進、逐漸完善，數據的版本動態更新。水電工程建設周期長，工程數據種類多、數量大，采用動態數字化移交的方式可以繼承工程建設各階段產生的有效數據，將前序工程建設數據服務于后續工程建設過程，還可動態進行歷史數據的追溯和修正，是當前普遍采用的數字化移交方式。

動態數字化移交，按照工程建設的不同階段又分為設計過程數字化移交、設計+施工過程數字化移交、設計+施工+調試過程數字化移交和工程全生命周期數字化移交，如圖1所示。

圖1 動態數字化移交數據流轉過程Fig.1 Dynamic data flow process of digital delivery

(1)設計過程數字化移交。設計過程數字化移交是指設計階段BIM模型和設計參數、設計圖紙、設計報告等工程數據的移交，根據不同設計深度及設計成果，動態進行數字化移交和移交數據更新。在設計數據移交過程和移交后，移交數據均可在工程全生命周期各階段進行動態應用和修正。

(2)設計+施工過程數字化移交。設計+施工過程數字化移交是指工程設計、施工階段BIM模型和設計數據、施工數據等工程數據的移交，包含工程變更數據；根據不同工程進度及相關數據，動態進行數字化移交和移交數據更新。在工程設計、施工數據移交過程和移交后，移交數據均可在工程全生命周期各階段進行動態應用和修正。

(3)設計+施工+調試過程數字化移交。設計+施工+調試過程數字化移交是指工程設計、施工、調試階段BIM模型和設計數據、施工數據、調試數據等工程數據的移交，包含工程變更數據；根據不同工程進度及相關數據，動態進行數字化移交和移交數據更新。在工程設計、施工、調試數據移交過程和移交后，移交數據均可在工程全生命周期各階段進行動態應用和修正。

(4)工程全生命周期數字化移交。工程全生命周期數字化移交，是面向工程全生命周期全過程、全業務數據的動態數字化移交。根據工程設計、施工、調試不同階段進度及相關工程數據，動態進行數字化移交和移交數據更新。在工程運維階段，基于數字化移交數據和移交平臺，將監控、監測、巡檢、維修、物資等運維過程數據動態關聯至相應BIM模型上，形成面向工程全生命周期的數字化移交，應用于工程建設及生產運維當中。這種數字化移交模式更適合面向全生命周期的水電工程建設及運維管理，已在新建水電項目中廣泛推廣，也是本文主要研究的數字化移交模式。

1.2 數字化移交實現流程研究

數字化移交實現流程基本上分為移交準備、工程數據收集整理、工程數據標準化處理、數據內容和質量審核、工程數據動態移交、工程數據應用及更新、數據完整性及準確性審核、全過程數據移交、移交成果運維階段應用及運維數據增加等過程(圖2)。移交準備是數字化移交的基礎性工作，包括方案和標準定制、移交平臺搭建、實施團隊組建等，準備工作是否全面直接關系到數字化移交的成敗。工程數據收集整理是根據移交標準將模型、圖紙、報告、工程量、設計參數等按照一定的組織結構進行收集、整理，標準化處理是將收集到的碎片化工程數據進行輕量化處理、統一格式轉換、編碼編號等，內容和質量核定是對處理過的工程數據按照移交標準進行審核，均貫穿于工程建設全過程。工程數據動態移交包括規劃設計、施工、采購、調試等各階段數據移交，按照移交數據產生的先后順序進行漸進式動態移交。工程數據應用及補充、添加、更新是一個不斷迭代的過程，工程前期數據可在后續工作中應用，應用過程中針對變更內容又不斷更新完善。在工程竣工交付時，對數據的完整性、準確性進行移交前審核，確認數據無誤后進行工程全過程數據移交。工程建設期數據移交后，應用于運維管理過程，并與運維管理系統融合，將運維階段數據持續增加至數字化移交系統，最終形成覆蓋工程全生命周期的數據中心。

圖2 基于BIM的數字化移交實現流程Fig.2 Digital Delivery realization flow based on BIM

1.3 數字化移交實現要素研究

面向工程全生命周期的數字化移交，時間長、跨度大、參與方多，移交過程復雜而繁瑣。在進行數字化移交工作過程中，必須確定好移交內容、移交標準、移交平臺和移交團隊4項基本要素。移交內容是數字化移交的核心，移交標準是移交內容規范、有效的保證，移交平臺是移交數據的載體，移交團隊是移交工作的保證，缺一不可。

(1)移交內容。數字化移交內容包含設計、施工、調試、運維等工程全生命周期的結構化數據和非結構化數據，如BIM模型、設計報告、工程圖紙、質量信息、材料特性、設備參數等。移交內容應充分結合工程特點，從工程全生命周期數據應用價值的角度進行綜合確定，確保移交數據規范、完整、有效、有用。

(2)移交標準。數字化移交標準包括數據顆粒度、數據格式、數據編碼、數據版本、數據更新周期、數據采集上傳方式、數據處理流程等與數字化移交工作相關的各種規范性文件，用以指導數字化移交工作的實施。移交標準應結合《發電工程數據移交》及工程各參與方的工作方式、信息化系統應用情況、人員素質等有針對性地制定，確保移交標準科學、合理、操作性強。

(3)移交平臺。當前主流的數字化移交平臺為C/S模式(客戶端/服務器)和B/S模式(瀏覽器/服務器)，第一種模式系統功能強大、安全性高，但系統部署復雜、硬件依賴性強、人員專業性要求高；第二種模式使用門檻低、操作簡單方便，但功能相對簡單、模型加載對網絡依賴性高。對于建設周期長、模型操作頻繁、人員素質多樣的水電工程而言，數字化移交平臺應建設為基于統一數據中心的C/S+B/S模式，以滿足不同工程階段、不同業務、不同應用人員的需求。

(4)移交團隊。面向全生命周期的水電工程數字化移交工作是一項長期、復雜的工作，項目業主負責各方協調、過程監管等工作，設計單位負責數據標準建設、技術管理等工作，施工、安裝、調試等各參與房負責各自工作范圍內數據的采集并按移交標準上傳；在數字化移交的不同階段，應成立專門的機構或組建專門的團隊進行實施，團隊成員的專業背景或工作經歷應包含計算機、數據庫、數字工程及水工、機電等水電工程相關專業人員。

2 基于BIM的數字化移交特性研究

相比較傳統的工程檔案交付、BIM模型應用、工程數據管理等數據應用和交付模式，基于BIM的數字化移交使模型應用簡單化、數據展示可視化、數據管理關聯化、數據共享信息化；除了發揮數據的直觀應用價值外，還可通過工程全生命周期不同階段、不同業務數據的挖掘、處理和分析，對工程建(構)筑物和設施設備性態進行科學預測和預處置，使工程建設、管理模式朝著數據管理、數據決策、數據創新的方向發展?；贐IM的數字化移交主要特性如下：

(1)輕量級模型應用。輕量級模型，是指在不改變模型文件結構屬性的基礎上，將模型文件通過參數化處理、減面優化、實例化、數據壓縮等方式將模型體積壓縮[9]，使原本幾G、幾十G甚至上百G的原始模型轉碼成幾M,幾十M、幾百M的輕量級模型。輕量級模型對計算機硬件、網絡的要求較低，通過瀏覽器展示和應用時能有效避免原始模型加載時間過長、程序卡死或者系統崩潰等現象，提高模型的體驗性。作為數字化移交的載體和主要移交數據之一，水電工程BIM模型一般由地質、樞紐、廠房、機電等多專業模型組成，模型體量通常較大，難以適用于建設、管理等單位計算機硬件、網絡資源有限的應用環境。因此，在數字化移交過程中，應在充分保留模型幾何、屬性信息的原則下，盡可能壓縮模型體積，并在數字化移交系統建設時采用分層傳輸等技術進行模型加載和顯示，從而在保證良好應用效果的同時最大限度降低計算的硬件配置和網絡資源要求。

(2)多維度數據管理。數字化移交不同階段、不用參與方的應用場景各不相同，根據水電工程的特點，數字化移交數據應按照專業、部位和區域3種方式進行管理，以滿足不同工程階段、不同參與人員在不同業務中應用，實現工程全生命周期全過程信息高效傳遞和共享。

(3)智能化數據融合。數字化移交的核心是數據之間相關關聯、相互驅動，在進行數字化移交工作時，應通過智能抽取、關聯及分類等手段，快速建立數據之間的關聯管理，實現水電工程多維數據集成管理、融合鏈接和相互驅動，通過數據迭代和數據融合，保證數據完整、準確。

(4)可視化信息協同。數字化移交應通過三維可視化、體驗式信息交互，消除信息壁壘、提高溝通效率；通過模型、數據的基本操作，服務于工程全生命周期數據協調管理。

(5)開放性系統架構。數字化移交作為工程大數據的基礎，移交系統架構應有充分的開放性，既能通過底層數據對接實現對設計管理、PM、檔案等原始工程數據的自動獲取，又能通過與工程建設、運維期的各種信息化系統融合服務于工程全生命周期。

(6)大數據分析決策。數字化移交不但具備數據收集、數據管理和數據應用功能，還應具備數據分析和決策功能。通過數字化移交集中管理工程數據，形成包含海量信息的工程大數據。通過數據挖掘、處理和分析，實現工程信息快速獲取、工程狀態實時掌握、工程問題綜合分析。

(7)多終端應用支持。為滿足不同場景下工程數據的應用，數字化移交系統應支持個人計算機、平板電腦、手機、大屏等不同應用終端進行數據采集、數據展示、數據管理、數據應用，從而實現便捷、高效地工作。

(8)多措施安全保障。在數字化移交過程中，應采取多種措施保障數據安全。在數據管理方面，可通過建立統一數據中心，統一進行數據存儲、數據處理和數據共享等方式，保障數據安全。在數據應用方面，可通過權限管理、用戶身份驗證、數據加密等方式，確保數據安全。

3 水電工程全生命周期數字化移交應用

3.1 工程建設階段數字化移交應用研究

3.1.1 方案規劃及輔助決策

水電工程建設涉及水文、氣象、地質、勘探、環保、水保、移民、動植物保護等多種要素，專業性強、協作頻繁?；跀底只平黄脚_，制定基于空間地理信息的對象分解和編碼規則，進行規劃數據的統一存儲和管理。工程規劃階段，以現狀地質、地形及建筑物三維模型為載體統籌管理規劃數據，消除信息不對稱、專業間協作不緊密等產生的影響，實現可視化環境下規劃數據管理、工程規劃和方案決策。工程設計階段，以規劃數據管理為基礎，集成設計階段數據，在可視化環境下推敲、比選不同設計方案和不同建筑物的布置形式、不同建(構)筑物的銜接方式，輔助設計人員進行方案比選及設計優化。工程施工階段，以規劃、設計數據管理為基礎，在可視化環境下進行施工場地布置、進度管理、復雜施工及安裝工藝的模擬、仿真，輔助施工人員進行施工方案優化并進行科學決策(圖3)。

圖3 基于數字化移交的方案規劃及輔助決策Fig.3 Scheme planning and auxiliary decision based on digital delivery

3.1.2 碰撞分析

水電工程三維模型涉及地質、水工、機電等多個專業，不同專業之間的碰撞干涉問題眾多，且由此引起的消缺工作耗費大量的人力、物力資源?；跀底只平黄脚_，整合各專業三維設計模型，在三維虛擬環境下進行不同專業間的碰撞分析，提前消除設計缺陷，提高設計質量(圖4)。

圖4 基于數字化移交的多專業碰撞分析檢查Fig.4 Multi discipline collision analysis and inspection based on digital delivery

3.1.3 三維會審

會審是設計過程中的重要工作，是把控設計質量、消除專業間銜接障礙的主要手段之一?；跀底只平幌到y，利用三維模型作為多方會審的載體，可在會審過程中通過對三維設計成果進行漫游、測量、剖切等，并針對設計缺陷自動生成圖文并茂的會審清單，從而大大提高會審效率和會審質量(圖5)。

圖5 基于數字化移交的三維會審Fig.5 Three dimensional joint review based on digital delivery

3.1.4 施工交底

施工交底是工程建設過程中的重要環節，是施工人員了解工程特點、技術要求、施工工藝、工程難點、操作要點的主要工作。傳統以CAD平面圖為主的施工交底不夠直觀，難以精確表達復雜的施工工法、接底人與交底內容理解偏差等問題?；跀底只平幌到y，利用三維模型進行施工交底，通過漫游、截面剖切、方案工法模擬，使交底內容直觀、可視，有效提高交底內容的直觀性和精確度，消除接底人對交底內容理解的偏差，快速理解施工方案和操作要求，從而保證設計方案的順利實施(圖6)。

圖6 基于數字化移交的三維施工交底Fig.6 Three dimensional construction disclosure based on digital delivery

3.1.5 變更管理

受地形條件、地質條件的影響，水電工程施工過程中極易發生施工實際與規劃設計存在偏差的情況，變更管理工作異常繁重，竣工交付時也難免存在變更過程難以追溯、變更資料缺失、設計資料與實際工程不符等現象?；跀底只平幌到y，以BIM模型為載體動態管理施工過程中產生的相關數據，從而保證數據管理的完整性、及時性。當施工過程中出現實際地質條件與規劃設計不符等情況時，施工人員通過數字化移交系統將地質數據關聯至相關模型上，發出相關的設計變更申請；設計人員接收設計變更申請并對相關數據核實后，更新設計模型及相應的設計資料，并通過版本控制的方式進行管理。通過數字化移交系統進行施工過程中的變更管理，可實現從變更原因、變更申請到變更結果的全過程管理，提高變更過程中施工數據的準確性、完整性、及時性和可追溯性。

3.2 工程運維階段數字化移交應用研究

3.2.1 設備信息管理

水電站設備信息是設備維護保養的基礎，設備信息管理是運維管理工作的重要內容之一。設備信息管理既包括設備銘牌、設計、采購、制造加工、安裝調試、操作手冊等靜態信息管理，也包括設備巡檢、缺陷處理、保養、運行監控等動態信息，動態信息隨著設備運維累加漸進。遵循設備全生命周期管理理念，基于數字化移交系統，將設備信息關聯至相應的三維模型上，建立設備模型和設備信息之間的關聯關系，實現設備信息的一體化、集成化、可視化管理，在最短的時間內獲取最有價值的數據，從而節省人力、時間成本，提高運維管理效率(圖7)。

圖7 基于數字化移交的設備信息管理Fig.7 Equipment information management based on digital delivery

3.2.2 運維檔案管理

運維檔案是電站運維管理、事件追溯的重要依據。傳統以電子文件和紙質文件為主的檔案管理模式，需要耗費大量的人力、物力，數據重復、數據缺失等現象頻發，嚴重影響著運維檔案作用的發揮。基于數字化移交的運維檔案管理，從運維初期就考慮檔案數據在整個運維期的應用。參考相關規范標準，應用科學的檔案管理方法對數據內容、格式等進行標準定義，并對檔案數據進行結構化處理，保證運維檔案的完整性、有效性?；贐IM模型，將運維檔案信息進行附加、關聯。使用過程中，通過模型定位可快速獲取運維檔案信息，避免時間、人員變動等對運維檔案管理和應用的影響(圖8)。

圖8 基于數字化移交的運維檔案管理Fig.8 Operation and maintenance file management based on digital delivery

3.2.3 仿真模擬

水電站運維工作專業性強、操作復雜，操作不當會造成嚴重的生產事故，而培訓是運維人員掌握操作方法、預防操作事故的最主要途徑，傳統以視頻、文檔為主的培訓模式難以讓運維人員快速掌握運維操作要點及工藝流程?；跀底只平坏哪Ｐ汀祿纫平怀晒瑢㈦娬具\維過程中的運行流程、操作步驟、管理標準、工作票等以可視化形式表現出來，通過仿真模擬給運維人員提供一個沉浸式、交互式、標準化、和物理電站一一對應的虛擬化培訓操作環境，使運維人員熟練掌握運維操作要點，防止操作失誤(圖9)。

圖9 基于數字化移交的運行仿真模擬Fig.9 Operation simulation based on digital delivery

3.2.4 數據集成展示

常規的電廠運維管理系統都是各個應用系統獨立構建，導致各類自動化系統及管理信息系統接口不一致，使得系統的整體性和協調性不足，各類業務應用之間數據信息共享困難，業務流程之間無法形成有效互動，后續系統運維成本高，無法滿足集約化生產及運行管理的需求?；跀底只平怀晒?，在可視化環境下，集成水電站監測、監控等各系統數據，形成一個設備對應一個模型、一套數據、一個后臺數據庫、一個查詢系統的可視化數據集成展示系統，在三維可視化環境下實現數據的綜合展示、查詢、統計和分析，實現電廠生產、管理及運行的“一張圖”管理，從而提高運維管理效率(圖10)。

圖10 基于數字化移交的運維數據可視化集成管理Fig.10 Visual integrated management of operation and maintenance data based on digital delivery

4 結 論

(1)基于BIM的數字化移交，將割裂、分散、孤立的工程數據通過BIM模型統籌和關聯起來，能充分發揮數據在水電工程全生命周期管理中的應用價值；通過數據的集成展示、統計分析，為生產、管理提供決策依據，從而提高水電工程的建設管理水平。

(2)面向水電工程全生命周期的數字化移交，時間長、跨度大、參與方多，移交過程復雜而繁瑣。在進行基于BIM的水電工程數字化移交過程中，必須確定好移交內容、移交標準、移交平臺和移交團隊四項基本要素。

(3)基于BIM的數字化移交通過數據的集成化、結構化、可視化管理，實現了工程數據的互聯互通，為水電工程大數據應用奠定了基礎。隨著數據的不斷累積，應結合具體需求對數據進行挖掘、分析，為生產管理提供決策支持。