基于EIM技術(shù)的工程全生命周期數(shù)字化應(yīng)用研究

文｜舒磊 王雪

BIM(Building Information Modeling) 技術(shù)是Autodesk 公司在2002年率先提出，目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認可。我國電力協(xié)會為突出BIM 技術(shù)在電力工程全生命周期的應(yīng)用，將其含義升華為EIM（Engineering Information Modeling）。EIM 工程的內(nèi)涵就是利用各種信息技術(shù)、三維數(shù)字化技術(shù)組建一套涉及到設(shè)計、勘測、施工等階段的信息化項目管理模式。伴隨其技術(shù)推廣和應(yīng)用，EIM 工程全生命周期管理的理念在工程建設(shè)行業(yè)越來越得到廣泛認可。

EIM 技術(shù)助力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)相對成熟，其應(yīng)用前景在全球能源枯竭的背景下也越來越光明。風(fēng)電資源清潔無污染、安全可控，是一種優(yōu)質(zhì)的可再生新能源，分布式發(fā)電技術(shù)在我國已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。風(fēng)電場工程大多以工程承包為主要模式，精細化的工程管理是提高總承包工程附加值的最佳方法。利用EIM 技術(shù)能提高勘測設(shè)計的合理性及準確性，提高對工程項目的控制力，提高項目管理效率，增強企業(yè)競爭力。

圖1 關(guān)鍵技術(shù)示意圖

圖2 道路、風(fēng)機、實景融合進行道路路徑優(yōu)化選擇

EIM 是利用各種信息技術(shù)、三維數(shù)字化技術(shù)組建一套涉及到設(shè)計、勘測、施工等階段的信息化項目管理模式。風(fēng)電場工程大多以工程總承包為主要模式，精細化的工程管理是提高總承包工程附加值最佳的方法。利用EIM 技術(shù)能提高勘測設(shè)計的合理性及準確性，提高對工程項目的控制力，能增加團隊的溝通實現(xiàn)項目的精細化管理。在信息化管理日趨成熟的條件下甚至?xí)淖冺椖抗芾淼哪Ｐ停碌捻椖抗芾砟Ｊ綄⒂行У奶岣唔椖抗芾硇剩鰪娖髽I(yè)競爭力。

風(fēng)電場工程大多以工程承包為主要模式，在工程總承包業(yè)務(wù)中，工程管理普遍存在信息孤島、管理協(xié)同、資源配置等一系列問題。在精細化管理的理念指導(dǎo)下，充分利用三維數(shù)字化技術(shù)及信息化技術(shù)提高對工程項目的控制力，提高項目管理效率是主要目的。

以某風(fēng)電場項目為例，該項目在工程勘測、設(shè)計、協(xié)同、工程管理四個方面都應(yīng)用到了諸多三維數(shù)字化及信息化的關(guān)鍵技術(shù)。

勘測過程中使用的關(guān)鍵技術(shù)包括利用小型無人機攝影收集現(xiàn)場地形地貌的相片，通過實景建模技術(shù)利用相片計算生成風(fēng)電場區(qū)域地形地貌的實景模型。施工圖階段，使用了三角翼機載激光雷達收集更精確的激光點云地形數(shù)據(jù)。

設(shè)計過程中使用的關(guān)鍵技術(shù)包括利用實景模型構(gòu)建風(fēng)電場區(qū)域的地形地貌三維數(shù)字化模型，利用三維數(shù)字化模型技術(shù)建立道路、風(fēng)機、風(fēng)機基礎(chǔ)、升壓站等模型。

采購及工程管理過程中使用的關(guān)鍵技術(shù)包括4D 施工計劃、運輸及吊裝模擬、工程量統(tǒng)計、移動終端管控。

協(xié)同過程中使用的關(guān)鍵技術(shù)則包括平臺中軟件各個專業(yè)軟件的設(shè)計文件通過ProjectWise集中管理，便捷的滿足了工程協(xié)同設(shè)計以及設(shè)計過程管理。項目設(shè)計及管理中需要工程數(shù)據(jù)在各個設(shè)計團隊、項目管理、監(jiān)理等多個團隊交互使用，標(biāo)準格式i-model 幫助解決了不同格式數(shù)據(jù)信息貫通的難題。

新的關(guān)鍵技術(shù)是相對于以往在工程中的常規(guī)手段及技術(shù)而言，新技術(shù)采用的最終目的都是為提高效率、提高準確度、提高管控能力服務(wù)。

EIM 技術(shù)在路徑優(yōu)化選擇過程中的作用

進站道路路徑優(yōu)化選擇是項目初步設(shè)計過程中的重點。傳統(tǒng)設(shè)計方法一般是工程師采用等高線平面圖及正射影像為依據(jù)，憑經(jīng)驗選擇最佳路徑。傳統(tǒng)的工作方法因為是在“平面圖”上工作往往誤判地形的影響，導(dǎo)致后期發(fā)現(xiàn)路徑方案實施困難需要修改路徑。

在新的勘測設(shè)計方案中，使用了小型無人勘測攝影及實景建模。風(fēng)電場山地地形復(fù)雜且覆蓋面積大，為了準確高效的收集地形地貌數(shù)據(jù)，在此工程中使用了小型無人攝影，并使用相片通過實景建模技術(shù)計算生成實景模型。通過實踐總結(jié)，小型四旋翼無人機實地航飛拍攝相片可以看到人力不便到達的地方，大大節(jié)約人力和時間。現(xiàn)場勘測工作結(jié)束后，利用傾斜攝影技術(shù)計算航拍相片，生成三維實景模型。一方面能夠清晰的展示地形、地貌、地物，讓現(xiàn)實環(huán)境“一覽無遺”；另一方面還能現(xiàn)場收集最新數(shù)據(jù)，更為有效反映地形地貌的現(xiàn)狀。

道路路徑優(yōu)化選擇的過程中，利用三維地形進行道路設(shè)計。通過道路模型、風(fēng)機模型與實景地形模型的融合模擬工程環(huán)境，然后對道路路徑分析、比選，綜合評價之后選擇最優(yōu)化的路徑。通過此方法完成的初步設(shè)計能真實準確的反映工程區(qū)域的現(xiàn)況，選擇的路徑可靠性高，在后期施工圖設(shè)計中能大幅減少路徑修改的幾率，道路土方工程量的估算準確性相應(yīng)較高。在總承包工程中，提高了初步設(shè)計對施工圖階段及施工建造階段的支撐力度。

圖3 精細化設(shè)計，依據(jù)模型統(tǒng)計工程量

EIM 技術(shù)在施工圖設(shè)計過程中的作用

施工設(shè)計階段主要設(shè)計工作包括風(fēng)機檢修平臺、運輸?shù)缆贰L(fēng)機基礎(chǔ)、集電線路、升壓站。施工圖階段的重要目的就是支持施工的可實施性，提供準確的設(shè)計及數(shù)據(jù)方便施工階段的施工及質(zhì)量管控。傳統(tǒng)設(shè)計方法一般為“CAD 畫圖”，設(shè)計過程中道路土方、集電線路升壓站材料都難以精細化。

在研究道路精細化設(shè)計及土方核算的過程中，使用了三角翼機載激光雷達收集更精確的激光點云地形數(shù)據(jù)。地形高程模型是道路設(shè)計、檢修平臺設(shè)計的輸入條件之一，地形高程模型的精度直接影響到道路的精度及其土方工程量計算的精度。為了提高地形高程數(shù)據(jù)的精度，本工程施工圖階段采用機載激光雷達獲取激光點云地形高程模型，最終轉(zhuǎn)化為等高線地形以供設(shè)計。風(fēng)電場施工圖階段完成道路詳細設(shè)計；道路詳細設(shè)計包括：縱坡、橫坡及護坡。可以獲得直觀的三維道路模型，并能計算出道路施工的土方工程量，為施工投資控制提供了數(shù)據(jù)支持。

秉承精細化管理的理念，在工程設(shè)計中充分發(fā)揮三維數(shù)字化設(shè)計精細化的特點，通過三維模型把設(shè)計細化到“道路的放坡、風(fēng)機基礎(chǔ)的鋼筋、集電線路的電纜、升壓站的詳細布置”。精確的工程模型作為施工管控的依據(jù)，提供了數(shù)據(jù)，支持了量化控制，達到了精細化管理的要求，提高了工程的質(zhì)量。

EIM 技術(shù)在施工建造過程中的作用

施工建造階段主要控制內(nèi)容包括施工進度、工程造價、施工質(zhì)量，在管控過程中協(xié)調(diào)各個部門多團隊協(xié)同工作。

施工過程計劃為主軸，本項目中使用了4D工程計劃模型的技術(shù)。模型與甘特圖的時間計劃同步，模型采用不同顏色顯示工程的進展?fàn)顟B(tài)，便于管理者做出決策。

精確的工程模型作為施工管控的依據(jù)，為項目相關(guān)管理人員提供了數(shù)據(jù)，支持了量化控制，達到了精細化管理的要求，提高了工程的質(zhì)量。管控過程中利用Projectwise 協(xié)同、移動終端、三維模型等技術(shù)手段，提供了便利的協(xié)同。強大的協(xié)同能力進一步幫助設(shè)計團隊、施工管理團隊、監(jiān)理、工程管理團隊共同工作。通過施工團隊、監(jiān)理團隊采集道路施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)，反饋給設(shè)計團隊。通過三維模型及數(shù)據(jù)對比，控制質(zhì)量。不同顏色反應(yīng)工程狀態(tài)；紅色需要修改，藍色等待數(shù)據(jù)反饋，橘紅施工、校核已確認。

EIM 工程應(yīng)用的成效

通過風(fēng)電場總承包工程中利用EIM 的創(chuàng)新勘測設(shè)計、施工管理手段與傳統(tǒng)方法相比較體現(xiàn)了眾多優(yōu)勢。

EIM 工程的應(yīng)用優(yōu)點體現(xiàn)在各專業(yè)協(xié)同設(shè)計、方案展示、設(shè)計優(yōu)化、流程優(yōu)化、提高設(shè)計質(zhì)量、提升設(shè)計效率、減少設(shè)計返工、設(shè)計施工一體化、改善施工管理、縮短工期、降低工程總投資、提升工程控制力等多個方面。在某風(fēng)電工程中具體經(jīng)濟成效如下：

在設(shè)計階段，風(fēng)電工程項目采用三維數(shù)字化設(shè)計，各專業(yè)在統(tǒng)一的模型空間中進行協(xié)同設(shè)計對道路路徑進行優(yōu)化比選，完成道路詳細的設(shè)計，減少了人工設(shè)計校核的工作量，大幅提高設(shè)計效率；在施工過程中大大減少了施工返工率。據(jù)統(tǒng)計，有效避免了后期返工10 余處，節(jié)約項目投資50 萬余元。

項目采用三維模型完成電纜布置、電纜路徑規(guī)劃等工作，通過電纜模型與數(shù)據(jù)的支持，在統(tǒng)計電纜工程量時提供準確的數(shù)據(jù)，節(jié)約投資30 萬余元。

采用三維高程地形模型進行場地平整土方計算，并生成網(wǎng)格土方施工圖，提出最優(yōu)的土方施工方案。項目通過最優(yōu)的土方平衡方案，使挖方土在填方施工場地區(qū)域消化，減少土方外運。

圖4 可視化工程計劃模型

項目采用三維數(shù)字化設(shè)計進行了全廠建筑、結(jié)構(gòu)、水暖、道路地坪模型布置。利用模型進行地下管道及基礎(chǔ)碰撞檢測，在設(shè)計階段修改了16 處碰撞，提高了設(shè)計質(zhì)量。

EIM 技術(shù)在工程設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展的展望

EIM 技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域相比傳統(tǒng)設(shè)計“CAD畫圖”方法有著更豐富的技術(shù)手段，其關(guān)鍵技術(shù)包括構(gòu)建地形地貌實景三維數(shù)字化模型，建立工程三維數(shù)字化模型，協(xié)同設(shè)計、碰撞檢測、工程量統(tǒng)計等。

目前三維數(shù)字化設(shè)計大部分工作由工程師手動完成，效率有待提高，三維設(shè)計軟件的功能有很大提升空間。數(shù)據(jù)互通、設(shè)計規(guī)則定制、建模出圖自動化等手段的應(yīng)用將會使三維數(shù)字化設(shè)計從手動設(shè)計發(fā)展為自動化設(shè)計。

當(dāng)設(shè)計自動化階段完成后，基本已具有工程模型、數(shù)據(jù)、設(shè)計規(guī)則高度集成的三維軟件及工程數(shù)據(jù)庫。下一階段再深化研究工程輸入條件對設(shè)計方案及結(jié)果的影響，研究、提煉智能設(shè)計方法，使自動化設(shè)計提升到智能設(shè)計。當(dāng)技術(shù)達到智能設(shè)計階段將全面解放工程師的生產(chǎn)力，提高工程設(shè)計質(zhì)量和效率。

以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新技術(shù)革命正席卷全球，加速向經(jīng)濟社會各領(lǐng)域滲透融合，不斷催生新產(chǎn)品、新業(yè)務(wù)、新模式、新業(yè)態(tài)，深刻改變著個人生活、企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟運行、社會管理和公共服務(wù)。信息化技術(shù)包含大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)內(nèi)涵。

三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是地理信息系統(tǒng)、三維建模技術(shù)、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計成果移交技術(shù)的集成應(yīng)用。三維數(shù)字化模型具備關(guān)聯(lián)性、唯一性、溯源性等特征，三維數(shù)字化成果包含大量基礎(chǔ)信息，適合輔助從規(guī)劃設(shè)計到建設(shè)運行各階段的管理要求。

EIM 工程的研究應(yīng)用為信息化工程管理提供了基礎(chǔ)支持。三維數(shù)字化模型歸納到工程數(shù)據(jù)中心，可以對數(shù)據(jù)進行梳理和歸納。通過工程數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的支持，三維模型對工程的可視化，再配合項目管理系統(tǒng)可以形成一套可視化的項目管理系統(tǒng)。梳理項目管理信息系統(tǒng)應(yīng)包括以下內(nèi)容：項目綜合管理、合同管理、成本管理、資金管理、分包管理、進度管理、材料管理、機械設(shè)備管理、質(zhì)量管理、安全管理、技術(shù)資料管理、報表管理。最終融合成一套利用各種信息技術(shù)，涉及到設(shè)計、勘測、施工、運維等項目全生命周期各階段的信息化項目管理模式。

當(dāng)今，精細化的工程管理理念在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)達成共識。利用好信息化項目管理系統(tǒng)及三維數(shù)字化模型全生命周期管理的輔助，將能增強對工程的控制力，并達到工程管理精細化的目的。這種工程管理模式能儲存工程中的過程信息數(shù)據(jù)，并在經(jīng)驗積累的過程中，不斷地改進、完善工程管理信息系統(tǒng)，從而提高工程管理水平，提高企業(yè)競爭力。

圖5 道路施工管控過程示意圖