BIM技術(shù)在智慧水廠工程中的應(yīng)用研究
——以天津某水廠為例

魏園園

中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

BIM是Building Information Modeling的縮寫(xiě)，中文翻譯為建筑信息模型，該技術(shù)是通過(guò)創(chuàng)建并利用三維數(shù)字化模型對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理等過(guò)程進(jìn)行信息管理和優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)智慧化設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的重要技術(shù)手段[2]。

2014年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等8個(gè)部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中，要求全面提升電力、燃?xì)?、交通、水?wù)等公用基礎(chǔ)設(shè)施的智能化水平?！爸腔鬯畯S”的概念應(yīng)運(yùn)而生，即以應(yīng)用新一代信息技術(shù)為手段，結(jié)合監(jiān)測(cè)和感知設(shè)備并采用可視化的方式整合信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)、調(diào)度和服務(wù)等全方位、全過(guò)程各環(huán)節(jié)高度信息互通、反應(yīng)快捷、管理有序的高效節(jié)能型水廠[3]。相較于傳統(tǒng)水廠，智慧水廠對(duì)水廠工程建設(shè)期和運(yùn)維期的信息化和智能化技術(shù)應(yīng)用提出了更高的要求。BIM技術(shù)以三維模型為載體，可以在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管理中集成多維技術(shù)和管理信息，結(jié)合信息化平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的三維可視化展示，在智慧水廠的建設(shè)過(guò)程和運(yùn)維過(guò)程中可以發(fā)揮明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 項(xiàng)目概況

案例水廠位于天津市東麗區(qū)，總用地面積約為12萬(wàn)平方米，總建筑面積為2萬(wàn)平方米左右，日產(chǎn)水量為25萬(wàn)立方米，是對(duì)原一期水廠的擴(kuò)建工程。水源引欒水和江水，采用預(yù)處理、常規(guī)處理、深度處理（上向流炭吸附脈沖澄清池、中臭氧生物活性炭濾池、V型砂濾池）、污泥處理等工藝，新建凈水系統(tǒng)出水水質(zhì)滿足并優(yōu)于國(guó)家衛(wèi)生部頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006），出廠水濁度≤0.2NTU，年合格率≥95%。是天津市“十一五”發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)工程，是為天津?yàn)I海新區(qū)發(fā)展和工業(yè)戰(zhàn)略東移服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

2 建設(shè)期BIM應(yīng)用

2.1 BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)

本項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模大，建筑單體多，工藝流程復(fù)雜，設(shè)備管道系統(tǒng)多、安裝難度大，工程分包多，管理協(xié)調(diào)難度大。為解決以上建設(shè)和管理難題，本項(xiàng)目在施工階段采用BIM技術(shù)，并且由施工總承包單位搭建了BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)，基于該平臺(tái)進(jìn)行本項(xiàng)目的質(zhì)量管理、工期管理、安全文明施工管理、數(shù)字化竣工交付等工作，保證施工順利實(shí)施。BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)的基礎(chǔ)模塊如下表1所示：

表1 BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)功能模塊

2.2 建立BIM施工圖模型

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段采用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)出圖，各專業(yè)圖紙雖然經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)，但依然存在多處圖紙問(wèn)題。并且二維圖紙用線條進(jìn)行設(shè)計(jì)表達(dá)，當(dāng)空間比較復(fù)雜時(shí)，就難以表達(dá)清楚設(shè)計(jì)意圖，容易造成施工過(guò)程中的誤差，引起返工。在施工階段，施工單位按照業(yè)主要求，引入BIM技術(shù)，按照業(yè)主的BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)設(shè)計(jì)單位提供的施工圖紙進(jìn)行BIM三維可視化建模，在建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)和整理圖紙問(wèn)題，利用三維模型在BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)上進(jìn)行圖紙會(huì)審，幫助施工人員理解圖紙的設(shè)計(jì)意圖，消除因?qū)D紙理解不到位引起的返工。

本項(xiàng)目使用Revit 2020軟件，按照建筑單體進(jìn)行BIM建模，單體建筑內(nèi)分專業(yè)、分系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后按照鏈接的方式進(jìn)行模型整合。

基于廠區(qū)管道配色方案，創(chuàng)建廠區(qū)總圖BIM模型，直觀展示廠區(qū)管道與各個(gè)單體出戶管道連接關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，基于三維場(chǎng)景準(zhǔn)確表達(dá) 管井、閥門(mén)、流量計(jì)空間定位，直觀展示總圖管線布置。

BIM模型有利于實(shí)現(xiàn)多專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙的協(xié)同校核，，通過(guò)三維剖切也可分層或分功能區(qū)域展示工藝流程和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。應(yīng)用輕量化軟件將反應(yīng)沉淀池、活性炭濾池、泵站等復(fù)雜單體BIM模型進(jìn)行輕量化轉(zhuǎn)換，可方便項(xiàng)目各參建方在BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)上以第一人稱視角進(jìn)行建筑物內(nèi)部漫游，審核關(guān)鍵位置設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及構(gòu)件參數(shù)，復(fù)核構(gòu)筑物及設(shè)備管線標(biāo)高，檢查安裝凈空等。依靠BIM技術(shù)三維可視化的優(yōu)勢(shì)，業(yè)主能夠更準(zhǔn)確地理解設(shè)計(jì)意圖，提高審查和決策效率。如下圖1所示：

圖1 建筑內(nèi)部工藝細(xì)節(jié)漫游展示

2.3 碰撞檢查和管線綜合排布

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)協(xié)同采用圖紙參考的方式進(jìn)行圖紙間的協(xié)同設(shè)計(jì)，靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行問(wèn)題檢查和綜合管線排布，難免出現(xiàn)錯(cuò)漏碰缺等圖紙問(wèn)題。利用BIM技術(shù)則可以將各專業(yè)模型整合到一個(gè)三維軟件平臺(tái)上，運(yùn)行自動(dòng)碰撞檢查功能，可以更精準(zhǔn)、更快捷地進(jìn)行專業(yè)間碰撞檢查和設(shè)計(jì)糾錯(cuò)工作[4]。構(gòu)件和構(gòu)件之間的物理碰撞一般稱為“硬碰撞”，利用軟件就可以全部檢查出來(lái)；還有一類碰撞稱為“軟碰撞”，主要指雖然空間上沒(méi)有碰撞在一起，但是卻違反了設(shè)計(jì)規(guī)范、不利于空間利用，或者設(shè)計(jì)內(nèi)容缺失等。

本項(xiàng)目利用Revit軟件的碰撞檢查命令和Navisworks軟件的碰撞檢查命令進(jìn)行模型構(gòu)件的綜合碰撞檢查，共檢查出碰撞2000多處，經(jīng)協(xié)調(diào)解決后的重要問(wèn)題約40處。重大的圖紙問(wèn)題和專業(yè)間碰撞問(wèn)題整理成碰撞報(bào)告，作為設(shè)計(jì)變更的重要依據(jù)。

本項(xiàng)目基于各單體、各專業(yè)及廠區(qū)總圖BIM模型進(jìn)行機(jī)電管道、工藝管道綜合排布，在施工之前充分考慮設(shè)計(jì)規(guī)范、施工規(guī)范，解決管道之間的碰撞問(wèn)題。管線排布深化設(shè)計(jì)完成之后，以三維模型展示、圖片展示、導(dǎo)出軸側(cè)圖紙等三維可視化的形式向現(xiàn)場(chǎng)一線工作人員進(jìn)行技術(shù)交底，使工作人員能夠更加直觀、形象地了解施工內(nèi)容和步驟，避免因?qū)D紙理解失誤造成的工程質(zhì)量問(wèn)題，減少施工過(guò)程中的返工現(xiàn)象，為本工程施工節(jié)約工期20天左右。

2.4 工期4D模擬

本項(xiàng)目建筑單體多，施工分包多，在施工過(guò)程中各單體施工交叉面多，且室外管線布置比較復(fù)雜，工期緊張。本項(xiàng)目基于BIM的項(xiàng)目管理平臺(tái)的進(jìn)度管理模塊，利用BIM模型，結(jié)合工期計(jì)劃和工序安排，制作出工期4D模擬視頻，準(zhǔn)確反應(yīng)各單體、各專業(yè)施工計(jì)劃，為各施工單位安排具體的施工計(jì)劃提供了重要的參考價(jià)值。

2.5 智慧工地管理

為滿足施工現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工要求，本工程的BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)研發(fā)了智慧工地管理功能模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的人員管理、安全管理、環(huán)境管理、視頻監(jiān)控管理等功能，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)管理的工作效率。

2.6 數(shù)字化竣工驗(yàn)收

隨著工程建設(shè)的進(jìn)展和分部分項(xiàng)工程的驗(yàn)收，在BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)上分階段錄入各分部分項(xiàng)工程的建設(shè)信息、設(shè)備信息、調(diào)試報(bào)告等內(nèi)容，模型和數(shù)據(jù)、文檔可實(shí)現(xiàn)雙向關(guān)聯(lián)查看，最終形成數(shù)字化竣工模型，并基于BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)進(jìn)行本工程整體數(shù)字化移交，為水廠投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供了完備的數(shù)字化檔案和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

3 運(yùn)維期BIM應(yīng)用

本項(xiàng)目一期工程已建成并運(yùn)行多年，整體水廠基本條件較為良好，其運(yùn)維管理工作主要存在以下問(wèn)題：

（1）信息化程度低，系統(tǒng)之間不互通，管理與控制分離；

（2）數(shù)據(jù)缺乏有效的分析利用，難以為水廠的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)提供更為科學(xué)的決策支撐；

（3）設(shè)備資產(chǎn)臺(tái)賬式管理，較為依靠人工經(jīng)驗(yàn)，響應(yīng)式為主，主動(dòng)性薄弱。

（4）運(yùn)維不便捷，值班管理人工為主，運(yùn)行維護(hù)傳統(tǒng)紙質(zhì)方式。

在二期擴(kuò)建工程的運(yùn)維期，基于BIM竣工模型，結(jié)合運(yùn)營(yíng)單位運(yùn)維管理需求，運(yùn)用數(shù)字孿生理念和技術(shù)，構(gòu)建水廠數(shù)據(jù)底板，統(tǒng)一匯聚感知、運(yùn)行數(shù)據(jù)與BIM模型，進(jìn)行智慧水廠管理平臺(tái)定制開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠的三維展示、運(yùn)行模擬、狀態(tài)查看、實(shí)時(shí)管理、危險(xiǎn)預(yù)警等功能。系統(tǒng)采用模塊化微服務(wù)架構(gòu)，提供開(kāi)放性接口，便于后期拓展。系統(tǒng)以滿足水廠業(yè)務(wù)與生產(chǎn)為建設(shè)目標(biāo)，充分考慮經(jīng)濟(jì)適用，集中管理，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，信息安全，便于維護(hù)等需求，采用統(tǒng)一開(kāi)發(fā)部署，分級(jí)分權(quán)限使用的方式，利用AI技術(shù)賦能水廠管理運(yùn)營(yíng)。技術(shù)架構(gòu)如下圖2所示：

圖2 數(shù)字孿生水廠系統(tǒng)架構(gòu)

在智慧水廠運(yùn)維管理平臺(tái)中，BIM模型體現(xiàn)的作用和價(jià)值主要有以下幾方面：

（1）三維可視化?；贐IM引擎研發(fā)的智慧水廠運(yùn)維管理平臺(tái)，以三維可視化的方式展示水廠范圍內(nèi)所有單體建筑、設(shè)備、閥門(mén)儀表、工藝管道連接狀態(tài)等，相較于傳統(tǒng)管理平臺(tái)，更加形象、直觀地展示水廠的細(xì)節(jié)和工藝流程，便于工作人員理解和作為技術(shù)培訓(xùn)的有力手段。

（2）數(shù)據(jù)流無(wú)損傳遞。建設(shè)期竣工交付的數(shù)字化水廠模型，承載了水廠設(shè)計(jì)參數(shù)、建設(shè)安裝信息、設(shè)備銘牌信息、工藝設(shè)備管道信息等豐富的內(nèi)容。這些信息以模型為載體，通過(guò)構(gòu)件編碼和模型構(gòu)件輕量化處理，可以無(wú)損傳遞到智慧水廠運(yùn)維管理平臺(tái)上，保證了水廠數(shù)據(jù)的真實(shí)性、完整性、及時(shí)性。

（3）數(shù)據(jù)采集和分析的載體。BIM模型構(gòu)件是富含建設(shè)信息、運(yùn)維信息的，在智慧水廠運(yùn)維管理平臺(tái)上每一個(gè)BIM構(gòu)件都對(duì)應(yīng)真實(shí)水廠中的一個(gè)物理實(shí)體[5]。設(shè)備和閥門(mén)儀表在日常運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與智慧水廠平臺(tái)上的BIM構(gòu)件關(guān)聯(lián)，在BIM構(gòu)件屬性中可實(shí)時(shí)查看該設(shè)備采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)水廠智能分析模型處理后，將結(jié)果反饋到BIM構(gòu)件中，再反作用到物理水廠的設(shè)備和閥門(mén)儀表上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自控，提高運(yùn)維管理的自動(dòng)化程度和工作效率。

4 總結(jié)

水廠類工程單體多、管道交叉復(fù)雜、施工協(xié)調(diào)管理難度大，對(duì)于工程數(shù)字化、信息化程度要求高。本論文將BIM技術(shù)和BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)應(yīng)用于項(xiàng)目建設(shè)期全過(guò)程，以BIM模型作為智能化深化設(shè)計(jì)手段并開(kāi)展BIM技術(shù)應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量；并且基于BIM深化設(shè)計(jì)成果，結(jié)合BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智慧建造和管理。設(shè)計(jì)、施工階段所有的數(shù)據(jù)、信息均高度標(biāo)準(zhǔn)化和集成在數(shù)字化竣工模型中，為后期的智能化運(yùn)行、智慧化管理打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本工程運(yùn)維期基于BIM模型和數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)了智慧水廠運(yùn)維管理平臺(tái)，運(yùn)用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了BIM模型在運(yùn)維管理階段更大的應(yīng)用價(jià)值。

BIM技術(shù)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)水廠建設(shè)各個(gè)階段相對(duì)孤立信息傳遞模式，實(shí)現(xiàn)了以參數(shù)化的BIM模型，推動(dòng)智能化的施工建造，并助力于后期的智慧化運(yùn)維管理。隨著該智慧水廠建設(shè)步伐的加快，BIM技術(shù)也將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。