基于BIM技术的水厂智慧化构建与运行

王如华 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 副总工程师

　　水务管理是城市管理的重要组成部分，智慧水务是智慧城市建设的必然延伸。当前，以物联网、移动互联网、人工智能技术为代表的新一代信息技术正在带来第三次信息技术革命，信息技术正在与城市基础设施相融合、与城市的管理运行系统相融合、与市民的生活和企业的运行相融合，创造出原来难以想象的城市和生活新形态。

　　对于水务工作而言，智慧化的着力点应落实于水务工作的各个环节，在底层数据感知、数据分析智能化的基础上，贯通数据传输，全面实现业务环节、服务环节、管理环节、决策环节的数字化管理和决策，以及水务建设全生命周期——规划、设计、施工、运维的数字化管理。

　　简而言之，智慧水务系统总体框架的底层是数据感知层，包括传统的计量设备、监测设备、传感器等各种监测体系，以及基于传感器技术、RFID无线射频技术、智能识别技术、物联网技术等构建而成的强大的数据获取体系；顶层是我们的用户层，主要是在丰富的数据支撑体系下，基于互联网、大数据技术，面向用户的各种智能应用；中间层是基于数据传输、集成、分析、存储技术构建而成面向业务的自动控制体系和智能应用体系。

　　从孤立的各个层次来讲，传统上我们行业也有不少这些方面的应用，有大量的软件企业为行业开发了许多应用软件，但是在行业的应用平台整合方面，由于缺乏统一的架构，导致我们的应用大多属于“孤岛应用”。我们面临的任务就是要将这些孤岛打通、连接、整合，使水务行业的信息化变得更智慧。

   BIM技术在市政行业的应用起步得相对较晚。虽然目前标准匮乏、软件壁垒在一定程度上阻碍了BIM技术的发展，但经过近年来的实践和研究，对BIM的内涵、价值一般都有统一的认知。

　　美国国家BIM标准对BIM进行了四个层次的阐述，数字表达指的是形体层次，共享资源指的是信息层次，而决策过程和协同作业指的是工程管理的过程。国内学者也有类似的表述，将BIM分解为产品模型、过程模型和决策模型。

　　通俗而言，BIM就是辅助工程管理的工具和过程。它依靠一系列的软件采用协作的方式打造数字模型和归集工程信息，对BIM的最有效使用落实在对信息的使用上，如何在工程各阶段有效收集、录入、分析、提取、修改、传递信息才是最重要的。而三维形体本身是次要的，形体只是信息的载体。

　　这幅图是国际BIM发展联盟（building Smart）在其《BIM实施指南》中总结的25种BIM应用。它按照建设工程的不同阶段，分别对每种应用点进行了描述，并介绍了其潜在价值、资源需求、实施团队技能需求、实施流程等。我们国家在BIM的应用过程中，还发展了一些其他应用，比如施工进度控制、设备与材料管理等，也就是现在常说的4D-BIM、5D-BIM。从这幅图里也可以看到，BIM在规划、设计阶段的应用比较成熟和明确，在运维阶段的价值还有待不断探索和挖掘。

　　前面提到，对于智慧水务来说，是要消除“孤岛应用”。BIM的最大价值也在于通过信息技术，把业主、设计、施工、监理、分包商等整合到一个协同平台上来，降低信息不畅带来的额外支出和成本，减少信息孤岛。

　　对于设计阶段来讲，应用BIM的直接好处就是设计可视化，以及由此带来沟通便捷、高效。施工阶段如果很好的利用和深化BIM模型，能够事先在计算机里模拟建造过程，提前发现各种冲突和错误，这也是当前施工单位应用BIM技术的最大动力。最终我们把设计阶段、施工阶段的所有信息整合在一起的模型，就为我们运营维护带来了各种可能性，这其实就是将工程建设全生命周期的资料统一化、数字化。

　　项目前期策划阶段对整个建筑工程项目的影响是很大的。前期策划做得好，随后进行的设计、施工就会进展顺利；而前期策划做得不好，将会对后续各个工程阶段造成不良的影响。项目的前期应用BIM，使项目所有利益相关者能够早一点在一起参与项目的前期策划，让每个参与方都可以及早发现各种问题并做好协调。BIM在项目前期可以进行的工作有很多，包括：现状建模与模型维护、场地分析、土石方平衡计算、布置方案必选等，甚至于如右边这张图所示的，对于厂区现状拆迁、施工平整、建成后的各个阶段都可以整合在一个模型里，模型沿时间跨度上进行了整合。

 BIM最早的应用就是在设计阶段，然后再扩展到工程建设的其他阶段。对于水厂来说，各个设计阶段、各个不同专业的模型都可以进行整合，需要详细表达的节点可以进行更为精细的建模。在构筑物模型、厂区模型完备的基础上，可以完成设备材料的自动统计、二维图纸的剖切生成、管道系统的区分、设计信息的记录。模型的精细度国际上一般分为五级，对于设计而言，第三级模型细致度即满足施工图的设计要求。

 BIM在设计阶段的另一项好处就是为协同设计开辟了广阔的前景，使不同专业的、甚至是身处异地的设计人员都能够通过网络在同一个BIM模型上展开协同设计，使设计能够协调地进行。

　　最基本的设计优化就是对各专业的模型进行协调整合、检查冲突。以往应用二维绘图软件进行设计，平、立、剖各种视图之间不协调、各专业设计图纸之间不协调的事情时有发生。由于BIM的三维特性和可视化特性，可以很方便的进行各专业间的设计协调。比如建筑结构和工艺管道设备间的冲突检查，都可以出具详细的报告。      

　　除了做好设计协调之外，由于BIM模型中包含的各种构件详细信息，也可以为性能分析提供条件，比如CFD分析、结构有限元分析、风场分析、噪声场分析、日照分析等，而且这些分析都是可视化的。通常各种BIM软件都提供了良好的交换数据功能，只要将模型中的数据通过一定格式输入到相关的分析软件中，能够很快地得到分析结果。

　　在工程项目建设中，尤其是大型项目，不确定因素很多，施工的工序搭接、进度安排，资源调度安排等等往往存在着众多矛盾，施工单位通过BIM模型可在项目施工之前预先模拟项目施工过程，提前将可能出现的问题找出并加以解决，保证项目的顺利进行，保证工期的同时也节约了返工等带来的不必要成本。因此施工企业对于应用新技术、新方法来减少错误、浪费，消除返工、延误，从而提高劳动生产率，带动利润的上升的积极性是很高的。      

 BIM在施工阶段可以有如下多个方面的应用：三维协调/管线综合、深化设计、场地使用规划、施工系统设计、施工进度模拟、施工组织模拟、数字化建造、施工质量与进度监控、物料跟踪等。

　　前面提到，BIM真正的价值在于消除信息孤岛，消除工程参与方的信息传递障碍。设计的协同建模还只是在设计院内部的协同，基于BIM工作应用流程，构建协同平台，有助于业主、设计、施工真正的在一个平台上工作，在各自的权限内对项目进度进行管理，对项目状态进行监控，对人员权限进行控制，以及对项目建设过程中的各种流程进行数字化管理。当前，基于BIM的协同管理平台很多单位都有尝试，要真正地发挥效用，需要业主单位在BIM实践中发挥主导作用。

　　运营阶段则是工程实体发挥功能和全生命周期中最长的阶段，这个阶段的管理工作同样非常重要。BIM服务于运维，已经发展成为一个相对独立的研究方向，BIM和设施管理相结合的研究越来越受到关注，这也正是智慧水务建设的一个重要方面，即对供水设施的运营进行科学化的管理。    

   BIM竣工模型能够实际反映工程实体的最终状态，以及包含全过程的信息记录，结合BIM的天然特性，发挥其三维体验、视觉化管理、信息集成交互三方面的优势，能够帮助我们开发出服务于各种目标的管理平台。这六个应用点是我院结合BIM技术开发的信息管理平台雏形，更多的应用价值有待进一步研究挖掘。

　　基于BIM模型开发的最直接应用就是利用其可视化特性，在管理平台中加入三维交互式的漫游体验，将工程实体场景在计算机中呈现，漫游线路也可以分为预设模式和人机交互模式。由于是基于网页和数据库，这种应用为工程实体展示、上岗培训、以及后续的各种应用提供了技术基础。

　　既然BIM模型包含了完整的设计、建造和运营信息，那么我们就可以按需对设备、管道等的基础资料进行查询，比如选中三维视图中的某个阀门，平台自动检索出该阀门的生产厂家、安装时间、备品备件等信息；同时我们可以对设备的信息进行更改和更新，比如增加一条检修记录，数据库会自动同步，保证平台信息的即时性和有效性。

　　除了基本的设备信息之外，还可以将设计、施工、安装过程中相关技术文档与工程实体关联，让相关的信息和资料都通过三维模型建立联系，避免工程资料的分散存储、查找不便。如图对某台水泵可一键索引其水泵基础设计图、水泵安装技术文档等。从某种程度上讲，这才是达成了将工程所有信息集成在一起的目的。

　　除了可以通过三维模型查询其附属信息外，我们有时也需要根据提供的一部分信息反向定位三维模型，从而查找更多的相关信息。比如通过提供的设备号，我们可以快速定位该设备的空间位置，并即时切换视角。这为生产运行过程中的故障应急响应提供了技术基础。

　　在BIM模型中我们可以采用与实际工程实体相似的处理方式，对不同的管道系统进行着色区分。更优越的是，我们可以单独的亮显某一管道系统，更清楚地浏览管道走向和功能，甚至可以采集监测信息，将管内的介质信息反映到BIM模型中来。如此我们的BIM模型不仅可以显示工程建设的静态信息，也能显示运行阶段的动态信息。

　　和前面管道系统一样，对于设备运行的动态信息，也可以将它和BIM模型相关联，进行动态显示。

　　除了运维管理平台可以利用BIM的一些优势之外，在我们的业务培训上，BIM也有崭露头角的机会。通过在计算机中将常规的操作进行流程化模拟，采用人机交互的方式对技术人员进行岗前培训，运用类似于沙盘推演的方式使技术人员掌握实际操作的技能。      

对于常规的检修维护工作，还可以事先利用模型进行人体工程学的力学仿真、操作时的视距仿真，为维修人员、巡检人员的安全保障提供技术依据。

　　众所周知，3S技术是数字城市的技术基础之一，其中GIS技术更是根本。在智慧水务的建设中，BIM也同样可以和GIS相结合，并且两者的结合已经成为了BIM应用研究的新课题。即通过建筑内部与外部空间信息的结合以支持进行多种类型的应用分析，例如结构设计需要地质资料信息，节能设计需要气象资料信息，而这些数据可以借助GIS得到。反过来，通过BIM和GIS的集成，BIM可以给GIS环境带来了更多的信息，从而扩展GIS的应用，提升GIS的应用水平。

　　过去50年我们看到了全球技术的飞速发展，在此期间各个行为业都已经通过创新提高了效率，尤其是先进制造业。工程建造行业的发展相对来讲要缓慢很多，有很多环节还依赖于传统的工艺和管理手段，在针对大型、复杂的现代化项目时显得力不从心。制造业和建筑工程行业有很多相似之处，现在，建筑业的先锋正借鉴制造业的经验，把先进制造业的知识和数字化技术往工程建造行业迁移，比如“建筑工业化”已经成了当下最火热的关键词之一。

　　虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）技术的兴起，给工程建设领域带来梦幻般的可能性，在科幻片里看到的场景正在逐步变成现实。现在已经有厂商借助混合现实眼镜开发出基于BIM模型的应用，设计师将BIM模型文件导入MR眼镜，将模型直接投射到真实场景中，在增强现实的环境下查看设计，甚至于修改、重构设计稿，设计所见即建造所得，实实在在地缩小数字和物理之间的差距。