基于BIM的水電工程建設(shè)管理數(shù)字化應(yīng)用與研究

劉珊

摘 要：當前以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等IT技術(shù)驅(qū)動的企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型在各行各業(yè)蓬勃發(fā)展，對于傳統(tǒng)水電工程建設(shè)行業(yè)同樣經(jīng)歷著此項變革。以國內(nèi)某水電工程具體應(yīng)用為例，從數(shù)字化標準體系建立、BIM技術(shù)應(yīng)用、智慧工地建設(shè)、運營管理與移交等方面，提出水電工程建設(shè)管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型思路與實踐方法，為同類型項目的實施提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：水電工程;BIM技術(shù)應(yīng)用;水電工程;數(shù)字平臺;數(shù)字化轉(zhuǎn)型;設(shè)計施工管理

中圖分類號：TV512? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）09-0031-03

0 引言

近年來國家大力推進BIM技術(shù)在民用建筑、市政工程等業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用，積累了豐富應(yīng)用經(jīng)驗，形成相關(guān)的BIM應(yīng)用管理規(guī)范與工程數(shù)字化經(jīng)驗。水利水電工程領(lǐng)域BIM應(yīng)用經(jīng)過多年的發(fā)展也取得了一定的應(yīng)用成效，但由于水電工程受自然條件影響性大，季節(jié)性因素強，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機電設(shè)備多樣等因素，導(dǎo)致水電工程BIM技術(shù)應(yīng)用側(cè)重單一環(huán)節(jié)應(yīng)用整體性不強，總體應(yīng)用標準化程度不高。本文結(jié)合水電工程項目實際從應(yīng)用體系構(gòu)建、標準制定、BIM模型創(chuàng)建、數(shù)字化平臺建設(shè)與業(yè)務(wù)管理實踐等維度，對水電工程數(shù)字化應(yīng)用進行總結(jié)，以期望為同類項目提供借鑒參考。

1 水電工程建設(shè)管理數(shù)字化應(yīng)用整體思路

結(jié)合國內(nèi)某水電站機組擴機建設(shè)工程，基于GIS+BIM技術(shù)打造數(shù)字孿生的擴機工程，開展項目數(shù)字化管理與應(yīng)用，擴機工程建設(shè)規(guī)劃階段就提出將工程數(shù)字化貫穿項目設(shè)計、施工、安裝、調(diào)試、移交全過程管理。

通過前期業(yè)務(wù)調(diào)研及技術(shù)研究，項目明確了“先進、科學(xué)、經(jīng)濟、適用”的水電站擴機工程數(shù)字化建設(shè)管理體系，提出了“一套標準、一體模型、一個平臺、一個中心、N項數(shù)字應(yīng)用”的數(shù)字化建設(shè)應(yīng)用思路?！耙惶讟藴省奔礃?gòu)建一套以GIS+BIM信息模型應(yīng)用為核心的水電工程數(shù)字化標準體系;“一體化模型”即融合項目設(shè)計圖紙、報告，施工階段工程材料、驗收評定等過程管理信息于一體服務(wù)整體運營移交的BIM一體化模型;“一個平臺”即圍繞水電工程建設(shè)管理的統(tǒng)一的工程管控平臺;“一個中心”即基于水電工程BIM模型和業(yè)務(wù)管理應(yīng)用數(shù)據(jù)形成的統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心;“N項數(shù)字應(yīng)用”指服務(wù)水電工程建設(shè)過程進度、質(zhì)量、安全、驗評歸檔等業(yè)務(wù)管理的N項專業(yè)應(yīng)用。

2 標準體系的研究與構(gòu)建

近年來國家住建部等部門相繼發(fā)布《建筑工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》《建筑工程信息模型存儲標準》《建筑工程設(shè)計信息模型交付標準》《建筑工程設(shè)計信息模型分類和編碼標準》《制造工業(yè)工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標準》等BIM技術(shù)應(yīng)用標準，但是標準多服務(wù)房屋建筑領(lǐng)域，對水電工程業(yè)務(wù)領(lǐng)域的覆蓋性、針對性、專業(yè)性及適應(yīng)性支撐不足，為此結(jié)合水電工程實際建設(shè)特點和本項目業(yè)務(wù)管理范圍，從設(shè)計、施工及運營移交一體化角度出發(fā)，構(gòu)建一套水電工程數(shù)字化建設(shè)及技術(shù)應(yīng)用標準，為工程建設(shè)的BIM技術(shù)應(yīng)用及數(shù)字化實施提供技術(shù)統(tǒng)籌與應(yīng)用指導(dǎo)。

水利水電行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用起步較晚，技術(shù)方法尚在應(yīng)用探索中，2017年水利水電勘測設(shè)計協(xié)會結(jié)合水利水電行業(yè)特點和發(fā)展需求，發(fā)布水利水電BIM標準體系，為水利水電BIM技術(shù)應(yīng)用提供頂層設(shè)計和統(tǒng)一指導(dǎo)。受限于水利水電行業(yè)特點，在BIM標準體系框架下尚需結(jié)合項目實際進行標準細化與實際應(yīng)用落地，為此本項目從BIM技術(shù)應(yīng)用規(guī)范管理與建設(shè)實施管理兩個維度，構(gòu)建一套以BIM模型應(yīng)用為核心服務(wù)項目實際應(yīng)用的水電工程數(shù)字化標準體系。

項目實施過程中制定了技術(shù)規(guī)范類標準4份，分別為《水電工程BIM模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》《水電工程BIM模型分類與編碼標準》《水電工程建設(shè)階段BIM模型創(chuàng)建標準》《水電工程數(shù)字化交付成果標準》。實施管理類標準3份，分別為《基于BIM的水電工程進度管理標準》《基于BIM的水電工程質(zhì)量驗評標準》《基于BIM的水電工程檔案管理標準》，如圖1所示。項目標準體系服務(wù)設(shè)計與建設(shè)管理的融合，明確BIM模型的創(chuàng)建規(guī)則、數(shù)據(jù)編碼規(guī)劃，明確業(yè)務(wù)管控職責與數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式，服務(wù)項目整體管控。

3 三維一體化BIM模型

本項目按照設(shè)計、施工與移交三個階段BIM模型一體化的思路，進行BIM模型的創(chuàng)建與應(yīng)用。

3.1 設(shè)計階段

充分考慮電站區(qū)域地質(zhì)條件、移民安置條件、場內(nèi)外交通條件，利用Autodesk三維軟件進行工程區(qū)域建筑物總部布置，與廠房內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)備布置，完成勘測、地質(zhì)、土建、金結(jié)、水機、電氣、暖通、給排水等專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計與技術(shù)交底，以BIM技術(shù)進行設(shè)計，并基于BIM模型輸出圖紙成果[1]。BIM模型包含施工、安裝等重要信息，解決錯、漏、碰等協(xié)調(diào)溝通問題，避免多專業(yè)間的缺失設(shè)計、權(quán)責不清等情況，實現(xiàn)多專業(yè)的三維正向化設(shè)計，并為施工階段的模型應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

3.2 施工階段

BIM模型以設(shè)計階段模型為基礎(chǔ)，針對施工重難點部位及單元工程進行施工深化，指導(dǎo)現(xiàn)場施工與設(shè)備安裝，同時將實際施工過程中發(fā)生的設(shè)計變更、施工變更同步更新至模型內(nèi)，并按照單位工程、分部分項工程、單元工程的施工管理粒度關(guān)聯(lián)進度、質(zhì)量、安全、制造安裝等過程管理內(nèi)容，形成施工BIM模型，如圖2所示。

3.3 移交階段

移交階段的BIM模型延續(xù)設(shè)計施工模型，同時按照工程交竣工驗收的要求，將設(shè)計階段的圖紙、報告、計算書等[2]，施工階段的過程管理資料、質(zhì)量驗評資料、變更資料等與BIM模型的深度融合，形成完整的設(shè)計、施工一體化BIM模型，為后續(xù)電站的運營維護、設(shè)備保養(yǎng)提供數(shù)字孿生。

4 統(tǒng)一的數(shù)字化技術(shù)平臺

水電站數(shù)字化技術(shù)平臺需要完成電站擴機改建過程中業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等建設(shè)參與單位的多方管理在線協(xié)同與數(shù)據(jù)聯(lián)動。平臺具備日常業(yè)務(wù)過程管理、數(shù)據(jù)歸集匯總、業(yè)務(wù)操作分析等功能，對建設(shè)過程中質(zhì)量、進度、安全等業(yè)務(wù)進行有效管理。同時具備數(shù)據(jù)分析挖掘能力與關(guān)鍵指標展現(xiàn)等功能，將建設(shè)過程數(shù)據(jù)價值化，實現(xiàn)水電工程的數(shù)字化和智能化業(yè)務(wù)管控。

針對上述水電站擴建過程中的業(yè)務(wù)管理特點，數(shù)字化平臺包括（如圖3所示）：平臺展現(xiàn)層、應(yīng)用服務(wù)層、平臺服務(wù)層、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施層六層結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)標準體系和安全保障體系兩個組織保障體系。

4.1 平臺展現(xiàn)層

工程管控平臺以指揮大屏、移動應(yīng)用、PC應(yīng)用的方式向項目參與的多方提供系統(tǒng)應(yīng)用。

4.2 應(yīng)用服務(wù)層

服務(wù)工程實際管理的N項業(yè)務(wù)管理應(yīng)用，包括工程信息管理、施工數(shù)字化管控、工地智能監(jiān)管、工程驗收管理、數(shù)字檔案等應(yīng)用。

4.3 平臺服務(wù)層

基于微服務(wù)架構(gòu)，建立數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、流程引擎服務(wù)、數(shù)據(jù)交換服務(wù)、消息引擎服務(wù)、BIM輕量化服務(wù)、規(guī)則引擎服務(wù)、日志引擎服務(wù)、UI引擎服務(wù)、搜索引擎服務(wù)、模型可視化服務(wù)、智能表單服務(wù)、報表引擎服務(wù)、系統(tǒng)集成服務(wù)、定時任務(wù)服務(wù)、GIS可視化服務(wù)等基礎(chǔ)服務(wù)。滿足共享接入、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)加工處理、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用需求。

4.4 微服務(wù)網(wǎng)關(guān)

讓分布式部署在不同容器或服務(wù)器上的服務(wù)提供統(tǒng)一的標準的Rest風(fēng)格的API供外部應(yīng)用或者系統(tǒng)調(diào)用，并具備動態(tài)路由、服務(wù)鑒權(quán)、流量控制、日志記錄、鏈路跟蹤、負載均衡等功能。

4.5 數(shù)據(jù)服務(wù)層

對平臺涉及的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲管理并提供數(shù)據(jù)服務(wù)。結(jié)合水電工程管理的特征、基本方法和數(shù)字化需求，提出以BIM為工程數(shù)據(jù)核心的解決方案，按照工程類數(shù)據(jù)編碼規(guī)則，將工程分部分項與對應(yīng)細度匹配的工程BIM模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)“組織邏輯、施工形象、工程數(shù)據(jù)”的有機結(jié)合，進而整合工程領(lǐng)域所有相關(guān)數(shù)據(jù)，建立集中納管、數(shù)據(jù)統(tǒng)一、交互共享、服務(wù)靈活的工程數(shù)據(jù)中心，支撐上層各類數(shù)字化應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)與實現(xiàn)。

4.6 基礎(chǔ)設(shè)施層

采用云基礎(chǔ)設(shè)施資源及服務(wù)，主要包括云平臺提供的計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源和安全資源等，同時具備彈性可擴展的應(yīng)用部署特點。

4.7 數(shù)據(jù)標準體系

參考項目構(gòu)建的一套標準體，明確平臺架構(gòu)各層建設(shè)與管理相關(guān)標準規(guī)范，包括子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口與信息描述規(guī)范要求、數(shù)據(jù)傳輸標準、數(shù)據(jù)編碼標準、BIM輕量化應(yīng)用標準、數(shù)據(jù)管理標準、數(shù)據(jù)采集標準、功能設(shè)計與開發(fā)規(guī)范等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)的有效耦合。

4.8 安全保障體系

包括信息安全建設(shè)和系統(tǒng)運維保障，信息安全建設(shè)遵循網(wǎng)絡(luò)安全法、電力安防及信息安全的相關(guān)要求與技術(shù)措施;系統(tǒng)運維保障配套建立維持正常運轉(zhuǎn)和持續(xù)改進的運維機制。

5 面向交付的數(shù)據(jù)中心

基于BIM模型和業(yè)務(wù)管理應(yīng)用形成面向運營交付的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，將BIM 模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)構(gòu)建的“平臺功能+數(shù)據(jù)集合”的移交方案。通過電站設(shè)備實體構(gòu)建與工程 BIM 模型、施工數(shù)據(jù)、工程檔案、施工數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，使得主體工程的三維信息模型與各種文檔資料一一對應(yīng)，得到與工程電站實體配套的“數(shù)字孿生”工程，這是一個完整的、準確的、數(shù)據(jù)可調(diào)用、可融合的數(shù)字化電站，進而實現(xiàn)面向工程交付的工程數(shù)字中心。

6 N項數(shù)字化業(yè)務(wù)管理應(yīng)用

基于統(tǒng)一的數(shù)字化管理平臺，水電站擴機工程的設(shè)計施工管理，構(gòu)建工程信息管理、設(shè)計管理、施工數(shù)字管控、智慧工地、數(shù)字檔案等N項業(yè)務(wù)管理應(yīng)用。

6.1 工程信息管理

以 BIM 模型為基礎(chǔ)，建立以工程建設(shè)為主線、以各參建單位的業(yè)務(wù)處理與信息溝通為核心的工程信息管理體系，覆蓋工程建設(shè)全過程的流程化、網(wǎng)絡(luò)化、標準化的管理。工程信息具體包括工程建設(shè)的基本信息、開工前準備、報批手續(xù)、項目建設(shè)狀態(tài)、行業(yè)政策法規(guī)、參建方公文協(xié)同等，通過工程信息動態(tài)管理，實現(xiàn)工程狀態(tài)描述、參建方溝通協(xié)同、信息數(shù)據(jù)共享和整體動態(tài)控制。

6.2 施工數(shù)字管控

在 BIM 設(shè)計的基礎(chǔ)上，深化 BIM 在施工建設(shè)過程中的應(yīng)用，從投資、進度、質(zhì)量、安全及環(huán)保五個方面強化管控，將業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理四方納入統(tǒng)一管理，貫穿設(shè)計、施工、安裝、調(diào)試、移交的全過程，協(xié)調(diào)參建各方的關(guān)系。同時基于5G等移動通信技術(shù)，通過手機App進行現(xiàn)場線上管理，進而實現(xiàn)工程精細化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和可視化的“五控四維一協(xié)調(diào)”目標。

6.3 工地智能監(jiān)管

聚集部署在工地的人員定位、門禁、消防、特種設(shè)備、環(huán)境等系統(tǒng)的監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)，以 BIM 施工模型為信息載體，融合 GIS、5G、IoT、移動應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘、圖像智能分析等技術(shù)，開發(fā)各類高級應(yīng)用與功能模塊，實現(xiàn)工地“人、機、物、料、環(huán)”全要素、“挖、澆、輸、爆、吊”等作業(yè)全過程的即時感知、實時可視、安全在控、環(huán)境保護的工地智能監(jiān)管。

6.4 數(shù)字檔案

按照工程檔案登記、檔案接收、檔案預(yù)驗收審核、整理組卷上架的檔案管理過程構(gòu)建工程數(shù)字檔案，依托可視化BIM模型實現(xiàn)項目從立項、設(shè)計、施工、驗收全過程文檔資料數(shù)字管理，通過BIM模型的任意一個構(gòu)建可以查詢出設(shè)計之初的比選方案，設(shè)計圖紙，變更記錄，施工過程，驗收評定，運維養(yǎng)護等過程信息，同時具備關(guān)鍵字、編碼、工程部位、專業(yè)、整編單位、二維碼等多維度查詢條件，實現(xiàn)工程檔案按時整編歸檔提醒、在線瀏覽和電子檔案借閱輸出等多維度管理。

7 結(jié)語

基于BIM的水電工程建設(shè)管理強化過程管理，注重建設(shè)階段各參與方的及時性、準確性、完整性與集成性，通過“一套標準、一體模型、一個平臺、N項數(shù)字應(yīng)用”的管理體系建設(shè)與應(yīng)用，形成一整套的基于BIM的水電工程建設(shè)管理方案。該方案明確項目建設(shè)過程中各參與方的管理要素與管控職責，構(gòu)建了基于BIM模型的“五控四維一協(xié)調(diào)”創(chuàng)新業(yè)務(wù)管理模式，并通過數(shù)字孿生的水電工程模型，將項目前期及建設(shè)過程信息得到完整記錄與可視化查詢，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)與實際工程的完整性與一致性，同時為項目整體移交與后續(xù)運維管理提供支撐。寄望此方案能為同類水電工程BIM技術(shù)的應(yīng)用與項目管理提供參考與借鑒，促進水電工程建設(shè)行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 楊遠豐.全面BIM正向設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)與管理[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2021（10）：1-11.

[2] 汪再軍，周迎.基于BIM的建設(shè)工程竣工數(shù)字化交付[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2021（8）：13-22.