基于BIM技術(shù)的水廠智慧化構(gòu)建與運行
王如華 上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司 副總工程師
對于水務(wù)工作而言，智慧化的著力點應(yīng)落實于水務(wù)工作的各個環(huán)節(jié)，在底層數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)分析智能化的基礎(chǔ)上，貫通數(shù)據(jù)傳輸，全面實現(xiàn)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)、服務(wù)環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)、決策環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理和決策，以及水務(wù)建設(shè)全生命周期——規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維的數(shù)字化管理。BIM技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用起步得相對較晚。雖然目前標(biāo)準(zhǔn)匱乏、軟件壁壘在一定程度上阻礙了BIM技術(shù)的發(fā)展，但經(jīng)過近年來的實踐和研究，對BIM的內(nèi)涵、價值一般都有統(tǒng)一的認(rèn)知。通俗而言，BIM就是輔助工程管理的工具和過程。它依靠一系列的軟件采用協(xié)作的方式打造數(shù)字模型和歸集工程信息，對BIM的最有效使用落實在對信息的使用上，如何在工程各階段有效收集、錄入、分析、提取、修改、傳遞信息才是最重要的。而三維形體本身是次要的，形體只是信息的載體。報告中，上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司王如華副總工程師按照工程建設(shè)階段簡述了BIM在智慧水廠中的應(yīng)用。
水務(wù)管理是城市管理的重要組成部分，智慧水務(wù)是智慧城市建設(shè)的必然延伸。當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù)正在帶來第三次信息技術(shù)革命，信息技術(shù)正在與城市基礎(chǔ)設(shè)施相融合、與城市的管理運行系統(tǒng)相融合、與市民的生活和企業(yè)的運行相融合，創(chuàng)造出原來難以想象的城市和生活新形態(tài)。
對于水務(wù)工作而言，智慧化的著力點應(yīng)落實于水務(wù)工作的各個環(huán)節(jié)，在底層數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)分析智能化的基礎(chǔ)上，貫通數(shù)據(jù)傳輸，全面實現(xiàn)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)、服務(wù)環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)、決策環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理和決策，以及水務(wù)建設(shè)全生命周期——規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維的數(shù)字化管理。
簡而言之，智慧水務(wù)系統(tǒng)總體框架的底層是數(shù)據(jù)感知層，包括傳統(tǒng)的計量設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、傳感器等各種監(jiān)測體系，以及基于傳感器技術(shù)、RFID無線射頻技術(shù)、智能識別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等構(gòu)建而成的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取體系；頂層是我們的用戶層，主要是在豐富的數(shù)據(jù)支撐體系下，基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，面向用戶的各種智能應(yīng)用；中間層是基于數(shù)據(jù)傳輸、集成、分析、存儲技術(shù)構(gòu)建而成面向業(yè)務(wù)的自動控制體系和智能應(yīng)用體系。
從孤立的各個層次來講，傳統(tǒng)上我們行業(yè)也有不少這些方面的應(yīng)用，有大量的軟件企業(yè)為行業(yè)開發(fā)了許多應(yīng)用軟件，但是在行業(yè)的應(yīng)用平臺整合方面，由于缺乏統(tǒng)一的架構(gòu)，導(dǎo)致我們的應(yīng)用大多屬于“孤島應(yīng)用”。我們面臨的任務(wù)就是要將這些孤島打通、連接、整合，使水務(wù)行業(yè)的信息化變得更智慧。
BIM技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用起步得相對較晚。雖然目前標(biāo)準(zhǔn)匱乏、軟件壁壘在一定程度上阻礙了BIM技術(shù)的發(fā)展，但經(jīng)過近年來的實踐和研究，對BIM的內(nèi)涵、價值一般都有統(tǒng)一的認(rèn)知。
美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)對BIM進(jìn)行了四個層次的闡述，數(shù)字表達(dá)指的是形體層次，共享資源指的是信息層次，而決策過程和協(xié)同作業(yè)指的是工程管理的過程。國內(nèi)學(xué)者也有類似的表述，將BIM分解為產(chǎn)品模型、過程模型和決策模型。
通俗而言，BIM就是輔助工程管理的工具和過程。它依靠一系列的軟件采用協(xié)作的方式打造數(shù)字模型和歸集工程信息，對BIM的最有效使用落實在對信息的使用上，如何在工程各階段有效收集、錄入、分析、提取、修改、傳遞信息才是最重要的。而三維形體本身是次要的，形體只是信息的載體。
這幅圖是國際BIM發(fā)展聯(lián)盟（building Smart）在其《BIM實施指南》中總結(jié)的25種BIM應(yīng)用。它按照建設(shè)工程的不同階段，分別對每種應(yīng)用點進(jìn)行了描述，并介紹了其潛在價值、資源需求、實施團(tuán)隊技能需求、實施流程等。我們國家在BIM的應(yīng)用過程中，還發(fā)展了一些其他應(yīng)用，比如施工進(jìn)度控制、設(shè)備與材料管理等，也就是現(xiàn)在常說的4D-BIM、5D-BIM。從這幅圖里也可以看到，BIM在規(guī)劃、設(shè)計階段的應(yīng)用比較成熟和明確，在運維階段的價值還有待不斷探索和挖掘。
前面提到，對于智慧水務(wù)來說，是要消除“孤島應(yīng)用”。BIM的最大價值也在于通過信息技術(shù)，把業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理、分包商等整合到一個協(xié)同平臺上來，降低信息不暢帶來的額外支出和成本，減少信息孤島。
對于設(shè)計階段來講，應(yīng)用BIM的直接好處就是設(shè)計可視化，以及由此帶來溝通便捷、高效。施工階段如果很好的利用和深化BIM模型，能夠事先在計算機(jī)里模擬建造過程，提前發(fā)現(xiàn)各種沖突和錯誤，這也是當(dāng)前施工單位應(yīng)用BIM技術(shù)的最大動力。最終我們把設(shè)計階段、施工階段的所有信息整合在一起的模型，就為我們運營維護(hù)帶來了各種可能性，這其實就是將工程建設(shè)全生命周期的資料統(tǒng)一化、數(shù)字化。
項目前期策劃階段對整個建筑工程項目的影響是很大的。前期策劃做得好，隨后進(jìn)行的設(shè)計、施工就會進(jìn)展順利；而前期策劃做得不好，將會對后續(xù)各個工程階段造成不良的影響。項目的前期應(yīng)用BIM，使項目所有利益相關(guān)者能夠早一點在一起參與項目的前期策劃，讓每個參與方都可以及早發(fā)現(xiàn)各種問題并做好協(xié)調(diào)。BIM在項目前期可以進(jìn)行的工作有很多，包括：現(xiàn)狀建模與模型維護(hù)、場地分析、土石方平衡計算、布置方案必選等，甚至于如右邊這張圖所示的，對于廠區(qū)現(xiàn)狀拆遷、施工平整、建成后的各個階段都可以整合在一個模型里，模型沿時間跨度上進(jìn)行了整合。
BIM最早的應(yīng)用就是在設(shè)計階段，然后再擴(kuò)展到工程建設(shè)的其他階段。對于水廠來說，各個設(shè)計階段、各個不同專業(yè)的模型都可以進(jìn)行整合，需要詳細(xì)表達(dá)的節(jié)點可以進(jìn)行更為精細(xì)的建模。在構(gòu)筑物模型、廠區(qū)模型完備的基礎(chǔ)上，可以完成設(shè)備材料的自動統(tǒng)計、二維圖紙的剖切生成、管道系統(tǒng)的區(qū)分、設(shè)計信息的記錄。模型的精細(xì)度國際上一般分為五級，對于設(shè)計而言，第三級模型細(xì)致度即滿足施工圖的設(shè)計要求。
BIM在設(shè)計階段的另一項好處就是為協(xié)同設(shè)計開辟了廣闊的前景，使不同專業(yè)的、甚至是身處異地的設(shè)計人員都能夠通過網(wǎng)絡(luò)在同一個BIM模型上展開協(xié)同設(shè)計，使設(shè)計能夠協(xié)調(diào)地進(jìn)行。
最基本的設(shè)計優(yōu)化就是對各專業(yè)的模型進(jìn)行協(xié)調(diào)整合、檢查沖突。以往應(yīng)用二維繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計，平、立、剖各種視圖之間不協(xié)調(diào)、各專業(yè)設(shè)計圖紙之間不協(xié)調(diào)的事情時有發(fā)生。由于BIM的三維特性和可視化特性，可以很方便的進(jìn)行各專業(yè)間的設(shè)計協(xié)調(diào)。比如建筑結(jié)構(gòu)和工藝管道設(shè)備間的沖突檢查，都可以出具詳細(xì)的報告。
除了做好設(shè)計協(xié)調(diào)之外，由于BIM模型中包含的各種構(gòu)件詳細(xì)信息，也可以為性能分析提供條件，比如CFD分析、結(jié)構(gòu)有限元分析、風(fēng)場分析、噪聲場分析、日照分析等，而且這些分析都是可視化的。通常各種BIM軟件都提供了良好的交換數(shù)據(jù)功能，只要將模型中的數(shù)據(jù)通過一定格式輸入到相關(guān)的分析軟件中，能夠很快地得到分析結(jié)果。
在工程項目建設(shè)中，尤其是大型項目，不確定因素很多，施工的工序搭接、進(jìn)度安排，資源調(diào)度安排等等往往存在著眾多矛盾，施工單位通過BIM模型可在項目施工之前預(yù)先模擬項目施工過程，提前將可能出現(xiàn)的問題找出并加以解決，保證項目的順利進(jìn)行，保證工期的同時也節(jié)約了返工等帶來的不必要成本。因此施工企業(yè)對于應(yīng)用新技術(shù)、新方法來減少錯誤、浪費，消除返工、延誤，從而提高勞動生產(chǎn)率，帶動利潤的上升的積極性是很高的。
BIM在施工階段可以有如下多個方面的應(yīng)用：三維協(xié)調(diào)/管線綜合、深化設(shè)計、場地使用規(guī)劃、施工系統(tǒng)設(shè)計、施工進(jìn)度模擬、施工組織模擬、數(shù)字化建造、施工質(zhì)量與進(jìn)度監(jiān)控、物料跟蹤等。
前面提到，BIM真正的價值在于消除信息孤島，消除工程參與方的信息傳遞障礙。設(shè)計的協(xié)同建模還只是在設(shè)計院內(nèi)部的協(xié)同，基于BIM工作應(yīng)用流程，構(gòu)建協(xié)同平臺，有助于業(yè)主、設(shè)計、施工真正的在一個平臺上工作，在各自的權(quán)限內(nèi)對項目進(jìn)度進(jìn)行管理，對項目狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對人員權(quán)限進(jìn)行控制，以及對項目建設(shè)過程中的各種流程進(jìn)行數(shù)字化管理。當(dāng)前，基于BIM的協(xié)同管理平臺很多單位都有嘗試，要真正地發(fā)揮效用，需要業(yè)主單位在BIM實踐中發(fā)揮主導(dǎo)作用。
運營階段則是工程實體發(fā)揮功能和全生命周期中最長的階段，這個階段的管理工作同樣非常重要。BIM服務(wù)于運維，已經(jīng)發(fā)展成為一個相對獨立的研究方向，BIM和設(shè)施管理相結(jié)合的研究越來越受到關(guān)注，這也正是智慧水務(wù)建設(shè)的一個重要方面，即對供水設(shè)施的運營進(jìn)行科學(xué)化的管理。
BIM竣工模型能夠?qū)嶋H反映工程實體的最終狀態(tài)，以及包含全過程的信息記錄，結(jié)合BIM的天然特性，發(fā)揮其三維體驗、視覺化管理、信息集成交互三方面的優(yōu)勢，能夠幫助我們開發(fā)出服務(wù)于各種目標(biāo)的管理平臺。這六個應(yīng)用點是我院結(jié)合BIM技術(shù)開發(fā)的信息管理平臺雛形，更多的應(yīng)用價值有待進(jìn)一步研究挖掘。
基于BIM模型開發(fā)的最直接應(yīng)用就是利用其可視化特性，在管理平臺中加入三維交互式的漫游體驗，將工程實體場景在計算機(jī)中呈現(xiàn)，漫游線路也可以分為預(yù)設(shè)模式和人機(jī)交互模式。由于是基于網(wǎng)頁和數(shù)據(jù)庫，這種應(yīng)用為工程實體展示、上崗培訓(xùn)、以及后續(xù)的各種應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
既然BIM模型包含了完整的設(shè)計、建造和運營信息，那么我們就可以按需對設(shè)備、管道等的基礎(chǔ)資料進(jìn)行查詢，比如選中三維視圖中的某個閥門，平臺自動檢索出該閥門的生產(chǎn)廠家、安裝時間、備品備件等信息；同時我們可以對設(shè)備的信息進(jìn)行更改和更新，比如增加一條檢修記錄，數(shù)據(jù)庫會自動同步，保證平臺信息的即時性和有效性。
除了基本的設(shè)備信息之外，還可以將設(shè)計、施工、安裝過程中相關(guān)技術(shù)文檔與工程實體關(guān)聯(lián)，讓相關(guān)的信息和資料都通過三維模型建立聯(lián)系，避免工程資料的分散存儲、查找不便。如圖對某臺水泵可一鍵索引其水泵基礎(chǔ)設(shè)計圖、水泵安裝技術(shù)文檔等。從某種程度上講，這才是達(dá)成了將工程所有信息集成在一起的目的。
除了可以通過三維模型查詢其附屬信息外，我們有時也需要根據(jù)提供的一部分信息反向定位三維模型，從而查找更多的相關(guān)信息。比如通過提供的設(shè)備號，我們可以快速定位該設(shè)備的空間位置，并即時切換視角。這為生產(chǎn)運行過程中的故障應(yīng)急響應(yīng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
在BIM模型中我們可以采用與實際工程實體相似的處理方式，對不同的管道系統(tǒng)進(jìn)行著色區(qū)分。更優(yōu)越的是，我們可以單獨的亮顯某一管道系統(tǒng)，更清楚地瀏覽管道走向和功能，甚至可以采集監(jiān)測信息，將管內(nèi)的介質(zhì)信息反映到BIM模型中來。如此我們的BIM模型不僅可以顯示工程建設(shè)的靜態(tài)信息，也能顯示運行階段的動態(tài)信息。
和前面管道系統(tǒng)一樣，對于設(shè)備運行的動態(tài)信息，也可以將它和BIM模型相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行動態(tài)顯示。
除了運維管理平臺可以利用BIM的一些優(yōu)勢之外，在我們的業(yè)務(wù)培訓(xùn)上，BIM也有嶄露頭角的機(jī)會。通過在計算機(jī)中將常規(guī)的操作進(jìn)行流程化模擬，采用人機(jī)交互的方式對技術(shù)人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，運用類似于沙盤推演的方式使技術(shù)人員掌握實際操作的技能。
對于常規(guī)的檢修維護(hù)工作，還可以事先利用模型進(jìn)行人體工程學(xué)的力學(xué)仿真、操作時的視距仿真，為維修人員、巡檢人員的安全保障提供技術(shù)依據(jù)。
眾所周知，3S技術(shù)是數(shù)字城市的技術(shù)基礎(chǔ)之一，其中GIS技術(shù)更是根本。在智慧水務(wù)的建設(shè)中，BIM也同樣可以和GIS相結(jié)合，并且兩者的結(jié)合已經(jīng)成為了BIM應(yīng)用研究的新課題。即通過建筑內(nèi)部與外部空間信息的結(jié)合以支持進(jìn)行多種類型的應(yīng)用分析，例如結(jié)構(gòu)設(shè)計需要地質(zhì)資料信息，節(jié)能設(shè)計需要氣象資料信息，而這些數(shù)據(jù)可以借助GIS得到。反過來，通過BIM和GIS的集成，BIM可以給GIS環(huán)境帶來了更多的信息，從而擴(kuò)展GIS的應(yīng)用，提升GIS的應(yīng)用水平。
過去50年我們看到了全球技術(shù)的飛速發(fā)展，在此期間各個行為業(yè)都已經(jīng)通過創(chuàng)新提高了效率，尤其是先進(jìn)制造業(yè)。工程建造行業(yè)的發(fā)展相對來講要緩慢很多，有很多環(huán)節(jié)還依賴于傳統(tǒng)的工藝和管理手段，在針對大型、復(fù)雜的現(xiàn)代化項目時顯得力不從心。制造業(yè)和建筑工程行業(yè)有很多相似之處，現(xiàn)在，建筑業(yè)的先鋒正借鑒制造業(yè)的經(jīng)驗，把先進(jìn)制造業(yè)的知識和數(shù)字化技術(shù)往工程建造行業(yè)遷移，比如“建筑工業(yè)化”已經(jīng)成了當(dāng)下最火熱的關(guān)鍵詞之一。
虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)的興起，給工程建設(shè)領(lǐng)域帶來夢幻般的可能性，在科幻片里看到的場景正在逐步變成現(xiàn)實。現(xiàn)在已經(jīng)有廠商借助混合現(xiàn)實眼鏡開發(fā)出基于BIM模型的應(yīng)用，設(shè)計師將BIM模型文件導(dǎo)入MR眼鏡，將模型直接投射到真實場景中，在增強(qiáng)現(xiàn)實的環(huán)境下查看設(shè)計，甚至于修改、重構(gòu)設(shè)計稿，設(shè)計所見即建造所得，實實在在地縮小數(shù)字和物理之間的差距。
