數(shù)字化交付技術(shù)在洺河渡槽工程中的應(yīng)用探索

武健超，王立朝，張 楠

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050021）

1 環(huán)境背景

面對(duì)復(fù)雜的建設(shè)工程，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造、管理模式越來(lái)越難以滿(mǎn)足發(fā)展需求。如何進(jìn)一步提高效率降低成本是參建各方共同關(guān)注的焦點(diǎn)。利用互聯(lián)網(wǎng)+BIM［1］技術(shù)實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程的全生命周期管理［2］，是目前最前沿、最具可行性的技術(shù)手段，對(duì)工程建管過(guò)程中提高工作效率、控制投資、縮短建設(shè)周期、降低人力和物力成本，有著極其顯著的促進(jìn)作用，是實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程領(lǐng)域跨越式發(fā)展的必由之路。為促進(jìn)全社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家、各省市及行業(yè)內(nèi)的相關(guān)促進(jìn)政策陸續(xù)出臺(tái)。根據(jù)住建部要求，到2020年以國(guó)有資金投資為主的大中型建筑，申報(bào)綠色建筑的公共建筑和綠色生態(tài)示范小區(qū)項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，集成應(yīng)用BIM的項(xiàng)目比率達(dá)到90%。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)［3］及數(shù)字化交付［4］在大型水利樞紐中的應(yīng)用也證實(shí)了對(duì)于提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升工程運(yùn)維管理水平具有重要作用。目前國(guó)內(nèi)各大設(shè)計(jì)院紛紛展開(kāi)了三維協(xié)同設(shè)計(jì)及數(shù)字化交付技術(shù)在水利樞紐中的應(yīng)用研究，我院結(jié)合南水北調(diào)中線(xiàn)洺河渡槽工程也開(kāi)展了相應(yīng)的應(yīng)用探索。

洺河渡槽是南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠工程的大型河渠交叉建筑物，設(shè)計(jì)流量230m3／s，加大流量250m3／s。工程由進(jìn)出口連接段、進(jìn)口節(jié)制閘、出口檢修閘、退水閘和排冰閘組成。全長(zhǎng)930m，其中跨河渡槽段總長(zhǎng)640m，共16跨，單跨40m，槽身為三槽一聯(lián)帶拉桿預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土矩形槽，為目前全國(guó)單跨最大的輸水渡槽建筑物。工程不僅規(guī)模大，且結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，各類(lèi)建筑物、設(shè)備、設(shè)施、管線(xiàn)眾多，以之開(kāi)展三維協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化交付研究，具有現(xiàn)實(shí)意義和示范效應(yīng)。

2 實(shí)施過(guò)程

工程數(shù)字化交付以工程信息為核心，數(shù)字三維模型為依托，工程資料為擴(kuò)展。

2.1 建立工程三維模型

在洺河渡槽三維模型建立過(guò)程中，首先按照部位、專(zhuān)業(yè)對(duì)工程進(jìn)行拆分，各專(zhuān)業(yè)人員在三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上設(shè)計(jì)建模、相互協(xié)調(diào)，實(shí)時(shí)反饋。三維協(xié)同設(shè)計(jì)的工程文件結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。各部位模型完成之后進(jìn)行分級(jí)總裝，通過(guò)虛擬模型中的碰撞檢查［5］，及時(shí)發(fā)現(xiàn)布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中存在的錯(cuò)誤，并加以修改。洺河渡槽全廠(chǎng)三維模型總裝如圖2所示。

圖1 工程文件結(jié)構(gòu)體系

圖2 洺河渡槽全廠(chǎng)三維模型總裝

2.2 錄入工程信息及資料

工程三維模型作為初級(jí)產(chǎn)品，不能完全滿(mǎn)足數(shù)字化交付和運(yùn)維管理的實(shí)際需求。需將洺河渡槽的其它類(lèi)型信息和資料錄入到三維模型中，包括設(shè)計(jì)方的報(bào)告、圖紙、監(jiān)理、施工等參建方在建設(shè)和驗(yàn)收過(guò)程中形成的文檔資料，以及各類(lèi)設(shè)備的性能參數(shù)、廠(chǎng)家信息、安裝信息等，并與模型中各類(lèi)設(shè)備、設(shè)施一一對(duì)應(yīng)，形成具備高度邏輯關(guān)聯(lián)的數(shù)字三維信息模型。三維模型錄入相關(guān)信的界面如圖3所示。

圖3 電氣設(shè)備信息錄入界面

2.3 數(shù)字三維模型發(fā)布及應(yīng)用

為控制數(shù)字三維模型的文件體量，同時(shí)保證模型文件的安全性，洺河渡槽全廠(chǎng)總裝模型發(fā)布為輕量化的i-model文件格式。然后根據(jù)建管單位的需求，搭建工程綜合管理平臺(tái)，或直接導(dǎo)入iPad移動(dòng)端中，能夠很方便的在工程現(xiàn)場(chǎng)查看工程信息、調(diào)取設(shè)計(jì)文件。

通過(guò)三維數(shù)字化模型，使用者依托設(shè)備內(nèi)嵌或網(wǎng)絡(luò)連接的信息資料庫(kù)，可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行查詢(xún)、會(huì)診及管理，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化辦公。

通過(guò)三維數(shù)字化模型還能夠直觀形象的查找各類(lèi)型設(shè)備、設(shè)施、管線(xiàn)的特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、相互關(guān)系、空間定位等關(guān)聯(lián)信息。工程維修時(shí)可無(wú)損查找故障點(diǎn)，尤其是隱蔽工程中的管線(xiàn)敷設(shè)位置、走向等，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)精準(zhǔn)快速定位。移動(dòng)端查看模型及相關(guān)信息圖紙效果如圖4所示。

圖4 移動(dòng)端三維數(shù)字模型交付成果

2.4 數(shù)字化交付平臺(tái)搭建

發(fā)布后的i-model模型可在一定程度上優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減小文件體量，但是由于水利工程的復(fù)雜性，大中型項(xiàng)目?jī)?yōu)化后體量依然較大，在PC端或移動(dòng)端顯示速度依然較慢。另外由于PC端及移動(dòng)端展示均需要安裝Navigator等付費(fèi)插件，不便于使用，為提高模型瀏覽及文件查看速度，同時(shí)擺脫插件制約，實(shí)現(xiàn)在web端的訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)對(duì)不同圖形顯示引擎的對(duì)比，最終選擇在B／S架構(gòu)［6］下，利用WebGL技術(shù)［7］進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)web端模型展示、信息管理與查詢(xún)等功能，初步構(gòu)建數(shù)字化交付平臺(tái)。

2.5 特殊定制及開(kāi)發(fā)

由于水利水電工程的復(fù)雜性和特殊性，仍然有一些額外需求難以滿(mǎn)足。例如建管單位非常關(guān)心的安全監(jiān)測(cè)設(shè)施的關(guān)聯(lián)定位、數(shù)據(jù)處理分析以及固定資產(chǎn)管理等功能。需要利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)，根據(jù)建管單位的實(shí)際需求量身定制。交付平臺(tái)底層采用數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支持，利用編碼系統(tǒng)作為橋梁將服務(wù)平臺(tái)內(nèi)各服務(wù)模塊組織在一起，最終以三維模型為依托顯示在Web界面，三維數(shù)字化交付平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。交付平臺(tái)應(yīng)具備整個(gè)工程的全生命周期管理，具備以下功能：施工進(jìn)度成本管控、固定資產(chǎn)管理、事故應(yīng)急響應(yīng)管理，設(shè)備數(shù)據(jù)采集分析等。

2.5.1 施工進(jìn)度成本管控

水利工程施工過(guò)程是一項(xiàng)綜合復(fù)雜的生產(chǎn)活動(dòng)，施工過(guò)程中的進(jìn)度和成本是緊密相關(guān)的，施工過(guò)程出現(xiàn)的進(jìn)度變化往往會(huì)引起成本的劇烈變化，因此進(jìn)度控制及成本控制［8］是施工過(guò)程的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。為此數(shù)字交付平臺(tái)加入了5D進(jìn)度成本信息模型，即在三維模型基礎(chǔ)上，融入時(shí)間進(jìn)度信息與成本造價(jià)信息，形成由“三維幾何模型-進(jìn)度-成本”的5D工程信息集成模型。將三維模型按工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分包，工作包包括施工模擬、分包成本、關(guān)鍵技術(shù)等。最終可視化地展示了施工過(guò)程中進(jìn)度、資源、成本信息的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，全面把握工程的施工進(jìn)度。施工進(jìn)度計(jì)劃流程如圖6所示，通過(guò)計(jì)劃任務(wù)的閉環(huán)流程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決施工資源與成本控制出現(xiàn)的矛盾，可減少工程超預(yù)算，保障資源供給，提高了施工項(xiàng)目管理水平和成本控制能力。

圖5 三維數(shù)字化交付平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 施工進(jìn)度計(jì)劃流程

2.5.2 固定資產(chǎn)管理

工程建設(shè)竣工后，工程運(yùn)行維護(hù)管理方需要從參建各方接收大量的數(shù)據(jù)，但目前此項(xiàng)工作依然停留在人工記錄、整理模式下。這種模式下參建各方與運(yùn)行維護(hù)管理方對(duì)工程的關(guān)注點(diǎn)不盡相同，且相互間缺乏溝通，導(dǎo)致工程數(shù)據(jù)交接后仍需進(jìn)行大量的篩查，錄入工作，數(shù)據(jù)的真實(shí)性、完整性及可用性得不到有效保障，無(wú)法達(dá)到標(biāo)注化、流程化的管理要求。為此將三維數(shù)字模型與工程數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將工程三維信息化。從產(chǎn)權(quán)管理、固定資產(chǎn)管理、物資設(shè)備管理等多個(gè)方面，為運(yùn)維、管理人員提供可視化、多角度、多層級(jí)的信息管理平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)信息查詢(xún)、備件耗材管理、空間測(cè)量、統(tǒng)計(jì)分析、路徑規(guī)劃、隱蔽部位無(wú)損探查等功能，幫助制定更加直觀真實(shí)、科學(xué)合理的運(yùn)維管理方案。

2.5.3 事故應(yīng)急響應(yīng)管理

針對(duì)工程運(yùn)管過(guò)程中出現(xiàn)的突發(fā)事故，交付平臺(tái)內(nèi)置各種原因引起的突發(fā)事故，并進(jìn)行有序分類(lèi)整理，形成受法律保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理流程，同時(shí)借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與工程相關(guān)的各部門(mén)之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，從而提高應(yīng)急響應(yīng)速率，減輕事故造成的損失。事故應(yīng)急響應(yīng)管理的總體框架圖如圖7所示，平臺(tái)收到事故信息后，能夠根據(jù)內(nèi)置的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案和事故等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)分析事故的影響范圍和影響程度，快速判斷是否需要啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序，并擬定應(yīng)急響應(yīng)等級(jí)，提交給決策領(lǐng)導(dǎo)，推送與事故相關(guān)的重要資料，以利于快速擬定科學(xué)合理的處理方案，提升決策效率，降低由于數(shù)據(jù)獲取不完整、不及時(shí)導(dǎo)致的決策風(fēng)險(xiǎn)。

2.5.4 設(shè)備數(shù)據(jù)采集分析

實(shí)際工程中有工控控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，但各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，往往造成資源的浪費(fèi)，為此數(shù)字化交付平臺(tái)將各系統(tǒng)整合成設(shè)備數(shù)據(jù)采集分析模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)接口讀取電氣設(shè)備、安全監(jiān)測(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備信息，將各設(shè)備當(dāng)前信息集中顯示在平臺(tái)上，從而達(dá)到集中控制設(shè)備，并分析工程現(xiàn)狀，對(duì)出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程可能存在的問(wèn)題，提高工程運(yùn)管的可靠性、安全性。

3 存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)三維數(shù)字化交付平臺(tái)的研究，攻克了各種技術(shù)瓶頸，但其應(yīng)用發(fā)展中依然存在眾多問(wèn)題需要解決。首先是現(xiàn)有平臺(tái)之間數(shù)據(jù)共享難度大，存在信息孤島現(xiàn)象；其次是部門(mén)之間存在信息共享障礙，不能實(shí)現(xiàn)快速有效傳遞；再次管理部門(mén)提交需求不明確，開(kāi)發(fā)難度大；最后既熟練掌握三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，又熟悉水利工程設(shè)計(jì)與管理的復(fù)合型人才匱乏。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管三維數(shù)字化交付平臺(tái)推廣應(yīng)用存在多種問(wèn)題，但是通過(guò)洺河渡槽工程，證明了三維數(shù)字化交付技術(shù)在大中型水利工程項(xiàng)目中具備良好的適用性和可行性。以數(shù)字化交付技術(shù)為依托的無(wú)紙化、數(shù)字化管理理念，必將在建設(shè)工程的決策和實(shí)施中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程管理智能化、決策科學(xué)化、信息網(wǎng)絡(luò)化、資料電子化提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖7 事故應(yīng)急響應(yīng)管理總體架構(gòu)圖

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