基于BIM的燃氣廠站運維風險管理研究

王勇華， 李燕芳， 徐慧瑩， 張 康， 常紅麗 ， 王有力

(1.唐山學院土木工程學院，河北唐山063000；2.唐山市天然氣有限公司，河北唐山063000)

1 概述

燃氣廠站是城鎮天然氣輸配管網的樞紐，其安全運行水平影響著城鎮天然氣輸配系統的全過程，一旦出現安全事故，就會造成城鎮天然氣輸配管網局部或全部停運，導致下游居民和工商業用戶無法開展正常的生活與生產經營活動，同時還有可能造成嚴重的人身傷害和財產損失，帶來重大的環境污染問題[1]。當前，我國正處于天然氣輸配管網系統建設的高峰期，尤其是隨著國家天然氣“十三五”發展規劃的提出與實施，我國城鎮天然氣輸配管網的規模在迅速擴大，與之配套的燃氣廠站建設數量也在快速增加。以河北省唐山市為例，經過近幾年的快速建設，截至2018年底，唐山市已建成各類規格的天然氣管道約560 km，天然氣輸配廠站21座，CNG加氣站2座，LNG儲備站1座。隨著燃氣廠站建設數量的增加，影響廠站安全與經濟運行的各種風險因素也越來越多，給廠站運維風險管理帶來了巨大的挑戰。另一方面，隨著現代城市的快速發展，原來處于城市邊緣的燃氣廠站周邊新建工程也在不斷增加，嚴重擠壓了廠站原有的安全運行空間。加上運營年限的增加，廠站設施設備逐漸老化，使燃氣廠站安全運行所面臨的壓力越來越大，對運維風險管理的要求也越來越高。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術是近幾年來在工程領域迅速發展和使用的一種可用于工程設計、建造與管理的信息化技術，其應用貫穿工程項目的決策、設計、施工、運營等全過程[2]。大量研究和工程實踐表明，BIM技術在工程運維管理中具有顯著優勢和應用價值，引入BIM 技術可以有效地改善傳統運維過程中風險管理所存在的問題，提升工程的運維風險管理水平和價值[3-6]。本文利用BIM技術在工程運維管理中的應用優勢，將BIM技術引入到燃氣廠站的運維風險管理中，構建了基于 BIM 的燃氣廠站運維風險管理模型，為燃氣廠站運維風險管理提供一種新的管理方法。

2 傳統燃氣廠站運維風險管理存在的問題

燃氣廠站運維風險管理是指燃氣廠站運維管理人員在廠站運行過程中對威脅廠站安全運行的風險因素進行識別、分析、評估、制定風險應對計劃以及進行風險處置的過程，其目的是以最低的成本消耗為廠站運維管理過程提供最大的安全保障。運維風險管理在某種意義上說也是一種對運維信息進行收集、分析、處理和再利用的管理過程，是以各類運維信息為基礎開展的風險管理活動。燃氣廠站的運維風險管理也不例外，本質上也是對各類影響廠站運維安全的信息進行管理和利用的過程。

在燃氣廠站運維風險管理過程中，燃氣廠站運維管理所需要的數據信息包括工程規劃設計方案、施工圖紙、施工過程管理資料、竣工驗收資料、物料清單、供貨清單、技術規范、使用(維保)手冊等各種形式，這些數據信息大多是從設計、咨詢、施工、供貨等不同的項目參與方繼承過來的，在信息的傳遞過程中很容易出現信息失真、遺漏或丟失的情況。同時，由于燃氣廠站運維數據信息在廠站規劃、設計、施工和運維的各個階段都是相對孤立的，形成了一個個的“信息孤島”，信息之間的協調性和交互性也較差。此外，燃氣廠站運維風險管理還存在運維信息分散、二維圖形信息抽象難懂、運維過程信息難以保存等問題，這些問題都構成了燃氣廠站運維風險事件發生的潛在因素，嚴重影響了燃氣廠站運維風險管理效率，是當前廠站運維風險管理需要迫切解決的問題。

3 BIM在燃氣廠站運維風險管理應用優勢

近年來，不少學者也在積極開展燃氣廠站運維風險管理方面的研究，包括采用定量、半定量的方法進行廠站風險評價與管理研究[7-11]，借助現代信息管理技術如ERP系統以及各類三維建模與圖形處理軟件平臺(如SketchUp、3DMax)和地理信息系統(GIS)等技術手段提升天然氣廠站的運維管理效率，降低運維管理風險[12-14]。SketchUp、3DMax都是目前比較優秀的三維設計軟件平臺，利用這些軟件平臺能夠構建效果比較良好的3D燃氣廠站模型，但是這些模型主要以廠站的三維可視化展示為主，模型本身并不能承載和集成廠站運維所需要的各類運維數據信息，支持廠站運維風險管理的能力不足。

如前文所述，BIM技術是近年來在工程建設領域被廣泛推廣和應用的一種新的工程信息化技術，其應用貫穿工程的全生命周期。通常來說，BIM是由代表工程構件的參數化對象組成，并通過面向對象的一系列軟件系統來實現，具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、參數化、信息完備性等特點[15]。對于BIM在工程運維風險管理中的應用價值，李建成等人[2]指出BIM能將建筑物空間信息、設備信息和其他信息有機地整合起來，結合運營維護管理系統可以充分發揮BIM的空間定位和數據信息記錄優勢，合理制定運維管理計劃，盡可能降低運營過程中可能發生的突發事件。在燃氣廠站運維風險管理中引入BIM 技術，能實現設計、施工和運維的信息共享，提高信息傳遞的準確性和統一性，并為參與廠站運維的各方人員提供一個便捷高效的協同管理平臺，有助于提高燃氣廠站運維風險管理的效率和水平。

4 基于BIM的燃氣廠站運維風險管理模型

4.1 模型構建方法

開展基于BIM 的燃氣廠站運維風險管理首先必須構建基于BIM的燃氣廠站運維風險管理模型(以下簡稱BIM運維模型)。對于新建燃氣廠站，在理想狀態下，BIM模型由設計方開始構建，并將有關的設計屬性信息(如構件尺寸、材質、規格、安裝位置、性能參數等)添加到模型之中，然后在施工階段將BIM模型傳遞給施工單位。施工單位隨著施工進展不斷細化模型，并同步添加與施工過程有關的屬性信息(如設備供應商、安裝單位、安裝人員、安裝時間等)。到竣工驗收階段，施工單位向業主單位提交廠站BIM竣工模型，該BIM竣工模型應當與工程實際完全一致，且包含工程的竣工屬性信息(如驗收時間、驗收人員、使用說明等)。在燃氣廠站的運營階段，運維管理人員就可以根據BIM模型開展運維管理工作，同時還可以不斷將運維屬性信息(如維修時間、維修單位及人員、保養周期等)添加到BIM運維模型之中。

對于已建成投入運營的燃氣廠站，有兩種方式可以建立BIM運維模型。第一種方法是采用人工逆向建模的方式，其基本過程就是以燃氣廠站工程竣工圖紙和其他竣工資料為基礎，在充分進行現場復核比對的基礎上，通過人工建模的方式建立燃氣廠站的BIM模型，在建模過程中將燃氣廠站各類設施設備的相關屬性信息添加到模型中。這種方法建模效率相對較低，需要較大的人力和時間投入。另外一種方法是利用3D激光掃描技術對燃氣廠站相關的設施設備進行掃描，獲得相應的3D點云數據，再通過配套專業軟件經過處理后生成BIM軟件能識別的格式(如rcp、rcs等格式)的BIM初始模型[16-17]，再將燃氣廠站各類設施設備的相關屬性信息添加到初始模型中，逆向構建BIM運維模型。3D激光掃描技術能提供精確的點云數據模型，保證BIM模型與現場工程實際的一致性，相比人工逆向建模方法，效率也更高，是已建燃氣廠站BIM運維模型構建的首選方式。

4.2 模型構建示例

唐山市海港經濟開發區高中壓調壓站BIM運維模型見圖1。該模型包含了綜合辦公樓、輔助用房、調壓計量區、放空與排污區、門衛用房、廠區道路、場地(含硬化場地及綠化場地)、圍墻、調壓計量橇、埋地天然氣管道以及配套的閥門、管件等設施設備的BIM運維模型。其中調壓計量橇BIM運維模型見圖2，高壓放散系統BIM運維模型以及阻火器屬性信息查詢見圖3。由圖3中可以看出，該運維模型不僅精細展示了高壓放散系統中阻火器的外觀形狀、空間位置，還包含了阻火器相關的材質、規格型號、性能參數、生產廠家、施工單位、安裝時間、維保責任人、檢修周期等重要的屬性信息，實現了構件3D圖元與運維屬性信息的集成與統一，充分體現了BIM的三維可視化、參數化和信息完備性的特點。

圖1 唐山市海港經濟開發區高中壓調壓站BIM運維模型

圖2 調壓計量橇BIM運維模型

圖3 高壓放散系統BIM運維模型以及阻火器屬性信息查詢

5 BIM運維模型總體框架

① 工作流程

基于BIM 的燃氣廠站運維風險管理的基本思路是以燃氣廠站BIM 運維模型為基礎，運維管理人員可以借助BIM運維模型對廠站運維過程進行監控，識別運維過程中可能出現的風險因素并對其進行分析與評估，制定相應的風險應對策略和計劃措施。同時，利用BIM具有可模擬性的特點，對風險應對計劃措施進行模擬演練，進而優化或調整相應的風險應對策略和計劃措施。在此基礎上，課題團隊構建了基于BIM 的燃氣廠站運維風險管理模型，該模型的總體框架見圖4。

由圖4可以看出，基于BIM運維模型管理過程主要由3個完整的閉環工作流程構成，其基本工作流程如下。

圖4 BIM運維模型總體框架

a.燃氣廠站運維管理人員可以利用BIM運維模型具有的三維可視化功能和自身承載的運維屬性信息對燃氣廠站運維過程進行監控，發現和識別影響燃氣廠站安全運行的風險因素，并將這些風險因素進行整理，生成燃氣廠站運維風險因素數據信息集，再以共享參數的方式添加到BIM運維模型中，為后續運維風險分析與評估提供信息支持。

b.針對已識別的燃氣廠站運維風險因素，運維管理人員可以利用風險分析與評估方法[7-11]對燃氣廠站運維風險進行分析與評估，確定各類風險因素的風險等級，并將這些數據信息進行整理生成燃氣廠站運維風險評價數據信息集，同樣也以共享參數的方式添加到BIM運維模型之中，為后續運維風險管控工作提供評價數據信息支持。

c.運維管理人員可以根據已確定的風險因素和風險等級，確定相應的風險應對策略、風險應對計劃和措施，再利用BIM具有的可模擬性特征，對已制定的風險應對策略、應對計劃措施進行模擬演練，發現不足之處，進而對風險應對策略、計劃措施進行優化或調整，提升有效性，降低運維風險管理成本。再通過對風險管理過程的分析整理形成燃氣廠站運維風險管理案例集，并將這些案例以共享參數的方式添加到廠站BIM運維模型之中，為廠站后續的運維風險管理工作提供參考案例支持。

② 主要應用點功能分析

a.基于BIM的運維管理過程監控與風險識別

在天然氣廠站的運維管理過程中，運維管理人員通過BIM運維模型提供的三維可視化運行場景和集成的數據信息，能夠實時把握廠站設施設備的運行狀態，能夠更加快速準確地識別天然氣廠站運維過程中可能出現的風險因素，相比以往基于工程經驗和二維施工圖紙、竣工驗收記錄等信息進行風險識別判斷的方法，基于BIM的風險識別方法更加直觀，效率更高，運維參與各方也更容易達成信息理解的一致性。比如，圖5是課題團隊建立的唐山市海港經濟開發區某高中壓調壓站的廠區燃氣管道及配套設施BIM 運維模型，從圖中紅圈位置可以很直觀地看到此處進出橇體的高壓輸氣管道(綠色管道)、高壓放散管道(紅色管道)、排污管道(深藍色管道)匯集，空間位置相互交叉，如果后期有管道發生泄漏或損壞需要維修，探管開挖方案如果安排不當就很容易造成附近管道的二次傷害，導致損失擴大化。

圖5 廠區燃氣管道及配套設施BIM 運維模型

b.確定風險應對策略和計劃措施

在制定天然氣廠站相應的風險管理應對策略和計劃措施時，利用BIM運維模型查詢計劃對象的空間位置、材質、規格、安裝單位、安裝時間、驗收記錄、維保記錄等相關信息，為風險管理應對策略和計劃措施制定提供支持，提高應對策略和計劃措施制定的科學性和合理性，降低運維風險事件處置的成本。比如在圖6中，課題團隊利用BIM提供的剖切和量測功能生成的燃氣管道縱斷面圖和埋深查詢為地下燃氣管道維護和搶修計劃的制定提供信息支持。

圖6 燃氣管道縱斷面圖和埋深查詢

c.基于BIM的風險應對模擬演練

在廠站運維管理人員制定了相應的風險應對策略和計劃措施后，可以利用BIM技術的可模擬性的特點，對風險應對計劃措施進行預先模擬演練，通過模擬演練發現計劃的不足之處，進而對風險應對計劃措施進行優化調整，提升風險應對計劃措施的有效性。在工作實際中，燃氣生產經營企業往往還會根據廠站安全管理需要提前制定各項安全事故應急處置預案，此時也可以利用BIM技術對各項應急預案進行模擬演練，對廠站運維管理人員進行應急預案交底和培訓，提高應急預案執行的效率。

d.數據信息、風險管理案例更新或完善

按照運維風險管理的工作流程，在識別影響天然氣廠站運維管理相關風險因素后需對風險因素進行風險分析與風險評估，確定風險影響范圍及后果。已識別的風險因素數據信息、風險評價數據信息均可以作為運維屬性信息添加到天然氣廠站的BIM運維模型之中，為后續的運維風險管理工作提供信息參考和決策支持。同時，還可以對天然氣廠站運維風險事件進行分析整理，生成廠站運維風險管理案例，將這些案例信息更新添加到BIM運維模型中，對案例風險數據信息進行日常的運行與維護，及時更新項目數據和項目案例信息，在后續的風險管理過程中或者是突發風險事件發生后可以迅速調取類似的案例進行比對，為風險應急處置提供決策參考，提高運維風險事件處置的決策水平和響應速度。

6 結語

在信息技術快速發展的今天，研究如何利用現代信息技術來提升燃氣廠站運維風險管理效率和水平具有重要的現實意義和應用價值。基于BIM的燃氣廠站運維風險管理方法是將BIM技術與傳統的運維風險管理理論相結合，實現燃氣廠站運維風險管理數據信息的集中管理與共享，幫助廠站運維管理人員方便快捷地查詢運維風險管理所需的數據信息，及時發現運維風險因素，提前制定風險應對計劃與措施，為廠站運維風險管理決策提供全面、準確的數據信息支持，進而有效提高燃氣廠站的運維風險管理效率與水平，保障燃氣廠站安全經濟運行。