“BIM+”技術在水利工程運營階段分析與應用

王 羨,王榮幸，陶 婷

(1.江蘇熙利建設有限公司，南京 211100；2.南京明瑞建設集團有限公司，南京 211100；3.南京騰昇市政工程有限公司，南京 211100)

0 引 言

水利工程運營涉及區域大，線路及周邊環境復雜，每個區域都有各自的管轄范圍，涉及不同內容管轄單位又各不相同，各單位間與各區域間均沒有較為完善的協同管理工作模式，使得工程運營管理情況存在較大差異，質量參差不齊，效率不高。工程在運營過程中可因自然或人為因素造成功能障礙，如果沒有實時監測維護和預警機制，運維管理人員不能及時識別、準確定位功能障礙部位，并進行維修維護，可能會導致安全事故的發生，對人民群眾的生產生活和周邊的環境產生不良影響。同時在運營管理中缺乏相關系統收集運維數據，管理者不能夠及時掌握運維階段的相關信息而做出快速的判斷和處理方案。因此，水利工程后期運營管理至關重要。探索將BIM技術應用到水利運營階段的管理，提高管理的效率，降低安全風險。BIM(Building Information Modeling)技術在2002年由Autodesk公司提出，主要應用于建筑行業，從建設項目的設計開始，到項目施工運行，最后到建筑全壽命周期的終結，在這整個的過程中，將各種信息集成在一個三維的模型信息數據庫中，在這個建筑信息集成的過程中，設計、施工、運營和業主等多方人員可基于BIM三維模型數據庫進行協同工作。BIM的核心是利用數字化的技術，建立一個可視化的與現實情況一致的三維數據模型，提高建筑工程信息集成程度，提供信息交換及共享平臺。目前，該技術主要應用于工程初期設計階段，劉智敏、王英等在橋梁的設計階段，可視化的展示了項目的建模、工程量的清算、檢查設計等內容，顯著提高了設計效率[1]。冀程在城市軌道交通規劃中，將BIM技術成功應用到地鐵站內管線碰撞檢查為軌道交通的發展提供了技術支持[2]。郭紅領等基于BIM技術可模擬化和調節性特點將其應用于施工管理，模擬現場施工過程，為施工階段的協同管理提供參考[3]。王廷魁等為解決施工場所安全因素動態變化，采用BIM技術構建施工場地動態變化模型，為施工安全提供保障。宋雅璇等將BIM技術應用于綜合管廊運維管理階段，有效的解決了運維管理階段效率低、協調困難等問題，為后期運維管理提供技術支持。但對于水利工程運營階段的BIM技術綜合管理還處于探索時期，可借鑒的研究成果不多，目前還沒有形成完整的后期運營管理體系。文章基于BIM技術的可視化、可模擬現實狀況、信息交換及共享等特點在綜合管理中的優勢，基于水利工程運營階段問題分析結果，將BIM技術與云數據庫、GIS、物聯網等相互結合，提出并構建“BIM+”水利運維模型，并應用于河道及水閘工程管理中，為水利工程運營管理提供一種新思路、新方法。

1 水利工程運營階段存在問題

1.1 管理法律體系不健全

現階段的水利工程的法律法規著重于前期建設項目規劃、實施、驗收和相應的技術規范，對于建設項目建成后期的運營管理缺乏健全的管理性的相關法律法規，針對后期水利工程如何進行有效管理，管理費用的分攤問題，涉及各個條線管理的協調性問題等都需要明確的法律法規來制約和責任劃分。

1.2 應急事件指揮智能分析不完善

水利工程往往涉及范圍廣、區域大，區域管護能力和管護資金差異大，導致水利工程不能進行統一的、標準化的管理。一些鄉鎮地區由于經濟水平發展的限制，政府部門的資金匱乏，管護階段常常因為資金問題不能及時修復，像亂扒溝渠、耕種河堤等破壞水利工程的完整性，導致一些地區突發事件的發生。由于各地區信息化管理差距大，管理人員自身等問題，不能精確掌握水利工程運營的相關情況，給后期的運營管理帶來很大的困難，如果能夠對水利工程進行及時的維護和數據的更新，使水利工程的狀況能夠及時被掌握，就可以有效的降低突發事件的發生，BIM+GIS、BIM+物聯網等技術可構建一個可視化的信息平臺，實時監測水利工程各段的運維情況。

1.3 管理效率低、信息滯后

水利工程運營過程中涉及的部門較多，各環節的管理部門又各不相同，在運營管理過程中不可避免的會出現不同程度的交叉和管理空白，當各主體面對利益時，矛盾必然會產生，比如，各主體不愿意去承擔后期的管理和修復費用、產生問題時相互推卸責任，降低了統一化、集約化的管理，阻礙水利工程的發展。如何去協調好各地區、各單位之間的關系，是應用“BIM+”技術的前提和基礎條件。信息化工作是適應當前社會的一種工作形式，水利工程運營涉及數據多而雜，在項目要求高、影響大的工程中，通過信息化能夠更加有效的提高管理的效率和管理的科學性。但是受到水利工程運營自身的特點，在水利工程運營信息化管理的過程中需要協調多種問題，協調多個信息管理系統，由于管理系統不統一、不健全，造成水利工程運營信息化、集約化管理效率低。在當前的信息化管理工作中信息資源的開發和利用沒有得到足夠的重視，數據資源沒有實現共享，難以促進信息化管理模式的發展。建立基于“BIM+”技術的水利工程運維模型，通過信息集成、管理，實現信息共享、交換，提高管理效率。

2 “BIM+”水利運維模型

2.1 模型構建思路

水利工程運營階段，主要是日常的維護修復等相關的問題，運用“BIM+”技術解決問題首先要先組建一支“BIM+”技術團隊，選拔一些專業技術人員組成技術團隊，構建一個水利工程運維模型，模擬水利工程實際運行的一個過程，與實際運營過程進行調整校準，收集水利工程運營過程的相關數據，對數據進行中間過程處理，最后轉化為實際應用，可有效的對運營過程中的成本、管理、進度等進行合理的劃分和控制。“BIM+”模型包含了云數據庫、“BIM+”集成平臺建立、利用控制平臺、顯示平臺等，涵蓋了運營過程中各個維度、各個方面的信息，這些信息不僅對工程的運營和維護等有重要意義，對于監理方、執法人員等也有很大的參考價值。

2.1.1 BIM+云數據庫

云數據庫是虛擬計算機環境中的數據庫，可配置操作數據庫實例，可備份和恢復數據，對數據進行管理，實時監控等。將BIM技術與云數據庫技術結合應用到水利工程運營階段管理可為法律法規體系不健全問題的解決提供參考依據。通過將現有的關于水利工程運營階段相關的法律法規、標準規范等，共享存儲于云數據庫中，采用BIM技術對現有的儲存數據進行分析，查看在運營階段哪些方面存在欠缺和漏洞，為完善后續的管理和監督提供參考依據。

2.1.2 BIM+協同系統

協同系統包含物聯網、GIS技術等多個技術，GIS地理信息系統是能夠對地理信息的空間位置數據進行收集、存儲、顯示、綜合分析計算等的信息技術系統。物聯網技術是通過各種紅外、氣體傳感器以及其他的射頻識別等設備連接到互聯網當中，創建一個大的相互連接的網絡，為實時監控、數據共享和數據交換提供信息。BIM技術與GIS、物聯網等技術結合應用到水利工程運營階段管理可以有效的解決突發應急事件指揮智能分析不完善、缺乏統一管理問題提供方法。“BIM+”協同系統可設置數據限值，對洪澇災害、水環境污染、堤防滑坡等突發事件進行預警，快速識別信息突變、精準定位，對突發事件進行快速處理，并對突發事件處理后的情況進行跟蹤監測，將數據信息和現實的水利工程運營現實狀況進行融合。“BIM+”協同系統在水利運營階段具有重要意義。

2.1.3 BIM+物聯網

BIM+物聯網可以收集各方面的實時信息數據，可以實時提供運營各階段各線路信息，讓管理者能夠全面準確掌握信息，有效的解決了信息化管理工作滯后的問題。提升了管理效率。“BIM+”水利運維模型構建和功能詳見圖1。

圖1 “BIM+”水利運維模型構建和功能圖

2.2 模型構建流程

數據庫錄入，建立云存儲數據庫，收集水利工程運營的地形數據，管線道路數據；建立BIM三維模型數據庫，導入水利工程模型，水利管線模型，編輯模型的屬性標簽，查詢功能；建立巡檢維修數據庫，收集錄入管線維修維護數據，日常巡檢數據，故障上報維修記錄數據；建立運維數據庫，收集錄入設備參數數據及運維情況，管線能耗實時監測情況，管理單位和管理人員信息情況。建立“BIM+”集成平臺，接入平臺，在應用平臺利用可視化管理，工程師不僅能夠直觀的看到管線及周圍的實際情況，還可以根據實際情況制定日常的巡檢計劃，按照計劃巡檢結束后將相關的數據反饋到系統中，更新“BIM+”水利運維模型，為后續的運維和檢修提供實時的數據。進行預警監測，利用物聯網技術將傳感器安裝于管線內生成實時的動態監測數據，實時監測管線運營的安全性，當發現異常時通過系統自動進行預警，并進行精確定位。利用“BIM+”協同系統將系統端和業務端與云端連接，并與相關責任人的手機進行綁定，當管線發生異常時，通過手機將異常第一時間通知到具體責任人，通過“BIM+”查看異常情況及周圍的相關信息，及時采取處理措施，制定維修、維護方案，降低了貿然進行維修、維護帶來的風險，也避免了因處理不及時引發的更大安全事故的發生。在具體項目過程中“BIM+”水利運維模型需要根據實際的工程運營不斷更新，項目管理參與人員要及時對模型根據實時數據進行更新，對維護計劃做出對策和調整，最終生成實時的“BIM+”水利運維模型，通過實時的“BIM+”水利運維模型可直觀的查看項目的運行情況，輔助控制成本，合理劃分成本和責任并對未來的成本進行預測。“BIM+”水利運維模型預警管理工作流程詳見圖2。

圖2 “BIM+”水利運維模型預警管理工作流程圖

2.3 “BIM+”技術應用分析

1)河道工程應用：

河道工程長度大，河道流域周圍環境復雜，工程投入使用后，運維管理工作更為復雜。在該類工程中可選擇多個地區建立監控中心，接入環境監控系統、管線道路監測系統、安全防范系統、通信系統、預警監測系統，收集地形、水位(包括河道水位和地下水位)、水質和流速、水環境、河段治理發展史、提防滲漏及穩定、坡角沖刷，降雨、護氣質量、白蟻災害等相關數據儲存于地理信息庫中；收集日常巡查、管線維護、故障報修等記錄數據儲存于維修庫中；收集設備參數、管線損耗、運維管理人員信息等數據儲存于運維庫中，將以各數據庫的信息導入“BIM+”水利運維模型數據庫，對屬性和功能進行編輯，利用模型形成“BIM+”集成平臺，把監控系統、排水系統、環境監控系統、定位系統和報警系統接入其中，建立可視化的智能管理平臺。利用BIM技術對河道工程的主體及運營進行仿真模擬，從三維的角度查看每段河道的運營、維護情況，將巡檢、維修的具體點在GIS地圖上精準標注，對周圍環境變化規律利用數據分析進行預測和判斷。對于設備系統，通過網絡數據傳輸，利用溫度、濕度、氣體傳感器等采集實時監測數據，掌握設備的運維情況。對于預警系統，實時監測數據超過設定的閾值時，自動觸發報警系統，報警系統通過通信系統傳遞到具體的負責人所綁定的手機上，負責人可第一時間掌握故障的精準位置，并做出及時的處理措施。事后將該次預警處理涉及數據和維修的情況反饋到系統中，更新BIM運維數據庫。河道工程“BIM+”技術應用了云數據庫、GIS、物聯網等多種信息技術，將運維的具體畫面展現給運維管理人員，仿真模擬了工程的運營情況，模擬事故發生時的應急處理措施，這種綜合性的模擬體驗提高了管理的效率和管理人員的安全意識。基于“BIM+”技術綜合管理河道工程應用詳見圖3。

圖3 基于“BIM+”技術綜合管理河道工程應用流程圖

2)水閘工程：

水閘工程常在復雜的自然條件下運行，受各種因素影響，水閘的材料、結構和運營隨著工程的運營其危險度也不斷增加，確保工程安全和高質量運行，要對水閘進行精心管理，加強檢查和維修。在該工程中應用“BIM+”水利運維模型，主要是對水閘的日常管理和檢查維護。建立水閘監控點，接入環境監控系統、安全防范系統、通信系統、預警監測系統，收集水閘調度運行、日常監護、河段管理、水位、流速、降雨、日常巡檢、故障報修、設備、管理人員等信息存儲于各數據庫中，編輯水閘管理的屬性和功能，結合BIM+GIS精準化定位技術、智能巡檢技術、VR三維仿真系統，建立智能化的管理平臺。利用BIM技術對水閘主體及運營進行仿真模擬，從三維的角度查看水閘運營、維護情況。同時，在地圖上標注水閘檢修的出入口位置，實現智能管控，通過無線網絡傳輸數據，通過溫度傳感器、壓力傳感器等采集水閘運行實時數據，通過對數據進行換算處理，輸出相應信息在“BIM+”水利運維模型展示出來，通過接入的控制系統可自動控制閘門的開關。當實時監測數據超過設定的閾值時，自動觸發報警系統，報警系統通過通信系統傳遞到具體的負責人所綁定的手機上，負責人可第一時間掌握故障的精準位置，并做出及時的處理措施。事后將該次預警處理涉及數據和維修的情況反饋到系統中，更新BIM運維數據庫。提高管理效率、降低安全風險。基于“BIM+”技術綜合管理水閘工程應用詳見圖4。

圖4 基于“BIM+”技術綜合管理水閘工程應用流程圖

3 結 語

文章系統分析水利工程運營階段存在問題，提出BIM與云數據庫、GIS、物聯網等互聯網新技術相結合的“BIM+”水利運維模型，實現了水利運營階段的協同管理。在河道工程應用中，實現了全管線統一化、集成化的各協同管理和維護。在水閘工程應用中，實現了水閘精準管理和實時監測。“BIM+”水利運維模型可顯著提高管理效率、安全性、實時性、共享性、精確性等，有效降低運營維護的風險。目前該技術尚處于理論研究階段，相信隨著BIM技術和互聯網新技術的發展，“BIM+”技術將為水利工程運營的管理提供技術支持。