基于EIM技術的工程全生命周期數字化應用研究

文｜舒磊 王雪

BIM(Building Information Modeling) 技術是Autodesk 公司在2002年率先提出，目前已經在全球范圍內得到業界的廣泛認可。我國電力協會為突出BIM 技術在電力工程全生命周期的應用，將其含義升華為EIM（Engineering Information Modeling）。EIM 工程的內涵就是利用各種信息技術、三維數字化技術組建一套涉及到設計、勘測、施工等階段的信息化項目管理模式。伴隨其技術推廣和應用，EIM 工程全生命周期管理的理念在工程建設行業越來越得到廣泛認可。

EIM 技術助力行業數字化轉型

風力發電技術發展到今天已經相對成熟，其應用前景在全球能源枯竭的背景下也越來越光明。風電資源清潔無污染、安全可控，是一種優質的可再生新能源，分布式發電技術在我國已經得到廣泛的應用。風電場工程大多以工程承包為主要模式，精細化的工程管理是提高總承包工程附加值的最佳方法。利用EIM 技術能提高勘測設計的合理性及準確性，提高對工程項目的控制力，提高項目管理效率，增強企業競爭力。

圖1 關鍵技術示意圖

圖2 道路、風機、實景融合進行道路路徑優化選擇

EIM 是利用各種信息技術、三維數字化技術組建一套涉及到設計、勘測、施工等階段的信息化項目管理模式。風電場工程大多以工程總承包為主要模式，精細化的工程管理是提高總承包工程附加值最佳的方法。利用EIM 技術能提高勘測設計的合理性及準確性，提高對工程項目的控制力，能增加團隊的溝通實現項目的精細化管理。在信息化管理日趨成熟的條件下甚至會改變項目管理的模型，新的項目管理模式將有效的提高項目管理效率，增強企業競爭力。

風電場工程大多以工程承包為主要模式，在工程總承包業務中，工程管理普遍存在信息孤島、管理協同、資源配置等一系列問題。在精細化管理的理念指導下，充分利用三維數字化技術及信息化技術提高對工程項目的控制力，提高項目管理效率是主要目的。

以某風電場項目為例，該項目在工程勘測、設計、協同、工程管理四個方面都應用到了諸多三維數字化及信息化的關鍵技術。

勘測過程中使用的關鍵技術包括利用小型無人機攝影收集現場地形地貌的相片，通過實景建模技術利用相片計算生成風電場區域地形地貌的實景模型。施工圖階段，使用了三角翼機載激光雷達收集更精確的激光點云地形數據。

設計過程中使用的關鍵技術包括利用實景模型構建風電場區域的地形地貌三維數字化模型，利用三維數字化模型技術建立道路、風機、風機基礎、升壓站等模型。

采購及工程管理過程中使用的關鍵技術包括4D 施工計劃、運輸及吊裝模擬、工程量統計、移動終端管控。

協同過程中使用的關鍵技術則包括平臺中軟件各個專業軟件的設計文件通過ProjectWise集中管理，便捷的滿足了工程協同設計以及設計過程管理。項目設計及管理中需要工程數據在各個設計團隊、項目管理、監理等多個團隊交互使用，標準格式i-model 幫助解決了不同格式數據信息貫通的難題。

新的關鍵技術是相對于以往在工程中的常規手段及技術而言，新技術采用的最終目的都是為提高效率、提高準確度、提高管控能力服務。

EIM 技術在路徑優化選擇過程中的作用

進站道路路徑優化選擇是項目初步設計過程中的重點。傳統設計方法一般是工程師采用等高線平面圖及正射影像為依據，憑經驗選擇最佳路徑。傳統的工作方法因為是在“平面圖”上工作往往誤判地形的影響，導致后期發現路徑方案實施困難需要修改路徑。

在新的勘測設計方案中，使用了小型無人勘測攝影及實景建模。風電場山地地形復雜且覆蓋面積大，為了準確高效的收集地形地貌數據，在此工程中使用了小型無人攝影，并使用相片通過實景建模技術計算生成實景模型。通過實踐總結，小型四旋翼無人機實地航飛拍攝相片可以看到人力不便到達的地方，大大節約人力和時間?，F場勘測工作結束后，利用傾斜攝影技術計算航拍相片，生成三維實景模型。一方面能夠清晰的展示地形、地貌、地物，讓現實環境“一覽無遺”；另一方面還能現場收集最新數據，更為有效反映地形地貌的現狀。

道路路徑優化選擇的過程中，利用三維地形進行道路設計。通過道路模型、風機模型與實景地形模型的融合模擬工程環境，然后對道路路徑分析、比選，綜合評價之后選擇最優化的路徑。通過此方法完成的初步設計能真實準確的反映工程區域的現況，選擇的路徑可靠性高，在后期施工圖設計中能大幅減少路徑修改的幾率，道路土方工程量的估算準確性相應較高。在總承包工程中，提高了初步設計對施工圖階段及施工建造階段的支撐力度。

圖3 精細化設計，依據模型統計工程量

EIM 技術在施工圖設計過程中的作用

施工設計階段主要設計工作包括風機檢修平臺、運輸道路、風機基礎、集電線路、升壓站。施工圖階段的重要目的就是支持施工的可實施性，提供準確的設計及數據方便施工階段的施工及質量管控。傳統設計方法一般為“CAD 畫圖”，設計過程中道路土方、集電線路升壓站材料都難以精細化。

在研究道路精細化設計及土方核算的過程中，使用了三角翼機載激光雷達收集更精確的激光點云地形數據。地形高程模型是道路設計、檢修平臺設計的輸入條件之一，地形高程模型的精度直接影響到道路的精度及其土方工程量計算的精度。為了提高地形高程數據的精度，本工程施工圖階段采用機載激光雷達獲取激光點云地形高程模型，最終轉化為等高線地形以供設計。風電場施工圖階段完成道路詳細設計；道路詳細設計包括：縱坡、橫坡及護坡?？梢垣@得直觀的三維道路模型，并能計算出道路施工的土方工程量，為施工投資控制提供了數據支持。

秉承精細化管理的理念，在工程設計中充分發揮三維數字化設計精細化的特點，通過三維模型把設計細化到“道路的放坡、風機基礎的鋼筋、集電線路的電纜、升壓站的詳細布置”。精確的工程模型作為施工管控的依據，提供了數據，支持了量化控制，達到了精細化管理的要求，提高了工程的質量。

EIM 技術在施工建造過程中的作用

施工建造階段主要控制內容包括施工進度、工程造價、施工質量，在管控過程中協調各個部門多團隊協同工作。

施工過程計劃為主軸，本項目中使用了4D工程計劃模型的技術。模型與甘特圖的時間計劃同步，模型采用不同顏色顯示工程的進展狀態，便于管理者做出決策。

精確的工程模型作為施工管控的依據，為項目相關管理人員提供了數據，支持了量化控制，達到了精細化管理的要求，提高了工程的質量。管控過程中利用Projectwise 協同、移動終端、三維模型等技術手段，提供了便利的協同。強大的協同能力進一步幫助設計團隊、施工管理團隊、監理、工程管理團隊共同工作。通過施工團隊、監理團隊采集道路施工關鍵數據，反饋給設計團隊。通過三維模型及數據對比，控制質量。不同顏色反應工程狀態；紅色需要修改，藍色等待數據反饋，橘紅施工、校核已確認。

EIM 工程應用的成效

通過風電場總承包工程中利用EIM 的創新勘測設計、施工管理手段與傳統方法相比較體現了眾多優勢。

EIM 工程的應用優點體現在各專業協同設計、方案展示、設計優化、流程優化、提高設計質量、提升設計效率、減少設計返工、設計施工一體化、改善施工管理、縮短工期、降低工程總投資、提升工程控制力等多個方面。在某風電工程中具體經濟成效如下：

在設計階段，風電工程項目采用三維數字化設計，各專業在統一的模型空間中進行協同設計對道路路徑進行優化比選，完成道路詳細的設計，減少了人工設計校核的工作量，大幅提高設計效率；在施工過程中大大減少了施工返工率。據統計，有效避免了后期返工10 余處，節約項目投資50 萬余元。

項目采用三維模型完成電纜布置、電纜路徑規劃等工作，通過電纜模型與數據的支持，在統計電纜工程量時提供準確的數據，節約投資30 萬余元。

采用三維高程地形模型進行場地平整土方計算，并生成網格土方施工圖，提出最優的土方施工方案。項目通過最優的土方平衡方案，使挖方土在填方施工場地區域消化，減少土方外運。

圖4 可視化工程計劃模型

項目采用三維數字化設計進行了全廠建筑、結構、水暖、道路地坪模型布置。利用模型進行地下管道及基礎碰撞檢測，在設計階段修改了16 處碰撞，提高了設計質量。

EIM 技術在工程設計領域發展的展望

EIM 技術在設計領域相比傳統設計“CAD畫圖”方法有著更豐富的技術手段，其關鍵技術包括構建地形地貌實景三維數字化模型，建立工程三維數字化模型，協同設計、碰撞檢測、工程量統計等。

目前三維數字化設計大部分工作由工程師手動完成，效率有待提高，三維設計軟件的功能有很大提升空間。數據互通、設計規則定制、建模出圖自動化等手段的應用將會使三維數字化設計從手動設計發展為自動化設計。

當設計自動化階段完成后，基本已具有工程模型、數據、設計規則高度集成的三維軟件及工程數據庫。下一階段再深化研究工程輸入條件對設計方案及結果的影響，研究、提煉智能設計方法，使自動化設計提升到智能設計。當技術達到智能設計階段將全面解放工程師的生產力，提高工程設計質量和效率。

以互聯網為代表的新技術革命正席卷全球，加速向經濟社會各領域滲透融合，不斷催生新產品、新業務、新模式、新業態，深刻改變著個人生活、企業生產、經濟運行、社會管理和公共服務。信息化技術包含大數據、物聯網、云計算、移動互聯網等技術內涵。

三維數字化設計技術是地理信息系統、三維建模技術、數字化協同設計技術、數字化設計成果移交技術的集成應用。三維數字化模型具備關聯性、唯一性、溯源性等特征，三維數字化成果包含大量基礎信息，適合輔助從規劃設計到建設運行各階段的管理要求。

EIM 工程的研究應用為信息化工程管理提供了基礎支持。三維數字化模型歸納到工程數據中心，可以對數據進行梳理和歸納。通過工程數據中心數據的支持，三維模型對工程的可視化，再配合項目管理系統可以形成一套可視化的項目管理系統。梳理項目管理信息系統應包括以下內容：項目綜合管理、合同管理、成本管理、資金管理、分包管理、進度管理、材料管理、機械設備管理、質量管理、安全管理、技術資料管理、報表管理。最終融合成一套利用各種信息技術，涉及到設計、勘測、施工、運維等項目全生命周期各階段的信息化項目管理模式。

當今，精細化的工程管理理念在行業內已經達成共識。利用好信息化項目管理系統及三維數字化模型全生命周期管理的輔助，將能增強對工程的控制力，并達到工程管理精細化的目的。這種工程管理模式能儲存工程中的過程信息數據，并在經驗積累的過程中，不斷地改進、完善工程管理信息系統，從而提高工程管理水平，提高企業競爭力。

圖5 道路施工管控過程示意圖