基于BIM的水電資產全生命周期管理系統架構及實踐

金和平，柳 東，張 睿，潘誠成

（中國長江三峽集團有限公司，北京市 100038）

0 引言

水電行業是資產密集型行業，設備、建筑物、基礎設施等固定資產在水電開發企業總資產中占超大比重，對企業具有決定性作用。水電企業既要在高度競爭的市場中使用和維護昂貴的資產裝備進行生產運營，又要遵守嚴格的行業和環境安全規范，對企業資產進行安全、精細化、高效管理，可以延長資產使用壽命，使資產投資收益最大化，無疑具有十分重要的意義。資產全生命周期管理就是實現該目標的一種管理體系。

1 全生命周期資產管理和BIM簡述

1.1 資產管理

關于資產管理的標準，目前主要有ISO 55000《資產管理—概述，原理和術語》《ISO 55001資產管理—管理體系—要求》《ISO 55002資產管理—管理體系—ISO 55001應用指南》等ISO標準文件，以及Crossrail企業標準《AD4s資產數據字典定義文檔》等。

根據《ISO 55000資產管理—概述，原理和術語》的定義，資產是一個項目或實體，對一個組織來說，它具有潛在或實際的價值。這種價值在不同的組織和利益相關者之間將有所變化，可以是有形的或無形的、金融性質的或非金融的性質。資產從開始被創建到其壽命結束的整個周期就是資產生命。資產管理是一個組織的高層管理人員、員工和利益相關者應實施規劃，控制行為（如政策、程序或監視行動）和監測活動，利用各種機會把風險降低到可接受水平的過程。資產管理涉及成本、機遇和風險的平衡，能夠使組織檢查不同等級的資產和資產系統的資產需求、資產性能等。

ALM是系統工程理論在資產管理上的應用。它從資產長期經濟效益出發，全面考慮資產的規劃計劃、采購建設、運行維護、技改報廢的全過程，在滿足安全、效益、效能的前提下追求資產全周期成本最優。資產全生命周期管理由全周期成本（life cycle cost）管理、效能管理（efficiency management）與安全管理（safety management）構成，其核心是通過確立適度的技術與運行標準，統籌規劃建設成本和運維成本，對資產全生命周期成本進行分析并決策，從而達到資產成本最優化。

1.2 BIM

BIM是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性五大特點。

BIM是一個設施（或建設項目）物理和功能特性的數字表達，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息；同時。也是一個共享的知識資源，為該設施從建設到拆除全生命周期中的所有決策提供可靠依據。在項目的不同階段，不同利益相關方在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協同作業（見表1）。

表1 BIM技術在全生命周期的應用價值Table 1 Application value of BIM technology in the whole life cycle

2 資產管理的現狀與挑戰

2.1 資產管理信息化現狀

在資產全生命周期資產管理中，每個生產環節（設計、施工、運維）、生產單元（單位）都各自建立自己所需要的系統、應用（進度與計劃類應用、監控與專業類應用、運營與維護類應用等），導致跨生產單元集成與應用較為困難。

2.2 數字化資產管理面臨的挑戰

2.2.1 數據量

以電子文件格式提交的大量設施竣工數據，被用于支持生產和運營。

2.2.2 復雜性

舊的數據必須得到有機的融合和管理，復雜的數據關系增加了錯誤的概率。

2.2.3 獲取知識

由于有經驗的人數和人類認知能力的局限性，需要對標準、設計原則和操作原理有統一的認識。

2.2.4 節約成本

實現運營和生產信息的分階段交付，更能節約成本和提高效率。

2.2.5 數據過濾過度

當決策者得到數據時，數據已經被過度過濾，已經喪失價值。信息和自動化的“各自為政”，給信息的查找、利用、分享帶來了挑戰。

2.2.6 資產周期長

資產設施的生命周期很長，設施的竣工數據必須長期保留，以確保安全生產。

3 解決方案

3.1 基于BIM的資產管理

在資產從設計、施工、運維到退役的全生命周期中，以資產數據字典定義（AD4s）、資產劃分結構（ABS）等標準規范為基礎，以BIM為載體，以CPMS（建設管理系統）/EAM（企業資產維護系統）為核心，將3D設計成果應用在施工、運維等階段。在項目竣工時，基于BIM技術實現建設期的完整數據信息全部移交。在運維階段持續進行管理，直至資產退役消亡。

通過BIM模型所定義的空間結構屬性、材料屬性、設備構件信息，為CPMS/EAM提供更精準、精細化、可視化的交付控制基準和WBS（工作分解結構），可視化模擬仿真施工及交付的全過程。CPMS/EAM可通過記錄工程施工過程、生產運營過程在物理資產實際構建、折舊的同時，結合BIM生成一個虛擬的工程數字資產。運維過程中，基于工程數字資產結合實際物理資產監測的物聯網數據反饋，建立模型計算分析，可以對資產進行智慧化的運營，從而使資產價值最大化。

3.2 系統架構

基于BIM的資產全生命周期資產管理，以CPMS/EAM為核心實現數據、文檔、業務邏輯等統一管理，以BIM為信息載體貫穿水電工程規劃設計、開發建設、生產運營全過程，以資產分解結構（ABS）為索引建立ABS、WBS等關聯關系，集成水電各專業數字化信息系統，最終形成水電工程資產全生命周期管理平臺（見圖1）。資產全生命周期管理系統又可以分為智慧化工程建設系統和智能化電力生產系統單獨部署應用[1]。

圖1 資產全生命周期管理架構Figure 1 Asset lifecycle management framework

4 基于BIM的資產全生命周期管理探索實踐

4.1 Crossrail工程的應用

《英國政府建筑行業戰略》指出 “到2016年，所有的政府投資項目都要應用BIM技術（所有項目和資產信息，文件和數據都要電子化）”，對參與建筑行業的運營商提出了明確且具有挑戰性的要求。同時，《英國政府軟著陸》（GSL）特別強調建造資產必須時刻圍繞社會效益、經濟效益和環境效益三大目標的達成，由于BIM技術不僅應用于設計和建造階段，更重要的是體現在運營和維護階段，所以該文件要求在資產的設計、建造過程中要時刻聚焦在資產如何管理、運維，如何移交，以及如何較早培訓運營商等方面，以便讓投資發揮更大的價值。

為更有效地管理資產，也為響應政府對BIM技術應用的要求，Crossrail發布了《Crossrail BIM原則》文件，目的是通過建立原則框架來闡述BIM環境對Crossrail的重要意義，包括BIM帶來的效益、影響，以及Crossrail如何利用這次機會實現技術更新，如何集成信息并提供給基礎設施管理者。以該文件為支撐，Crossrail將BIM技術應用提升到戰略高度，著力研究技術發展、信息管理系統數據采集、以BIM為主線貫穿建設過程這三方面主題，以求最大程度地應用數據和技術，實現資產全生命周期管理。

4.1.1 軟件支撐

為實現《英國政府建筑行業戰略》Crossrail提出在建設好實體鐵路的同時，要形成并向運營商移交一套對應的虛擬資產。在該目標的驅動下，Crossrail選擇了Bentley公司系列軟件產品并給所有項目承包商進行軟件應用授權，要求其在統一的軟件平臺下完成設計和建造過程。其中，文檔和資產信息管理采用了eB Insight軟件，三維建模采用了MicroStation軟件，設計協同采用了ProjectWise軟件，再輔以Bentley產品其他工具和GIS產品實現空間信息可視化等功能。

4.1.2 資產管理企業標準

Crossrail的資產管理企業標準主要包括《資產信息管理計劃》《資產鑒定標準》《資產信息合同條款》《資產數據字典定義文檔》等。

4.1.3 資產信息實現策略

資產信息實現策略包含配置管理、資產管理要求和標準、資產表示、資產結構分解、資產分類和定義、資產命名和標記、展示工具和狀態報告、資產信息提供程序等（見圖2）。

圖2 Crossrail資產信息實現策略Figure 2 Crossrail′s asset information implementation strategy

4.1.4 良好的資產管理實踐

Crossrail基于資產信息需求，通過技術推動，以公共數據環境作為真實數據來源，確保了組織和資產管理目標一致，實現了良好的資產管理實踐（見圖3）。

圖3 Crossrail的資產管理實踐Figure 3 Crossrail′s asset management practice

4.2 NIEAP的探索應用

俄羅斯國家核電工程公司（NIEAP）致力于在設計階段加強各專業（系統、土建和設備等）的協同和溝通，加強設計、采購、施工、調試各業務板塊的協同，成為全球核電EPC工程公司的領導者。

NIEAP應用達索系統的3D EXPERIENCE平臺實現了整合不同設計工具的跨專業協同設計，打造了統一的核電站3D設計成果（數字樣機DMU），同時應用Catia、ENOVIA和DELMIA等應用程序創新發明了Multi-D（多維）技術，提高了設計質量，并將3D設計成果應用在施工階段，基于3D模型進行施工仿真并優化了施工方案（見圖4、圖5）。

圖4 NIEAP的全生命周期管理業務架構（一）Figure 4 The whole life cycle management business architecture of NIEAP（No.1）

圖5 NIEAP的全生命周期管理業務架構（二）Figure 5 The whole lifecycle management business architecture of NIEAP（No.2）

4.3 三峽集團溪洛渡數字大壩

位于金沙江下游的溪洛渡水電站因規模大、難度高，成為世界上最具代表性的水電工程之一。在工程建設過程中，基于BIM技術建立大壩信息模型（DIM）和機電設備模型，研發溪洛渡拱壩施工監測與仿真分析系統。

4.3.1 DIM建立與應用

DIM作為高可靠度的施工進度動態仿真模型，實現全壩全過程施工進度與真實工作性態的精細耦合仿真，使大壩施工達到安全、快速、連續、均衡、高效的目標。DIM以三維數字技術為基礎、以三維地形地質和工程結構模型為核心，在工程規劃、設計和建造過程中動態集成基礎數據、環境數據、過程數據和監測數據等各類工程數據，重點實現面向大壩建造過程及工程全生命周期的建筑物綜合信息管理模型[2]。

在溪洛渡水電工程資產建設過程中，由工程設計單位完成拱壩及地質幾何形體建模，該模型承載工程設計參數及施工過程、進度數據、溫控數據、安全檢測數據、原材料參數及性能綜合數據、灌漿進度及質量數據等監測結果信息（見圖6～圖9）。

圖6 計劃與進度綜合對比分析Figure 6 Comprehensive comparative analysis of plan and schedule

圖7 帷幕灌漿進度形象展現Figure 7 Visual display of curtain grouting progress

圖8 固結灌漿地質改善情況擬合Figure 8 Fitting of geological improvement in consolidation grouting

圖9 云圖展示與等值線（面）提取Figure 9 Cloud image display and isoline （surface） extraction

DIM模型具有BIM模型的全部特性。利用模型可視化、模擬性等特性，實現綜合可視化效果展示，包括但不限于計劃與進度綜合對比分析、帷幕灌漿進度形象展現、固結灌漿地質改善情況擬合、云圖展示、等值線（面）提取、動態過程模擬等。

4.3.2 仿真分析系統

建立溪洛渡拱壩施工監測和仿真分析系統，以DIM模型和監測數據作為數據源，通過仿真參數發布接口輸入仿真算法與軟件，完成成果整理與結論評價后，再通過仿真任務管理與成果發布接口進行輸出，實現預警信息發布與決策支持。具體實施內容包含前處理、仿真計算、后處理三個階段的工作。

4.3.2.1 前處理

前處理包括有限元網格剖分、模型屬性參數設計、邊界條件設定等內容。

4.3.2.2 仿真計算

仿真計算包括混凝土澆筑計劃與進度仿真、單倉溫度與應力仿真、局部溫度與應力仿真、階段性溫度與應力仿真、全壩溫度與應力仿真以及安全評價、其他專題項目仿真與安全評價等內容。

4.3.2.3 后處理

后處理包括數據表結果呈現、過程歷時線展示與對比分析、三維數據分布場動態剖切分析、非結構化成果資料管理與發布、地質信息綜合查詢與三維展現等內容。

4.3.2.4 實踐價值

通過溪洛渡數字大壩的建設，實現全壩全過程施工進度與真實工作性態的精細耦合仿真。

一是形成高可靠度的施工進度動態仿真模型，實現安全、快速、連續、均衡、高效施工，創造了大型孔口群精細仿真均衡施工世界紀錄（見圖10）。

圖10 施工進度動態仿真Figure 10 Dynamic simulation of construction schedule

二是溫控控制及應力與澆筑形態控制耦合分析，全程跟蹤實時預警動態控制，實現溫度應力受控和進度動態優化（見圖 11）。

圖11 溫控及應力與進度耦合分析Figure 11 Coupling analysis of temperature control，stress and schedule

三是基于全壩全過程真實工作性態分析模型，實現全方位多場耦合分析。在認識層面，形成溫控防裂新途徑和理念、施工期結構安全控制和評價體系、庫岸庫水大壩整體作用機理、蓄水期運行期安全評價準則等成果；在應用層面，實現施工期跟蹤仿真和個性控制、蓄水運行期安全評價預警控制、非線性溫差對大壩應力影響分析、特殊工況下抗震安全分析評價等具體應用價值（見圖12）。

圖12 全方位多場耦合分析Figure 12 Omnidirectional multi field coupling analysis

4.4 機電設備三維可視化

以三峽工程管理系統（TGPMS）在機電設備管理的多年應用為基礎，結合電力生產管理系統，構建以三維可視化圖形設計與展示的機電設備全生命周期信息管理系統。該系統為三峽集團機電設備的管理和控制提供遠程的、直觀的信息服務平臺，為機電設備的訂貨、設計、制造、出廠、入庫、調撥、安裝、調試驗收、移交、運行、檢修、維護提供完整的信息基礎數據，以實現機電設備三維可視化全生命周期信息管理（見圖13）。

圖13 TGPMS機電設備三維可視化系統架構圖Figure 13 Three dimensional visualization system architecture of mechanical and electrical equipment based on TGPMS

通過建立對照表，記錄三維模型中設備的邏輯層次關系、設備的歷史版本記錄和設備ID與各個業務系統中設備代碼的映射關系，以此建立兩個異構系統中同一個設備部件的一一對照關系。三維展示系統通過讀取對照表生成的XML文件來顯示設備的相關信息和動態改變設備部件的展示外觀（見圖14）。

圖14 機電設備三維可視化的信息管理Figure14 Information management of 3D visualization of mechanical and electrical equipment

4.5 電站仿真培訓系統

仿真是通過建立實際系統模型，并利用模型對實際系統進行實驗研究的過程。系統仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術和計算機初等理論基礎之上的，以計算機和其他專用物理設備為工具，利用系統模型對真實或假設的系統進行試驗，并借助專家的經驗知識、統計數據和信息資料對實驗結果進行分析研究，進而做出決策的綜合實驗性學科。

水電站仿真是根據電站實際建立模型，進行計算和試驗，研究水電站和發電設備在特定條件下的工作行為和特征。建立OTS2000仿真培訓系統，系統由仿真監控、培訓考核管理及測評、虛擬現實、可視化建模組成。在水電站研究、規劃、設計、運行、試驗和培訓中發揮著重要作用。此外，仿真在航空航天、軍事、化工、交通、火電、核電、電網、變電站等領域有廣泛應用。

5 結語

三峽集團“十三五”期間已啟動ALM 和BIM云平臺專項規劃，在試點區域開展三維建模及模型應用。在現有TGPMS、電力生產管理信息系統基礎上，研發工程資產全生命周期管理信息平臺，融合BIM、物聯網、智能化等技術，構建清潔能源資產全生命周期管理平臺和完整解決方案。下一步將推進相關標準規范細化、平臺集成研發、BIM應用基礎框架和模型庫搭建等，并充分利用大數據、人工智能、區塊鏈技術，進一步完善平臺功能、豐富應用場景、發揮數據價值。