基于 BIM 技術(shù)應(yīng)用的智慧污水管控平臺(tái)

本項(xiàng)目為長(zhǎng)沙市南部的雨花污水處理廠(chǎng)，污水總規(guī)模為 Q＝18 萬(wàn) m3/d，規(guī)模類(lèi)別屬 3 類(lèi)，按總規(guī)模進(jìn)行總體布局，分 3 期進(jìn)行，每期規(guī)模為一期規(guī)模 Q＝6萬(wàn) m3/d，截至 2021 年底，一期為已運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，BIM 運(yùn)維平臺(tái)已可使用；二期正進(jìn)行配管和泵站工程建設(shè)，廠(chǎng)區(qū)中為待開(kāi)發(fā)階段。本水廠(chǎng)共 15 個(gè)子項(xiàng)，包含了廠(chǎng)區(qū)、粗格柵及提升泵房、細(xì)格柵及旋流沉砂池、A/O 生物池、配水渠及污泥泵房、二沉池、配水井、高密度沉淀池、濾池、紫外線(xiàn)消毒及計(jì)量渠、加藥間、鼓風(fēng)機(jī)房及配電間、污泥均質(zhì)池、污泥脫水間、綜合樓、傳達(dá)室、門(mén)衛(wèi)。本項(xiàng)目的主要應(yīng)用為采用 BIM 技術(shù)在工程階段減少圖紙錯(cuò)誤、降低項(xiàng)目變更、優(yōu)化項(xiàng)目工程管理，提升項(xiàng)目品質(zhì)，并建立了基于 BIM 數(shù)據(jù)的智慧水廠(chǎng)管控平臺(tái)，使水務(wù)信息數(shù)字化、決策支持智能化、應(yīng)急處置聯(lián)動(dòng)化，提升水廠(chǎng)整體管控效率，降低管理成本。

1 工程階段的 BIM 技術(shù)應(yīng)用

項(xiàng)目前期進(jìn)行 BIM 技術(shù)應(yīng)用的規(guī)劃，從明確項(xiàng)目目標(biāo)開(kāi)始，共進(jìn)行了七個(gè)階段的BIM流程應(yīng)用。包含了編制項(xiàng)目應(yīng)用指南和標(biāo)準(zhǔn)、組建項(xiàng)目 BIM 工作組、梳理項(xiàng)目工作內(nèi)容、配備 BIM 應(yīng)用資源配置（軟、硬件）、設(shè)計(jì)階段 BIM 應(yīng)用實(shí)施、施工階段 BIM 應(yīng)用實(shí)施、運(yùn)維平臺(tái)整備。項(xiàng)目采用了企業(yè) BIM 管理平臺(tái)進(jìn)行了 BIM 云端的三維設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)。在平臺(tái)上進(jìn)行項(xiàng)目模型、文檔、圖紙、數(shù)據(jù)和問(wèn)題的綜合管理。

在工程應(yīng)用中，首先利用了 Google earth 貼面和地勘數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，生成了三維可視化地形，并進(jìn)行地形高程、坡度的分析評(píng)定，繼而就不同開(kāi)挖方案在 Civil3D 進(jìn)行土方量的比對(duì)。然后利用 Revit 進(jìn)行了工藝單體和管線(xiàn)的建模，建模過(guò)程中，設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題將會(huì)大量的暴露，圖紙上的各專(zhuān)業(yè)的綜合問(wèn)題，綜合廠(chǎng)區(qū)管網(wǎng)的碰撞問(wèn)題尤為嚴(yán)重，本項(xiàng)目在進(jìn)行三維協(xié)調(diào)管理的同時(shí)，還進(jìn)行湖南省 BIM 審查平臺(tái)的測(cè)試，保證了設(shè)計(jì)不違反強(qiáng)條和規(guī)范的同時(shí)還提升了成果的交付質(zhì)量。另外在進(jìn)行 BIM 模型優(yōu)化時(shí)，需要精確定位了各個(gè)單體之間、單體與廠(chǎng)區(qū)管線(xiàn)之間的接駁定位，并利用軟件得出了所有廠(chǎng)區(qū)管線(xiàn)端頭點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，輔助進(jìn)行水利計(jì)算和綜合管網(wǎng)排布。這其中對(duì)于復(fù)雜的管線(xiàn)交叉點(diǎn)的數(shù)據(jù)排查和重力流管道的方向以及覆土深度的綜合考慮極為重要。

另外，BIM 軟件的出圖功能也較為實(shí)用，可以直接進(jìn)行施工圖的出圖和三維圖紙的補(bǔ)充，而三維圖紙的表達(dá)則更加清晰明了，對(duì)于施工指導(dǎo)的效果也更好。本項(xiàng)目的施工過(guò)程中也利用模型進(jìn)行了大量的深化工作和交底工作，例如對(duì)空間緊湊的鼓風(fēng)機(jī)房進(jìn)行檢修通道和主要人員的通道的分離設(shè)計(jì)，對(duì)假藥管溝進(jìn)行了綜合排布定位，減少了交叉重疊現(xiàn)象，對(duì)弧形定位支架進(jìn)行三維預(yù)制數(shù)據(jù)提取。

施工過(guò)程中，本項(xiàng)目提前規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)施工平面，并在模型中進(jìn)行管理，根據(jù)施工的進(jìn)度，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工臨建進(jìn)行補(bǔ)充，使現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地布置情況按施工進(jìn)度進(jìn)行更新。然后對(duì)設(shè)計(jì) BIM 模型進(jìn)行了進(jìn)一步的深化，包括對(duì)模板、腳手架、施工圍擋等臨時(shí)構(gòu)建，充分利用模型對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行細(xì)節(jié)上的深化和構(gòu)件空間關(guān)系的排布，使得施工更加合理，過(guò)程中對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判和修改完成，保證施工的整體質(zhì)量。而大型設(shè)備和大型管道，還進(jìn)行了吊裝模擬，保證了施工的順利進(jìn)行。

2 運(yùn)營(yíng)維護(hù)信息的整備

因?yàn)楸卷?xiàng)目在前期就規(guī)劃了 BIM 運(yùn)維系統(tǒng)的建設(shè)，所以在即將竣工投入使用的時(shí)間段，進(jìn)來(lái)大量工程信息的記錄和整理。首先在可視化模型上，需要保證現(xiàn)場(chǎng)和模型的一致性，這便牽涉了大量工廠(chǎng)設(shè)備、材料信息的提取和模型的更新，其中需要復(fù)核設(shè)備、材料與原始設(shè)計(jì)資料的差異，包含了設(shè)備材料的基礎(chǔ)性能參數(shù)信息、空間位置信息、設(shè)備安裝時(shí)間、外形尺寸信息和生產(chǎn)廠(chǎng)家維保信息等。在收集實(shí)際使用的設(shè)備數(shù)據(jù)的同時(shí)，BIM 項(xiàng)目組人員定期趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的影像記錄和設(shè)備實(shí)測(cè)，特別對(duì)于隱蔽工程，項(xiàng)目部會(huì)提前通知BIM項(xiàng)目組人員記錄后再進(jìn)行施工。本項(xiàng)目除了采用傳統(tǒng)的相機(jī)記錄，還采用了無(wú)人機(jī)拍攝模型，保證模型可以還原現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)性。設(shè)備和材料信息會(huì)按后續(xù)運(yùn)維需求進(jìn)行整理，形成 BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)。

模型數(shù)據(jù)收集整好了后需要進(jìn)行模型的整理劃分。此步驟可以先在BIM模型中進(jìn)行處理，包含了系統(tǒng)管理的劃分，空間管理的劃分，視圖管理的劃分。本項(xiàng)目重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)管理的劃分，按照水廠(chǎng)的功能需求，分別建立了污水處理系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、流量及液位監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)需要建立單獨(dú)視圖以便于導(dǎo)入平臺(tái)。而空間上則按照水廠(chǎng) 15 個(gè)單體逐一建立空間管理視圖，視圖中對(duì)土建、工藝進(jìn)行單獨(dú)視圖區(qū)分。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)則由水廠(chǎng)管理團(tuán)隊(duì)為我們提供數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)接入，包含了水廠(chǎng)參數(shù)監(jiān)控設(shè)備信息的數(shù)據(jù)錄入，工藝設(shè)備信息的錄入，液位設(shè)備信息的錄入，自控設(shè)備的信息錄入等水廠(chǎng)主要信息化設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與錄入。

3 智慧污水管控平臺(tái)搭建

本項(xiàng)目智慧污水管控平臺(tái)搭建旨在為滿(mǎn)足現(xiàn)今水務(wù)智能化管理的需求，要求實(shí)現(xiàn)水廠(chǎng)的智能化控制、智能化輔助管理，智能化數(shù)據(jù)分析等功能，平臺(tái)需要接入現(xiàn)有的設(shè)備系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)積累為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)，并逐步利用數(shù)據(jù)實(shí)施智能化管理，為管理人員提供操作的數(shù)據(jù)建議和風(fēng)險(xiǎn)閥值控制。最終逐步搭建出集合物聯(lián)網(wǎng)控制、三維可視化、移動(dòng)端管理，大數(shù)據(jù)分析智能化決策于一體的綜合化智能水廠(chǎng)管理平臺(tái)。

3.1 平臺(tái)技術(shù)路線(xiàn)

平臺(tái)的建立的路線(xiàn)可以分了 5 個(gè)層級(jí)，包含了交互層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、設(shè)備層、應(yīng)用層。平臺(tái)的交互層選取了基于 HTML5 網(wǎng)頁(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的WEB客戶(hù)端，采用了 B/S 設(shè)計(jì)降低對(duì)用戶(hù)終端設(shè)備的要求，可以使操作員通過(guò)普通瀏覽器即可輕松地完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置、管理和維護(hù)。平臺(tái)的服務(wù)層則建立了存儲(chǔ)服務(wù)、BIM 三維引擎接口、數(shù)據(jù)交互中建件、模型轉(zhuǎn)換服務(wù)四個(gè)內(nèi)容，可以將 BIM 模型直接導(dǎo)入平臺(tái)并進(jìn)行輕量化處理，并采用 WebGL 在線(xiàn)渲染進(jìn)行三維顯示。平臺(tái)的數(shù)據(jù)層建立了 BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)、BIM 引擎私有云、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器資源池，各類(lèi)數(shù)據(jù)可供平臺(tái)分別調(diào)用。平臺(tái)的設(shè)備層主要對(duì)接水廠(chǎng)的各類(lèi)生產(chǎn)設(shè)備，本項(xiàng)目主要接入了水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備、水量檢測(cè)設(shè)備、能耗檢測(cè)設(shè)備、藥耗檢測(cè)設(shè)備、安防檢測(cè)設(shè)備、有害氣體傳感器等。平臺(tái)的應(yīng)用層主要對(duì)針對(duì)用戶(hù)的使用功能進(jìn)行定制，主要分層了三維管理、生產(chǎn)管理、決策管理、其他內(nèi)容幾個(gè)板塊。

3.2 平臺(tái)功能

本項(xiàng)目智慧污水管控平臺(tái)將水廠(chǎng)、設(shè)備、管網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)管理，并通過(guò) BIM 模型實(shí)現(xiàn)三維可視化。同時(shí)，將設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入運(yùn)維平臺(tái)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一控制和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了水務(wù)信息數(shù)字化、決策支持智能化、應(yīng)急處置聯(lián)動(dòng)化，達(dá)到對(duì)水務(wù)工作全生命周期的管理。

平臺(tái)界面主要有數(shù)據(jù)總覽艙、全景展示、工藝流程、設(shè)備臺(tái)帳、安防管理、能耗管理、自控系統(tǒng)幾個(gè)主要選項(xiàng)板塊。在數(shù)據(jù)總覽艙界面可以直接查看一些簡(jiǎn)要的信息，例如設(shè)備的情況和檢測(cè)數(shù)據(jù)，污水處理當(dāng)量、實(shí)時(shí)流量、出水狀況、加藥狀況、電耗狀況、監(jiān)控狀況、報(bào)警信息。全景展示用來(lái)直接查看污水廠(chǎng)整體三維模型，模型包含土建及機(jī)電，模型中可以對(duì)各工藝設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和展示。工藝流程用來(lái)查看水廠(chǎng)的各類(lèi)工藝流程，并提供相應(yīng)的二維流程供用戶(hù)點(diǎn)擊，單擊后可以對(duì)此單體進(jìn)行模型及數(shù)據(jù)查看。設(shè)備臺(tái)帳記錄廠(chǎng)區(qū)內(nèi)所有的使用設(shè)備列表，可以單機(jī)列表快速定位設(shè)備，查看設(shè)備的運(yùn)行狀況，并提供設(shè)備維修、保養(yǎng)信息等。安防系統(tǒng)主要搭建了設(shè)備報(bào)警、視頻監(jiān)控，設(shè)備報(bào)警中心匯總了水廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中所有異常報(bào)警以便集中處理，點(diǎn)擊列表里的條目，模型中會(huì)飛往報(bào)警設(shè)備所在位置。視頻監(jiān)控匯總了水廠(chǎng)所有監(jiān)控?cái)z像頭信息，用戶(hù)可自由從攝像頭清單將想查看的區(qū)域拖入九宮格區(qū)域并行展示，可以同界面查看 9 臺(tái)攝影機(jī)。能耗管理主要從總電耗、每噸水電耗、單位 COD 電耗 3 個(gè)指標(biāo)展示歷史數(shù)據(jù)，并以圖表形式實(shí)時(shí)展示各時(shí)間尺度下的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。能耗管理下面還嵌入了藥耗管理，通過(guò)圖表實(shí)時(shí)顯示藥耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并區(qū)別設(shè)立了理論加藥量、實(shí)際加藥量、各單體藥耗歷史數(shù)據(jù)，繼而通過(guò)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正與優(yōu)化。自控系統(tǒng)結(jié)合了原 PLC 控制系統(tǒng)，在三維模型單體獨(dú)立查看生產(chǎn)情況，包括監(jiān)控單體內(nèi)各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)，并在自控設(shè)備上提供選項(xiàng)，可實(shí)時(shí)操作車(chē)間內(nèi)各生產(chǎn)設(shè)備，操作結(jié)果也將在上方狀態(tài)展示面板中實(shí)時(shí)反饋。

4 結(jié) 語(yǔ)

BIM 技術(shù)在工程方面相提供更加精細(xì)化、準(zhǔn)確化的技術(shù)手段，可以極大的提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，而施工中模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)意義重大，特別是對(duì)于復(fù)雜的工程點(diǎn)，可以預(yù)先進(jìn)行模擬，規(guī)避錯(cuò)誤做法，整體上降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)和管理難度，提高了項(xiàng)目質(zhì)量，節(jié)省項(xiàng)目成本。基于 BIM 模型的智慧污水管控平臺(tái)則在管理上更加直接可靠，將原始的多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整合，提供可視化的平臺(tái)，并建立智能化管理的多個(gè)板塊，在三維模型上進(jìn)行設(shè)備操控也更為直觀(guān)清晰，不管是設(shè)備檢修、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取、故障預(yù)警、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一體化等，都比以往更為方便，另外智能化的功能增加，相比于以往靠人工經(jīng)驗(yàn)的方式，更是巨大的進(jìn)步。總體來(lái)說(shuō)，平臺(tái)提升水廠(chǎng)了的管理效率，實(shí)現(xiàn)水廠(chǎng)自動(dòng)與智能的深度融合。