基于BIM的海上風(fēng)電全生命周期建設(shè)管理平臺(tái)研究

楊瑞睿，滕 彥

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

基于BIM的海上風(fēng)電全生命周期建設(shè)管理平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)在于通過(guò)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維期三維BIM信息模型以及物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的整合，構(gòu)建一個(gè)面向場(chǎng)區(qū)提供集多元化服務(wù)渠道：設(shè)計(jì)施工、資產(chǎn)管理、風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控管理、運(yùn)維綜合服務(wù)、決策支持中心等多種服務(wù)為一體的“智慧服務(wù)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)”。

一是利用前期在設(shè)計(jì)施工竣工階段的模型及信息在隱蔽工程及重要設(shè)施方面進(jìn)行有效維護(hù)和精益管理；二是充分利用三維直觀的表現(xiàn)方式在進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案的規(guī)劃及處理時(shí)進(jìn)行有效的科學(xué)管理；三是經(jīng)過(guò)運(yùn)維階段各種數(shù)據(jù)的不斷積累，在BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立云端專家?guī)欤浞掷弥R(shí)系統(tǒng)的力量進(jìn)行高效決策，同時(shí)也節(jié)約了人力成本[1]。以互聯(lián)互通和信息共享為目的，以各類智慧化技術(shù)為基礎(chǔ)支撐，關(guān)聯(lián)相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用和功能，實(shí)現(xiàn)貫穿海上風(fēng)電項(xiàng)目全生命周期的資產(chǎn)和數(shù)據(jù)信息管理，為智慧化服務(wù)決策提供指導(dǎo)和參考依據(jù)[2]。

1 勘測(cè)設(shè)計(jì)階段建設(shè)管理平臺(tái)

1.1 風(fēng)場(chǎng)BIM模型管理

根據(jù)場(chǎng)區(qū)風(fēng)機(jī)規(guī)劃布置及分組情況，建立海上風(fēng)電場(chǎng)整體規(guī)劃模型，包括風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型、風(fēng)機(jī)機(jī)組模型、海上升壓站模型、地形地質(zhì)模型，模型深度同施工圖出圖深度。

1.2 海上升壓站模型管理

完成海上升壓站下部導(dǎo)管架和上部平臺(tái)整體的三維建模。包括結(jié)構(gòu)(含鋼結(jié)構(gòu))、電氣、舾裝、暖通、消防等專業(yè)的建模，模型深度同施工圖出圖深度。

1)保證結(jié)構(gòu)、電氣、舾裝、暖通、消防等各專業(yè)模型的參考軸網(wǎng)和原點(diǎn)統(tǒng)一一致；電氣、暖通所有管線通過(guò)不同顏色將各專業(yè)管線進(jìn)行區(qū)分；BIM模型各專業(yè)精準(zhǔn)定位，具有專業(yè)規(guī)范的構(gòu)件(如彎頭、三通、閥門等)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格。

2)通過(guò)參數(shù)化的設(shè)計(jì)方式對(duì)梁節(jié)點(diǎn)、異形構(gòu)件或可復(fù)用性高的構(gòu)件進(jìn)行快速模型建立及參數(shù)化調(diào)整。

3)根據(jù)各專業(yè)建立的三維BIM模型，對(duì)其對(duì)應(yīng)二維圖紙的正確性和準(zhǔn)確性進(jìn)行校核審查。

4)總裝后的電氣、暖通、消防和建筑結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)重點(diǎn)區(qū)域的凈高要求和復(fù)雜區(qū)域的管線排布模型和管線綜合布置原則，對(duì)其空間定位和排列方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1.3 沖突檢測(cè)及三維管線綜合優(yōu)化

根據(jù)各專業(yè)的總裝模型，應(yīng)用BIM軟件沖突檢測(cè)功能校核各專業(yè)設(shè)計(jì)間的碰撞和沖突，進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙范圍內(nèi)管線布置與結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備平面布置和豎向高程相協(xié)調(diào)的三維協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，最大程度避免不同專業(yè)設(shè)計(jì)模型的空間沖突，減少碰撞，防止設(shè)計(jì)缺陷遺留到施工階段[3]，如圖1所示。

圖1 升壓站平臺(tái)碰撞檢測(cè)及模型優(yōu)化

整合匯總結(jié)構(gòu)、舾裝、電氣、暖通、消防等各專業(yè)的BIM模型，生成總裝后的建筑信息模型。設(shè)置沖突檢測(cè)及管線綜合優(yōu)化應(yīng)用模塊的相關(guān)參數(shù)和檢測(cè)原則，對(duì)總裝模型中各專業(yè)間或?qū)I(yè)內(nèi)的沖突和碰撞進(jìn)行查找檢測(cè)并生成沖突檢測(cè)及管線綜合優(yōu)化報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括沖突檢測(cè)及管線綜合優(yōu)化應(yīng)用模塊的相關(guān)參數(shù)和檢測(cè)原則、識(shí)別出的沖突和碰撞的空間位置及詳細(xì)記錄、針對(duì)沖突和碰撞的調(diào)整優(yōu)化方案，以及調(diào)整優(yōu)化后的修改對(duì)比說(shuō)明。

1.4 三維圖冊(cè)

三維圖冊(cè)包括管綜出圖、三維模型視圖和渲染圖(如圖2)。根據(jù)優(yōu)化后的BIM模型，在管線復(fù)雜區(qū)域給出管線綜合剖面圖及軸測(cè)視圖，并標(biāo)注相關(guān)尺寸反映精確豎向標(biāo)高，改變了以往傳統(tǒng)的單專業(yè)二維出圖方式，以多專業(yè)整合的出圖方式來(lái)表現(xiàn)空間之間的位置，以便于配合施工。

圖2 三維模型渲染圖冊(cè)

三維模型視圖是在三維模型中直接選取一定范圍、任意視角的未經(jīng)貼圖或渲染而直接輸出成圖片，渲染圖是三維模型經(jīng)過(guò)專業(yè)渲染軟件貼圖及光線設(shè)置等操作輸出成接近現(xiàn)實(shí)的照片級(jí)圖片[4]。

1.5 工程量計(jì)算

通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的詳細(xì)建模，可根據(jù)實(shí)際需求定制出多種工程量報(bào)表形式，供后續(xù)施工深化及下料指導(dǎo)。

1.6 移動(dòng)端施工交底

通過(guò)將BIM模型進(jìn)行輕量化后導(dǎo)入移動(dòng)端應(yīng)用，可配合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工交底。工程人員可不用攜帶手提電腦，隨時(shí)隨地鏈接到設(shè)計(jì)環(huán)境，查看設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)及項(xiàng)目進(jìn)程，使用“類似游戲”的觸摸手勢(shì)在三維環(huán)境中瀏覽，通過(guò)審查選定對(duì)象的屬性、篩選以查找類似對(duì)象或僅顯示匹配特定，來(lái)縮放分析模型中的對(duì)象以及實(shí)現(xiàn)行走和飛行效果。通過(guò)交互式功能，現(xiàn)場(chǎng)人員可直觀瀏覽三維建筑模型和相關(guān)工程文檔。利用iPad的運(yùn)動(dòng)傳感器和觸摸屏，不但可獲得全景視圖，還能獲知對(duì)象屬性。例如，可以通過(guò)點(diǎn)選來(lái)獲得確定管道的壁厚、其噴漆顏色或額定壓力。檢查設(shè)計(jì)、標(biāo)注以及安全檢查等。

2 施工建設(shè)階段建設(shè)管理平臺(tái)

2.1 施工深化建模

完成風(fēng)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)和海上升壓站施工深化三維建模。根據(jù)自身施工特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行施工面的劃分，風(fēng)場(chǎng)部分包括風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)機(jī)組、地形地質(zhì)的模型深化，海上升壓站包括結(jié)構(gòu)(含鋼結(jié)構(gòu))、電氣、舾裝、暖通、消防等專業(yè)的模型深化，模型深度同施工深化圖出圖深度。

1)深化模型需建立各系統(tǒng)支管且需建立安裝支吊架；設(shè)備構(gòu)件(如彎頭、三通、閥門等)數(shù)據(jù)庫(kù)同時(shí)需附加廠商信息及相關(guān)安裝制造信息；鋼結(jié)構(gòu)模型需建立鋼結(jié)構(gòu)詳細(xì)節(jié)點(diǎn)，按照廠家產(chǎn)品要求進(jìn)行分段處理，復(fù)核與現(xiàn)場(chǎng)情況是否一致。

2)根據(jù)各專業(yè)建立的三維BIM模型，對(duì)其對(duì)應(yīng)二維圖紙的正確性和準(zhǔn)確性進(jìn)行校核審查。

2.2 沖突檢測(cè)及三維管線綜合優(yōu)化

沖突檢測(cè)及三維管線綜合優(yōu)化操作流程同施工圖設(shè)計(jì)階段，此處不再贅述。

2.3 三維圖冊(cè)

施工圖深化后的三維圖冊(cè)相對(duì)施工圖階段更加深入和詳細(xì)，根據(jù)優(yōu)化后的BIM模型，在管線復(fù)雜區(qū)域給出管線綜合剖面圖、局部3D圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖等，并標(biāo)注相關(guān)尺寸反映精確豎向標(biāo)高(如圖3)。

圖3 施工深化后三維渲染圖冊(cè)

2.4 工程量計(jì)算

通過(guò)BIM建模將工程設(shè)計(jì)以空間實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行表達(dá)、驗(yàn)證和優(yōu)化，因此，BIM模型具有二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)不可比擬的準(zhǔn)確度，從BIM模型導(dǎo)出的工程量和材料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具備較高的可信度和實(shí)用性，軟件算法也可大大提高統(tǒng)計(jì)工程量統(tǒng)計(jì)的精度和效率。導(dǎo)出的工程量和材料統(tǒng)計(jì)結(jié)果可直接應(yīng)用于工程預(yù)算分析，為工程的投資分析、造價(jià)控制和竣工決算提供可靠的依據(jù)[5]。

1)鋼結(jié)構(gòu)詳圖工程量：鋼結(jié)構(gòu)深化BIM模型可導(dǎo)出鋼構(gòu)件預(yù)裝配模型及其相關(guān)參數(shù)，通過(guò)編碼和標(biāo)注示意形成鋼結(jié)構(gòu)加工示意圖和工程材料統(tǒng)計(jì)表，導(dǎo)出的圖紙和材料統(tǒng)計(jì)表經(jīng)施工單位確認(rèn)審核后即可直接報(bào)送廠家下料生產(chǎn)。

2)管道設(shè)備工程量：針對(duì)深化后的機(jī)電管道，可統(tǒng)計(jì)相關(guān)管道用量、管件、設(shè)備工程量及支吊架工程量。

2.5 虛擬施工模擬

1)4D施工組織方案模擬：根據(jù)工程分部分項(xiàng)劃分情況、施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)度、工程施工特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)三維模型進(jìn)行實(shí)體切割，形成可以反映施工作業(yè)對(duì)象和結(jié)果的施工作業(yè)單元實(shí)體模型[6]。以可視化的形式對(duì)施工建造的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件、工序和步驟以及資源消耗情況進(jìn)行模擬和仿真，更全面、綜合的分析施工組織設(shè)計(jì)的可行性和優(yōu)劣。將三維模型、施工設(shè)備、施工臨建設(shè)施與周邊環(huán)境和建筑物進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞檢查形成碰撞檢測(cè)報(bào)告，從而對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和查漏補(bǔ)缺，同時(shí)能夠更直觀反映出施工總布置設(shè)計(jì)的合理性，從而優(yōu)化施工規(guī)劃布局。采用BIM進(jìn)行虛擬施工模擬，需將施工總布置的BIM空間模型與施工進(jìn)度的時(shí)間計(jì)劃互相關(guān)聯(lián)，形成含義空間和時(shí)間信息的4D施工資源信息模型，通過(guò)動(dòng)畫預(yù)演進(jìn)度對(duì)整體施工方案進(jìn)行優(yōu)化及調(diào)整(如圖4)。

圖4 虛擬施工模擬

2)專項(xiàng)BIM施工方案：針對(duì)施工過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵工序，利用BIM模型進(jìn)行施工工序和步驟的動(dòng)態(tài)模擬，分析施工方案中存在的不足和需要重點(diǎn)關(guān)注的步驟，提前采取針對(duì)性的措施和手段，從而提高施工方案的可行性，模擬海上風(fēng)電工程實(shí)際施工環(huán)境進(jìn)行可視化預(yù)演模擬，加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜工序的可控性，此外，專項(xiàng)BIM施工方案模擬也可用于施工交底和培訓(xùn)。

2.6 施工BIM管理平臺(tái)

1)結(jié)合Project等施工進(jìn)度計(jì)劃軟件，基于BIM模型在BIM施工管理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)計(jì)劃時(shí)間與實(shí)際施工時(shí)間對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工進(jìn)度偏差，提供施工效率，調(diào)整工程進(jìn)度計(jì)劃。并結(jié)合進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)比計(jì)劃完成與實(shí)際完成工程量。

2)在施工階段模型中添加或完善樓層空間位置信息、設(shè)備與材料信息。基于BIM信息模型，利用編碼的方式在BIM施工管理平臺(tái)上建立設(shè)備與材料管理和施工進(jìn)度關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)通過(guò)設(shè)備或構(gòu)件的三維BIM模型追溯其生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工中的相關(guān)信息。

3)利用ipad、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備輔助施工單位和監(jiān)理單位進(jìn)行施工過(guò)程管控，將施工現(xiàn)場(chǎng)拍攝工程實(shí)體或設(shè)備構(gòu)件照片、施工質(zhì)量問(wèn)題、安全問(wèn)題、批注等信息添加到模型構(gòu)件中，返回到管理平臺(tái)服務(wù)器中，供項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的其他人員及時(shí)了解相關(guān)內(nèi)容。從而使整個(gè)協(xié)同工作流程延伸到工程的現(xiàn)場(chǎng),更加細(xì)節(jié)的并行工作。

4)利用BIM協(xié)同管理平臺(tái)，收集整合工程建設(shè)不同階段的現(xiàn)場(chǎng)施工相關(guān)資料和信息，包括材料構(gòu)件檢驗(yàn)報(bào)告、設(shè)計(jì)變更記錄、驗(yàn)收記錄等，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目不同參與單位的查詢、調(diào)去和協(xié)同管理。

3 運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段建設(shè)管理平臺(tái)

3.1 資產(chǎn)管理系統(tǒng)

“資產(chǎn)管理系統(tǒng)”模塊以對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)組及海上升壓站主要設(shè)備進(jìn)行有效管控為目的。包括設(shè)備資產(chǎn)管理、零部件庫(kù)存管理、合同管理、生產(chǎn)成本管理四個(gè)部分。

3.2 風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)

風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)提供了人/機(jī)交互接口、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，支持獲取各類動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，用戶可以及時(shí)獲取設(shè)備的各類動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。同時(shí)提取設(shè)備模型的空間位置和BAS系統(tǒng)設(shè)備一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，用戶可以在三維模型中及時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)管。監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要有：設(shè)施(備)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警響應(yīng)。

3.3 運(yùn)維綜合服務(wù)系統(tǒng)

運(yùn)維綜合服務(wù)系統(tǒng)包括：基于BIM的維護(hù)流程、任務(wù)中心、日常巡檢管理、智能故障定位[7]。在設(shè)施(備)維修或搶修的故障定位過(guò)程中，將綜合運(yùn)用三維BIM模型，分析判斷故障出現(xiàn)的環(huán)節(jié)或關(guān)鍵點(diǎn)，利用BIM模型快速地進(jìn)行故障的空間位置定位，提高設(shè)施(備)維修和搶修的效率；如果需要查詢?cè)O(shè)備資料、歷史維護(hù)記錄等，用智能手機(jī)掃描該設(shè)施(備)的二維碼，即可獲得該設(shè)施(備)的相關(guān)信息，將設(shè)備信息發(fā)到服務(wù)器后，即可獲得由服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出更多的關(guān)于該設(shè)施(備)的各種資料。運(yùn)維綜合服務(wù)系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 基于BIM的運(yùn)維綜合服務(wù)系統(tǒng)界面

3.4 決策支持中心

決策支持中心針對(duì)包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)維管理在內(nèi)的全生命周期智慧風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)建立算法庫(kù)，針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際需求，進(jìn)行分析預(yù)測(cè)、模型仿真、指標(biāo)評(píng)價(jià)和智能調(diào)度。主要功能包括：實(shí)時(shí)調(diào)度控制、發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化、調(diào)度端功能預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于BIM的海上風(fēng)電全生命周期建設(shè)管理平臺(tái)具有諸多無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：直觀的三維信息模型在進(jìn)行建筑單體建設(shè)時(shí)，可以進(jìn)行碰撞檢查、精確算量以及虛擬施工等一系列應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)、精益管理的目的；集成設(shè)計(jì)、施工階段的數(shù)據(jù)、信息，為運(yùn)營(yíng)階段提供決策支持。

面向場(chǎng)區(qū)全生命周期，建立“規(guī)劃設(shè)計(jì)-施工建設(shè)-運(yùn)維管理”平臺(tái)開(kāi)發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化和推廣，提供一個(gè)貫穿項(xiàng)目生命周期的協(xié)同工作環(huán)境渠道，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各參與方的實(shí)時(shí)溝通和協(xié)同管理，共享項(xiàng)目信息，提高管理效率，是加強(qiáng)對(duì)建設(shè)工作管理和提高建筑效能的關(guān)鍵性抓手；以“數(shù)字-數(shù)據(jù)-資源-要素-效益”等為關(guān)鍵內(nèi)容，數(shù)據(jù)信息移動(dòng)交付可以提高對(duì)整個(gè)建筑群中工程數(shù)據(jù)信息的利用，針對(duì)最終管控的目的進(jìn)行有效的分類統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)運(yùn)營(yíng)主體的高效決策以及規(guī)模效應(yīng)中體現(xiàn)的高盈利。