基于BIM的水电资产全生命周期管理系统架构及实践

金和平，柳 东，张 睿，潘诚成

（中国长江三峡集团有限公司，北京市 100038）

0 引言

水电行业是资产密集型行业，设备、建筑物、基础设施等固定资产在水电开发企业总资产中占超大比重，对企业具有决定性作用。水电企业既要在高度竞争的市场中使用和维护昂贵的资产装备进行生产运营，又要遵守严格的行业和环境安全规范，对企业资产进行安全、精细化、高效管理，可以延长资产使用寿命，使资产投资收益最大化，无疑具有十分重要的意义。资产全生命周期管理就是实现该目标的一种管理体系。

1 全生命周期资产管理和BIM简述

1.1 资产管理

关于资产管理的标准，目前主要有ISO 55000《资产管理—概述，原理和术语》《ISO 55001资产管理—管理体系—要求》《ISO 55002资产管理—管理体系—ISO 55001应用指南》等ISO标准文件，以及Crossrail企业标准《AD4s资产数据字典定义文档》等。

根据《ISO 55000资产管理—概述，原理和术语》的定义，资产是一个项目或实体，对一个组织来说，它具有潜在或实际的价值。这种价值在不同的组织和利益相关者之间将有所变化，可以是有形的或无形的、金融性质的或非金融的性质。资产从开始被创建到其寿命结束的整个周期就是资产生命。资产管理是一个组织的高层管理人员、员工和利益相关者应实施规划，控制行为（如政策、程序或监视行动）和监测活动，利用各种机会把风险降低到可接受水平的过程。资产管理涉及成本、机遇和风险的平衡，能够使组织检查不同等级的资产和资产系统的资产需求、资产性能等。

ALM是系统工程理论在资产管理上的应用。它从资产长期经济效益出发，全面考虑资产的规划计划、采购建设、运行维护、技改报废的全过程，在满足安全、效益、效能的前提下追求资产全周期成本最优。资产全生命周期管理由全周期成本（life cycle cost）管理、效能管理（efficiency management）与安全管理（safety management）构成，其核心是通过确立适度的技术与运行标准，统筹规划建设成本和运维成本，对资产全生命周期成本进行分析并决策，从而达到资产成本最优化。

1.2 BIM

BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。

BIM是一个设施（或建设项目）物理和功能特性的数字表达，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息；同时。也是一个共享的知识资源，为该设施从建设到拆除全生命周期中的所有决策提供可靠依据。在项目的不同阶段，不同利益相关方在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业（见表1）。

表1 BIM技术在全生命周期的应用价值Table 1 Application value of BIM technology in the whole life cycle

2 资产管理的现状与挑战

2.1 资产管理信息化现状

在资产全生命周期资产管理中，每个生产环节（设计、施工、运维）、生产单元（单位）都各自建立自己所需要的系统、应用（进度与计划类应用、监控与专业类应用、运营与维护类应用等），导致跨生产单元集成与应用较为困难。

2.2 数字化资产管理面临的挑战

2.2.1 数据量

以电子文件格式提交的大量设施竣工数据，被用于支持生产和运营。

2.2.2 复杂性

旧的数据必须得到有机的融合和管理，复杂的数据关系增加了错误的概率。

2.2.3 获取知识

由于有经验的人数和人类认知能力的局限性，需要对标准、设计原则和操作原理有统一的认识。

2.2.4 节约成本

实现运营和生产信息的分阶段交付，更能节约成本和提高效率。

2.2.5 数据过滤过度

当决策者得到数据时，数据已经被过度过滤，已经丧失价值。信息和自动化的“各自为政”，给信息的查找、利用、分享带来了挑战。

2.2.6 资产周期长

资产设施的生命周期很长，设施的竣工数据必须长期保留，以确保安全生产。

3 解决方案

3.1 基于BIM的资产管理

在资产从设计、施工、运维到退役的全生命周期中，以资产数据字典定义（AD4s）、资产划分结构（ABS）等标准规范为基础，以BIM为载体，以CPMS（建设管理系统）/EAM（企业资产维护系统）为核心，将3D设计成果应用在施工、运维等阶段。在项目竣工时，基于BIM技术实现建设期的完整数据信息全部移交。在运维阶段持续进行管理，直至资产退役消亡。

通过BIM模型所定义的空间结构属性、材料属性、设备构件信息，为CPMS/EAM提供更精准、精细化、可视化的交付控制基准和WBS（工作分解结构），可视化模拟仿真施工及交付的全过程。CPMS/EAM可通过记录工程施工过程、生产运营过程在物理资产实际构建、折旧的同时，结合BIM生成一个虚拟的工程数字资产。运维过程中，基于工程数字资产结合实际物理资产监测的物联网数据反馈，建立模型计算分析，可以对资产进行智慧化的运营，从而使资产价值最大化。

3.2 系统架构

基于BIM的资产全生命周期资产管理，以CPMS/EAM为核心实现数据、文档、业务逻辑等统一管理，以BIM为信息载体贯穿水电工程规划设计、开发建设、生产运营全过程，以资产分解结构（ABS）为索引建立ABS、WBS等关联关系，集成水电各专业数字化信息系统，最终形成水电工程资产全生命周期管理平台（见图1）。资产全生命周期管理系统又可以分为智慧化工程建设系统和智能化电力生产系统单独部署应用[1]。

图1 资产全生命周期管理架构Figure 1 Asset lifecycle management framework

4 基于BIM的资产全生命周期管理探索实践

4.1 Crossrail工程的应用

《英国政府建筑行业战略》指出 “到2016年，所有的政府投资项目都要应用BIM技术（所有项目和资产信息，文件和数据都要电子化）”，对参与建筑行业的运营商提出了明确且具有挑战性的要求。同时，《英国政府软着陆》（GSL）特别强调建造资产必须时刻围绕社会效益、经济效益和环境效益三大目标的达成，由于BIM技术不仅应用于设计和建造阶段，更重要的是体现在运营和维护阶段，所以该文件要求在资产的设计、建造过程中要时刻聚焦在资产如何管理、运维，如何移交，以及如何较早培训运营商等方面，以便让投资发挥更大的价值。

为更有效地管理资产，也为响应政府对BIM技术应用的要求，Crossrail发布了《Crossrail BIM原则》文件，目的是通过建立原则框架来阐述BIM环境对Crossrail的重要意义，包括BIM带来的效益、影响，以及Crossrail如何利用这次机会实现技术更新，如何集成信息并提供给基础设施管理者。以该文件为支撑，Crossrail将BIM技术应用提升到战略高度，着力研究技术发展、信息管理系统数据采集、以BIM为主线贯穿建设过程这三方面主题，以求最大程度地应用数据和技术，实现资产全生命周期管理。

4.1.1 软件支撑

为实现《英国政府建筑行业战略》Crossrail提出在建设好实体铁路的同时，要形成并向运营商移交一套对应的虚拟资产。在该目标的驱动下，Crossrail选择了Bentley公司系列软件产品并给所有项目承包商进行软件应用授权，要求其在统一的软件平台下完成设计和建造过程。其中，文档和资产信息管理采用了eB Insight软件，三维建模采用了MicroStation软件，设计协同采用了ProjectWise软件，再辅以Bentley产品其他工具和GIS产品实现空间信息可视化等功能。

4.1.2 资产管理企业标准

Crossrail的资产管理企业标准主要包括《资产信息管理计划》《资产鉴定标准》《资产信息合同条款》《资产数据字典定义文档》等。

4.1.3 资产信息实现策略

资产信息实现策略包含配置管理、资产管理要求和标准、资产表示、资产结构分解、资产分类和定义、资产命名和标记、展示工具和状态报告、资产信息提供程序等（见图2）。

图2 Crossrail资产信息实现策略Figure 2 Crossrail′s asset information implementation strategy

4.1.4 良好的资产管理实践

Crossrail基于资产信息需求，通过技术推动，以公共数据环境作为真实数据来源，确保了组织和资产管理目标一致，实现了良好的资产管理实践（见图3）。

图3 Crossrail的资产管理实践Figure 3 Crossrail′s asset management practice

4.2 NIEAP的探索应用

俄罗斯国家核电工程公司（NIEAP）致力于在设计阶段加强各专业（系统、土建和设备等）的协同和沟通，加强设计、采购、施工、调试各业务板块的协同，成为全球核电EPC工程公司的领导者。

NIEAP应用达索系统的3D EXPERIENCE平台实现了整合不同设计工具的跨专业协同设计，打造了统一的核电站3D设计成果（数字样机DMU），同时应用Catia、ENOVIA和DELMIA等应用程序创新发明了Multi-D（多维）技术，提高了设计质量，并将3D设计成果应用在施工阶段，基于3D模型进行施工仿真并优化了施工方案（见图4、图5）。

图4 NIEAP的全生命周期管理业务架构（一）Figure 4 The whole life cycle management business architecture of NIEAP（No.1）

图5 NIEAP的全生命周期管理业务架构（二）Figure 5 The whole lifecycle management business architecture of NIEAP（No.2）

4.3 三峡集团溪洛渡数字大坝

位于金沙江下游的溪洛渡水电站因规模大、难度高，成为世界上最具代表性的水电工程之一。在工程建设过程中，基于BIM技术建立大坝信息模型（DIM）和机电设备模型，研发溪洛渡拱坝施工监测与仿真分析系统。

4.3.1 DIM建立与应用

DIM作为高可靠度的施工进度动态仿真模型，实现全坝全过程施工进度与真实工作性态的精细耦合仿真，使大坝施工达到安全、快速、连续、均衡、高效的目标。DIM以三维数字技术为基础、以三维地形地质和工程结构模型为核心，在工程规划、设计和建造过程中动态集成基础数据、环境数据、过程数据和监测数据等各类工程数据，重点实现面向大坝建造过程及工程全生命周期的建筑物综合信息管理模型[2]。

在溪洛渡水电工程资产建设过程中，由工程设计单位完成拱坝及地质几何形体建模，该模型承载工程设计参数及施工过程、进度数据、温控数据、安全检测数据、原材料参数及性能综合数据、灌浆进度及质量数据等监测结果信息（见图6～图9）。

图6 计划与进度综合对比分析Figure 6 Comprehensive comparative analysis of plan and schedule

图7 帷幕灌浆进度形象展现Figure 7 Visual display of curtain grouting progress

图8 固结灌浆地质改善情况拟合Figure 8 Fitting of geological improvement in consolidation grouting

图9 云图展示与等值线（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。利用模型可视化、模拟性等特性，实现综合可视化效果展示，包括但不限于计划与进度综合对比分析、帷幕灌浆进度形象展现、固结灌浆地质改善情况拟合、云图展示、等值线（面）提取、动态过程模拟等。

4.3.2 仿真分析系统

建立溪洛渡拱坝施工监测和仿真分析系统，以DIM模型和监测数据作为数据源，通过仿真参数发布接口输入仿真算法与软件，完成成果整理与结论评价后，再通过仿真任务管理与成果发布接口进行输出，实现预警信息发布与决策支持。具体实施内容包含前处理、仿真计算、后处理三个阶段的工作。

4.3.2.1 前处理

前处理包括有限元网格剖分、模型属性参数设计、边界条件设定等内容。

4.3.2.2 仿真计算

仿真计算包括混凝土浇筑计划与进度仿真、单仓温度与应力仿真、局部温度与应力仿真、阶段性温度与应力仿真、全坝温度与应力仿真以及安全评价、其他专题项目仿真与安全评价等内容。

4.3.2.3 后处理

后处理包括数据表结果呈现、过程历时线展示与对比分析、三维数据分布场动态剖切分析、非结构化成果资料管理与发布、地质信息综合查询与三维展现等内容。

4.3.2.4 实践价值

通过溪洛渡数字大坝的建设，实现全坝全过程施工进度与真实工作性态的精细耦合仿真。

一是形成高可靠度的施工进度动态仿真模型，实现安全、快速、连续、均衡、高效施工，创造了大型孔口群精细仿真均衡施工世界纪录（见图10）。

图10 施工进度动态仿真Figure 10 Dynamic simulation of construction schedule

二是温控控制及应力与浇筑形态控制耦合分析，全程跟踪实时预警动态控制，实现温度应力受控和进度动态优化（见图 11）。

图11 温控及应力与进度耦合分析Figure 11 Coupling analysis of temperature control，stress and schedule

三是基于全坝全过程真实工作性态分析模型，实现全方位多场耦合分析。在认识层面，形成温控防裂新途径和理念、施工期结构安全控制和评价体系、库岸库水大坝整体作用机理、蓄水期运行期安全评价准则等成果；在应用层面，实现施工期跟踪仿真和个性控制、蓄水运行期安全评价预警控制、非线性温差对大坝应力影响分析、特殊工况下抗震安全分析评价等具体应用价值（见图12）。

图12 全方位多场耦合分析Figure 12 Omnidirectional multi field coupling analysis

4.4 机电设备三维可视化

以三峡工程管理系统（TGPMS）在机电设备管理的多年应用为基础，结合电力生产管理系统，构建以三维可视化图形设计与展示的机电设备全生命周期信息管理系统。该系统为三峡集团机电设备的管理和控制提供远程的、直观的信息服务平台，为机电设备的订货、设计、制造、出厂、入库、调拨、安装、调试验收、移交、运行、检修、维护提供完整的信息基础数据，以实现机电设备三维可视化全生命周期信息管理（见图13）。

图13 TGPMS机电设备三维可视化系统架构图Figure 13 Three dimensional visualization system architecture of mechanical and electrical equipment based on TGPMS

通过建立对照表，记录三维模型中设备的逻辑层次关系、设备的历史版本记录和设备ID与各个业务系统中设备代码的映射关系，以此建立两个异构系统中同一个设备部件的一一对照关系。三维展示系统通过读取对照表生成的XML文件来显示设备的相关信息和动态改变设备部件的展示外观（见图14）。

图14 机电设备三维可视化的信息管理Figure14 Information management of 3D visualization of mechanical and electrical equipment

4.5 电站仿真培训系统

仿真是通过建立实际系统模型，并利用模型对实际系统进行实验研究的过程。系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理设备为工具，利用系统模型对真实或假设的系统进行试验，并借助专家的经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的综合实验性学科。

水电站仿真是根据电站实际建立模型，进行计算和试验，研究水电站和发电设备在特定条件下的工作行为和特征。建立OTS2000仿真培训系统，系统由仿真监控、培训考核管理及测评、虚拟现实、可视化建模组成。在水电站研究、规划、设计、运行、试验和培训中发挥着重要作用。此外，仿真在航空航天、军事、化工、交通、火电、核电、电网、变电站等领域有广泛应用。

5 结语

三峡集团“十三五”期间已启动ALM 和BIM云平台专项规划，在试点区域开展三维建模及模型应用。在现有TGPMS、电力生产管理信息系统基础上，研发工程资产全生命周期管理信息平台，融合BIM、物联网、智能化等技术，构建清洁能源资产全生命周期管理平台和完整解决方案。下一步将推进相关标准规范细化、平台集成研发、BIM应用基础框架和模型库搭建等，并充分利用大数据、人工智能、区块链技术，进一步完善平台功能、丰富应用场景、发挥数据价值。