基于BIM的水电工程建设管理数字化应用与研究

刘珊

摘 要：当前以云计算、大数据、人工智能等IT技术驱动的企业数字化转型在各行各业蓬勃发展，对于传统水电工程建设行业同样经历着此项变革。以国内某水电工程具体应用为例，从数字化标准体系建立、BIM技术应用、智慧工地建设、运营管理与移交等方面，提出水电工程建设管理的数字化转型思路与实践方法，为同类型项目的实施提供借鉴与参考。

关键词：水电工程;BIM技术应用;水电工程;数字平台;数字化转型;设计施工管理

中图分类号：TV512                                     文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2022）09-0031-03

0 引言

近年来国家大力推进BIM技术在民用建筑、市政工程等业务领域应用，积累了丰富应用经验，形成相关的BIM应用管理规范与工程数字化经验。水利水电工程领域BIM应用经过多年的发展也取得了一定的应用成效，但由于水电工程受自然条件影响性大，季节性因素强，建筑结构复杂，机电设备多样等因素，导致水电工程BIM技术应用侧重单一环节应用整体性不强，总体应用标准化程度不高。本文结合水电工程项目实际从应用体系构建、标准制定、BIM模型创建、数字化平台建设与业务管理实践等维度，对水电工程数字化应用进行总结，以期望为同类项目提供借鉴参考。

1 水电工程建设管理数字化应用整体思路

结合国内某水电站机组扩机建设工程，基于GIS+BIM技术打造数字孪生的扩机工程，开展项目数字化管理与应用，扩机工程建设规划阶段就提出将工程数字化贯穿项目设计、施工、安装、调试、移交全过程管理。

通过前期业务调研及技术研究，项目明确了“先进、科学、经济、适用”的水电站扩机工程数字化建设管理体系，提出了“一套标准、一体模型、一个平台、一个中心、N项数字应用”的数字化建设应用思路。“一套标准”即构建一套以GIS+BIM信息模型应用为核心的水电工程数字化标准体系;“一体化模型”即融合项目设计图纸、报告，施工阶段工程材料、验收评定等过程管理信息于一体服务整体运营移交的BIM一体化模型;“一个平台”即围绕水电工程建设管理的统一的工程管控平台;“一个中心”即基于水电工程BIM模型和业务管理应用数据形成的统一数据中心;“N项数字应用”指服务水电工程建设过程进度、质量、安全、验评归档等业务管理的N项专业应用。

2 标准体系的研究与构建

近年来国家住建部等部门相继发布《建筑工程信息模型应用统一标准》《建筑工程信息模型存储标准》《建筑工程设计信息模型交付标准》《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》《制造工业工程设计信息模型应用标准》等BIM技术应用标准，但是标准多服务房屋建筑领域，对水电工程业务领域的覆盖性、针对性、专业性及适应性支撑不足，为此结合水电工程实际建设特点和本項目业务管理范围，从设计、施工及运营移交一体化角度出发，构建一套水电工程数字化建设及技术应用标准，为工程建设的BIM技术应用及数字化实施提供技术统筹与应用指导。

水利水电行业BIM技术应用起步较晚，技术方法尚在应用探索中，2017年水利水电勘测设计协会结合水利水电行业特点和发展需求，发布水利水电BIM标准体系，为水利水电BIM技术应用提供顶层设计和统一指导。受限于水利水电行业特点，在BIM标准体系框架下尚需结合项目实际进行标准细化与实际应用落地，为此本项目从BIM技术应用规范管理与建设实施管理两个维度，构建一套以BIM模型应用为核心服务项目实际应用的水电工程数字化标准体系。

项目实施过程中制定了技术规范类标准4份，分别为《水电工程BIM模型应用统一标准》《水电工程BIM模型分类与编码标准》《水电工程建设阶段BIM模型创建标准》《水电工程数字化交付成果标准》。实施管理类标准3份，分别为《基于BIM的水电工程进度管理标准》《基于BIM的水电工程质量验评标准》《基于BIM的水电工程档案管理标准》，如图1所示。项目标准体系服务设计与建设管理的融合，明确BIM模型的创建规则、数据编码规划，明确业务管控职责与数据展现形式，服务项目整体管控。

3 三维一体化BIM模型

本项目按照设计、施工与移交三个阶段BIM模型一体化的思路，进行BIM模型的创建与应用。

3.1 设计阶段

充分考虑电站区域地质条件、移民安置条件、场内外交通条件，利用Autodesk三维软件进行工程区域建筑物总部布置，与厂房内结构设计和设备布置，完成勘测、地质、土建、金结、水机、电气、暖通、给排水等专业的三维协同设计与技术交底，以BIM技术进行设计，并基于BIM模型输出图纸成果[1]。BIM模型包含施工、安装等重要信息，解决错、漏、碰等协调沟通问题，避免多专业间的缺失设计、权责不清等情况，实现多专业的三维正向化设计，并为施工阶段的模型应用提供基础。

3.2 施工阶段

BIM模型以设计阶段模型为基础，针对施工重难点部位及单元工程进行施工深化，指导现场施工与设备安装，同时将实际施工过程中发生的设计变更、施工变更同步更新至模型内，并按照单位工程、分部分项工程、单元工程的施工管理粒度关联进度、质量、安全、制造安装等过程管理内容，形成施工BIM模型，如图2所示。

3.3 移交阶段

移交阶段的BIM模型延续设计施工模型，同时按照工程交竣工验收的要求，将设计阶段的图纸、报告、计算书等[2]，施工阶段的过程管理资料、质量验评资料、变更资料等与BIM模型的深度融合，形成完整的设计、施工一体化BIM模型，为后续电站的运营维护、设备保养提供数字孪生。

4 统一的数字化技术平台

水电站数字化技术平台需要完成电站扩机改建过程中业主、设计、施工、监理等建设参与单位的多方管理在线协同与数据联动。平台具备日常业务过程管理、数据归集汇总、业务操作分析等功能，对建设过程中质量、进度、安全等业务进行有效管理。同时具备数据分析挖掘能力与关键指标展现等功能，将建设过程数据价值化，实现水电工程的数字化和智能化业务管控。

针对上述水电站扩建过程中的业务管理特点，数字化平台包括（如图3所示）：平台展现层、应用服务层、平台服务层、服务网关、数据服务和基础设施层六层结构以及数据标准体系和安全保障体系两个组织保障体系。

4.1 平台展现层

工程管控平台以指挥大屏、移动应用、PC应用的方式向项目参与的多方提供系统应用。

4.2 应用服务层

服务工程实际管理的N项业务管理应用，包括工程信息管理、施工数字化管控、工地智能监管、工程验收管理、数字档案等应用。

4.3 平台服务层

基于微服务架构，建立数据访问服务、流程引擎服务、数据交换服务、消息引擎服务、BIM轻量化服务、规则引擎服务、日志引擎服务、UI引擎服务、搜索引擎服务、模型可视化服务、智能表单服务、报表引擎服务、系统集成服务、定时任务服务、GIS可视化服务等基础服务。满足共享接入、数据存储、数据加工处理、数据计算、数据交换、数据可视化的应用需求。

4.4 微服务网关

让分布式部署在不同容器或服务器上的服务提供统一的标准的Rest风格的API供外部应用或者系统调用，并具备动态路由、服务鉴权、流量控制、日志记录、链路跟踪、负载均衡等功能。

4.5 数据服务层

对平台涉及的结构化数据、非结构化数据及半结构化数据进行数据存储管理并提供数据服务。结合水电工程管理的特征、基本方法和数字化需求，提出以BIM为工程数据核心的解决方案，按照工程类数据编码规则，将工程分部分项与对应细度匹配的工程BIM模型关联，实现“组织逻辑、施工形象、工程数据”的有机结合，进而整合工程领域所有相关数据，建立集中纳管、数据统一、交互共享、服务灵活的工程数据中心，支撑上层各类数字化应用服务的开发与实现。

4.6 基础设施层

采用云基础设施资源及服务，主要包括云平台提供的计算资源、存储资源、网络资源和安全资源等，同时具备弹性可扩展的应用部署特点。

4.7 数据标准体系

参考项目构建的一套标准体，明确平台架构各层建设与管理相关标准规范，包括子系统数据接口与信息描述规范要求、数据传输标准、数据编码标准、BIM轻量化应用标准、数据管理标准、数据采集标准、功能设计与开发规范等，实现数据与业务的有效耦合。

4.8 安全保障体系

包括信息安全建设和系统运维保障，信息安全建设遵循网络安全法、电力安防及信息安全的相关要求与技术措施;系统运维保障配套建立维持正常运转和持续改进的运维机制。

5 面向交付的数据中心

基于BIM模型和业务管理应用形成面向运营交付的统一的数据中心，将BIM 模型数据关联结构化数据和非结构化数据构建的“平台功能+数据集合”的移交方案。通过电站设备实体构建与工程 BIM 模型、施工数据、工程档案、施工数据之间的联系，使得主体工程的三维信息模型与各种文档资料一一对应，得到与工程电站实体配套的“数字孪生”工程，这是一个完整的、准确的、数据可调用、可融合的数字化电站，进而实现面向工程交付的工程数字中心。

6 N项数字化业务管理应用

基于统一的数字化管理平台，水电站扩机工程的设计施工管理，構建工程信息管理、设计管理、施工数字管控、智慧工地、数字档案等N项业务管理应用。

6.1 工程信息管理

以 BIM 模型为基础，建立以工程建设为主线、以各参建单位的业务处理与信息沟通为核心的工程信息管理体系，覆盖工程建设全过程的流程化、网络化、标准化的管理。工程信息具体包括工程建设的基本信息、开工前准备、报批手续、项目建设状态、行业政策法规、参建方公文协同等，通过工程信息动态管理，实现工程状态描述、参建方沟通协同、信息数据共享和整体动态控制。

6.2 施工数字管控

在 BIM 设计的基础上，深化 BIM 在施工建设过程中的应用，从投资、进度、质量、安全及环保五个方面强化管控，将业主、设计、施工、监理四方纳入统一管理，贯穿设计、施工、安装、调试、移交的全过程，协调参建各方的关系。同时基于5G等移动通信技术，通过手机App进行现场线上管理，进而实现工程精细化、网络化、数字化和可视化的“五控四维一协调”目标。

6.3 工地智能监管

聚集部署在工地的人员定位、门禁、消防、特种设备、环境等系统的监控监测数据，以 BIM 施工模型为信息载体，融合 GIS、5G、IoT、移动应用、数据挖掘、图像智能分析等技术，开发各类高级应用与功能模块，实现工地“人、机、物、料、环”全要素、“挖、浇、输、爆、吊”等作业全过程的即时感知、实时可视、安全在控、环境保护的工地智能监管。

6.4 数字档案

按照工程档案登记、档案接收、档案预验收审核、整理组卷上架的档案管理过程构建工程数字档案，依托可视化BIM模型实现项目从立项、设计、施工、验收全过程文档资料数字管理，通过BIM模型的任意一个构建可以查询出设计之初的比选方案，设计图纸，变更记录，施工过程，验收评定，运维养护等过程信息，同时具备关键字、编码、工程部位、专业、整编单位、二维码等多维度查询条件，实现工程档案按时整编归档提醒、在线浏览和电子档案借阅输出等多维度管理。

7 结语

基于BIM的水电工程建设管理强化过程管理，注重建设阶段各参与方的及时性、准确性、完整性与集成性，通过“一套标准、一体模型、一个平台、N项数字应用”的管理体系建设与应用，形成一整套的基于BIM的水电工程建设管理方案。该方案明确项目建设过程中各参与方的管理要素与管控职责，构建了基于BIM模型的“五控四维一协调”创新业务管理模式，并通过数字孪生的水电工程模型，将项目前期及建设过程信息得到完整记录与可视化查询，实现模型数据与实际工程的完整性与一致性，同时为项目整体移交与后续运维管理提供支撑。寄望此方案能为同类水电工程BIM技术的应用与项目管理提供参考与借鉴，促进水电工程建设行业的绿色可持续发展。

参考文献

[1] 杨远丰.全面BIM正向设计的关键技术与管理[J].土木建筑工程信息技术，2021（10）：1-11.

[2] 汪再军，周迎.基于BIM的建设工程竣工数字化交付[J].土木建筑工程信息技术，2021（8）：13-22.