基于BIM的水务工程全生命周期管理平台研究与设计

2022-12-28陈婷婷殷峻暹

水利信息化 2022年6期

陈婷婷，殷峻暹

（1．深圳市水务工程建设管理中心，广东深圳 518000；2．中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

随着我国城市化进程加快，城市供水、排水、水环境等问题日益凸显。为解决或缓解城市水务问题，很多城市开展了各类水务工程建设，建设规模和数量呈现快速增长的趋势[1]。水务工程普遍涉及专业多、专业交叉复杂、地形及边界条件多变[2]，存在工程相关信息分散、参建各方协同难和共享难等问题。如何运用新技术解决这一难题，通过数字化和信息化手段提升建设工程项目管理的质量与效率，已成为当前工程建设项目管理新的研究方向[3]。

目前已有众多学者开展了水务工程管理平台研究工作，取得了一定成果。有的学者基于工程建设管理应用场景需求开展了水务工程建设管理平台研究工作[4–7]，有的学者基于不同类型的水务设施运维管理需求开展了水务工程运维管理平台研究工作[8–12]。虽然现阶段在水务工程建设、运维阶段已建立了较为成熟的工程管理平台，但大多主要面向施工方、设计方，面向业主方的工程管理平台较少，且存在 BIM 应用深度不足、深化应用较少[13]，工程信息模型体量大而制约数字化交付及轻量化展示[14]，建设与运维阶段的模型和数据未进行有效衔接等问题。为此，本研究构建面向业主方的水务工程管理平台，涵盖前期、建设、运维全生命周期，并依托BIM 模型通过数字化移交，有效实现建设和运维阶段的数据继承。

1 设计思路

业主作为项目发起者和所有者，对项目成败起到关键作用，基于 BIM 的水务工程全生命周期管理平台主要面向业主方需求。项目业主具有以下特点：1）管理项目较多，需同时对多个项目进行管理；2）业主作为项目组织中的最高层，主要承担项目宏观管理，不直接承担具体实施任务；3）需同时承担项目建设管理和工程建成后的运维管理职责，参与项目全生命周期管理，涵盖前期设计、中期施工、后期运维。基于以上特点，若运用传统的单项目单阶段管理模式，将导致各项目间缺乏有效沟通，项目各阶段间数据缺乏有效衔接，业主指令难以快速有效地下达到参建各方。因此，迫切需要运用新一代信息技术手段构建一体化平台，以满足业主方对多项工程全生命周期的高效统筹管理需求。

BIM 是一种以三维数字技术为基础，集成工程建设项目各种相关信息的工程数据模型，同时也是一种应用于设计、建造、管理的数字化技术[15]。国际标准（ISO 19650-1：2018）将 BIM 定义为促进设计、建造和运营，并为决策提供可靠依据的数字化共享建筑资产[16]。BIM 模型作为数据载体，其本质是一个按照工程直观物理形态构建的数据库，可汇集记录贯穿工程建设规划、设计、施工及运维等全生命周期的数据信息[17]，为工程设计、施工、运维等各阶段数据衔接提供有效支撑。将 BIM 模型通过统一的数据接口与应用系统集成，构建以 BIM 模型为基础的水务工程全生命周期管理平台，推动 BIM与工程设计、招标、支付、质量、安全、进度、验收、移交、运维等业务深度融合，可有效提高工程管理效能，支撑业主实现水务工程高标准设计、高质量建设、高水平运维。

2 总体设计

2.1 总体框架

围绕业主方项目管理需求，以实现“业务可视、过程留痕、结果可测”为目标，综合运用大数据、IoT（Internet of Things）等新技术，构建基于BIM 的水务工程全生命周期管理平台。平台采用SOA（Service-Oriented Architecture）和微服务架构设计，使用共性能力进行集约化建设，并统一注册在数据与业务集成平台上，供各应用调用，具体特点如下：1）构建业务模块共性能力，BIM 模型管理为各业务应用提供统一的数据支撑和通用服务；2）建设统一的数据服务，数据中心为业务应用提供基础、监测、专题数据查询和服务；3）提供统一的应用支撑服务，应用支撑平台提供业务应用需要的公共服务能力。

总体架构包括智能感知、基础设施、数据中心、业务应用的一体化建设格局，以及信息安全、标准规范两大体系，各部分共同构成有机整体，确保系统的扩展性、实用性、先进性、移植性及开放性[18]。平台框架结构如图1所示。

图1 平台框架结构

基于 BIM 的水务工程全生命周期管理平台总体架构如下：

1）智能感知。以智能无人机倾斜摄影、卫星遥感、视频监控与无线通信技术为核心，将视频、塔吊、环境、高支模等监测数据与 BIM 模型融合，为后续工地安全管理及分析等提供支撑。

2）基础设施。包括网络、云平台、硬件基础设施等内容，为各项数据承载和应用服务提供基础的软硬件资源[19]。

3）数据中心。包括数据平台、数据库、应用支撑等内容，主要服务数据存储、管理和使用，是平台的基础和核心[20]。通过对各类多源异构数据的标准化清洗过滤，构建以基础和监测数据库、专题业务库为主的水务大数据湖；应用支撑主要提供各业务应用需要的公共服务能力，如统一认证、统一报表和流程服务、数据与业务集成平台、BIM 平台等。

4）业务应用。包含 BIM 模型管理、前期管理、施工管理、数字化移交、运维管理等模块。其中，BIM 模型管理是各项目 BIM 模型的统一入口，负责 BIM 模型上传，经标准化和轻量化处理后，通过 API（Application Program Interface）方式向各业务模块提供服务。

5）标准规范体系。在充分利用已有国标和行标并参考国际先进标准的基础上，结合实际需要，构建水务工程 BIM 分类与编码、应用统一、交付 3 部BIM 标准，确保在统一框架和标准下开展工程建设工作。

6）信息安全体系。按照等级保护 2.0 要求，部署边界安全设备、病毒防护、安全漏洞扫描、设备接入管理、数据及日志审计等，为信息系统保驾护航。

2.2 数据资源架构

围绕数据资源整合与服务和业务应用场景需求，将各项目 BIM 模型、实时监测、基础信息等数据进行归集，通过数据治理形成基础属性库、综合监测库及各业务的主题库，并在其上封装基础属性、基础空间、监测数据和各专题数据及大数据分析服务，为上层应用提供有力的数据支撑。平台充分考虑 Revit，Bentley，CATIA 等多种软件的数据格式需要，制定了通过 IFC（Industry Foundation Class）或其他中间格式进行数据交互的方式，实现多种格式的 BIM 数据兼容。数据资源架构包括：

1）数据源层。数据源层是数据中心所要融合汇聚的数据源，包括工地现场感知设备数据、单个项目级平台汇集的数据、各项目 BIM 模型数据等，各数据源通过规范的集成格式进行统一归集和整合。

2）基础支撑层。基础支撑层主要是云平台提供的大数据基础设施，包括 Hadoop 和数据仓库 MPPDB。

3）采集汇聚层。采集汇聚层主要包括数据汇集平台，支持对各类型数据的采集、处理、交换，数据类型包括结构化、非结构化和半结构化数据。

4）治理管控层。治理管控层整合工具对各类数据提供治理管理的能力，包括数据标准、模型、质量及元数据管理等。

5）统一服务层。统一服务层是将各类数据资源进行接口化、服务化的封装，为应用访问数据资源提供标准化接口，主要包括基础、监测、BIM、专题和元数据服务等。

3 功能实现

基于 BIM 的水务工程全生命周期管理平台采用B/S 结构，支持主流的 Java 应用服务器，客户端为浏览器形式，同时提供 Android，iOS 端的 App 功能，以满足移动办公和现场数据采集需要。主要功能包括 BIM 模型管理、前期管理、施工管理、数字化移交、运维管理等功能，基本涵盖水务工程管理的各个方面[21]。各功能之间既相对独立又相互关联，其中 BIM 模型管理为基础支撑性功能，实现水务工程 BIM 模型数据的集中管理，为各业务应用提供模型数据和通用性服务；数字化移交有效衔接了工程建设和运维模块，支撑工程前期、施工、运维各阶段数字资产渐进式移交。平台主要功能结构如图2所示。

图2 平台功能框架

3.1 BIM 模型管理

BIM 模型管理模块兼容水务行业主流的 BIM设计软件格式（包括 Autodesk，Bentley，CATIA等），实现对各项目设计、施工、运维等各阶段的BIM 模型的统一集中管理；通过对模型的上传导入、校验、审查、信息提取、分类、编码、结构化等处理后，实现模型的标准化、结构化、数字化，为水务工程建设阶段的设计、变更、质量、安全及运维阶段保养和维修等各业务环节提供 BIM 模型“管、用、服”精细化专业服务。BIM 模型管理系统界面如图3 和 4所示。

图3 BIM 模型管理

图4 BIM 模型

各业务应用使用轻量化、可视化服务时，可通过 IFRAME 的形式嵌入到用户的应用页面，同时考虑到跨域访问的安全性限制，提供基于消息的 API接口，模型浏览器根据用户的操作给应用页面发送消息，用户通过消息处理回调函数扩展自己的应用，从而实现模型服务于各业务应用的目标。

BIM 模型管理可提供以下服务：轻量化均衡服务，轻量化服务集群，模型文件服务器，渲染均衡服务，渲染服务集群。具体功能结构如图5所示。

图5 BIM 模型管理功能结构

3.2 工程全生命周期管理

工程全生命周期管理平台可支撑从前期设计、建设施工、验收移交、工程运维全过程多项目综合管理业务。建设阶段主要功能包括前期策划、报批报建、设计管理、招标采购、合同管理、工程支付、履约评价、进度、质量、安全、设计变更、会议管理、投资管理、材料管理、项目竣工与移交、工程结算、工程决算、政府验收与后评价、人员管理等，运维阶段主要功能包括工单管理、设施设备管理等。

在工程实物资产建设过程中，通过平台收集汇总各参建单位工作协同的数字化成果，以 BIM 为载体，从招标、合同、变更、质量、验收等业务环节采集数据，在平台上开展基于 BIM 的设计交底、进度模拟与预警、质量安全管理等。同时以 BIM 为核心，以运维需求为标准，进行数字化、结构化定义和转换，贯穿形成数字化资产链，并通过移交与接收、审核、入库归集、存储、集中管理和共享展示功能模块支撑数字化移交，实现物理世界和数字世界孪生共长的同时，促进水务工程质量、安全、投资、进度等业务的精细化管理。

1）在设计变更中，通过在线多窗口 BIM 模型对比功能，实现变更内容的精准定位；业主单位基于 BIM 模型审核变更的合理性和工程量变化，减少无效签证、无效变更、不合理变更；通过 BIM 模型的版本控制机制，实现设计变更可溯源。

2）在进度管理中，探索将单元工程与模型构件进行关联，将单元工程实施的计划和实际进度赋予BIM 构件，实现工程实体基于时间、空间的模拟生长，辅助进行施工进度合理性分析，可视化查看施工进度，直观掌握项目实际进展情况。

3）在质量安全管理中，通过调用 BIM 模型快速了解项目重要汇总信息；对质量、安全问题进行锚点定位，直观显示问题所在；基于 BIM 模型进行质量评定与验收，实现施工过程文档与 BIM 关联，便于后续运维调用。

4）在竣工验收阶段，以 BIM 为载体，采集各业务环节工作协同数字化成果，实现按运维标准构建的数字工程点击式交付，完成建筑实体、项目建设档案、基于 BIM 的数字化信息模型、项目投资账本“四维一体”的工程建设资料与成果向运维阶段的顺畅交付。

5）在水务工程数字化移交阶段，建立设施分解结构树，对系统、设备、部件信息进行结构化和关联化管理，实现从工程建设到运行的数字化交付，具体体现在围绕水务工程设施和设备，将与之相关的设计、采购、安装、调试、质量安全等相关数据和信息关联，建立移交、接收及参建方的多方协同和共享工作平台，实现实体与数字资产双交付。促进纸质和电子化资料管理向数字化数据转变，“一刀切、打包资料”式移交向渐进式移交转变。

6）在工程运维阶段，基于 BIM + GIS 模型，将水务设施、机电设备信息、工情数据、地质勘测数据进行融合，实时展现工程重点部位运行工况与状态，同时依托巡视检查、各类报警阈值设置，实现设备异常情况自动告警，通过工单派发、预案推送，实现告警事件快速、有效处理。