BIM 技术在污水处理项目数字资产管理中的应用研究

高兰 贺亚 祝佳佳 廖华丰 朱畅

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司；2.桂林理工大学环境科学与工程学院)

近年来，我国相继出台了系列政策性文件，以推进我国智慧城市建设的快速发展。国家“十四五”规划提出“建设智慧城市，以数字化助推城乡发展和治理模式创新，全面提高运行效率和宜居度，分级分类推进新型智慧城市建设，探索建设数字孪生城市”。数字资产是数字经济时代的重要生产要素[1]，也是智慧城市的闪光点和价值点。随着我国对生态环境保护的大力重视，污水处理工程也得到了极大的发展。据住房和城乡建设部统计，2021 年全国共有城市污水处理厂2827 座，总处理能力达20767.22 万m3/d，实际年处理量达6118956.1 m3。因污水处理工程中构筑物的尺寸大小不一，设备及构件差异较大，污水处理领域应用BIM（建筑信息模型，Building InformationModeling）技术和数字化技术存在模型难以复用，工作效率以及工作质量不高，技术差异性大等困难[2]，香港[3]、广州[4]、武汉[5]等地大型污水处理项目也进行了不同程度地探索和实践，但主要以智慧管控为主，在数字资产管理方面应用不多。

本文以某污水处理工程项目为例，研究建立以BIM 技术为载体，以业务数字化为前提，以数据入库为基础，关联各类建（构）筑物设施和设备的各类信息的数字资产平台，围绕运行维护阶段的需要，利用地理信息技术、物联网技术、移动通信技术、大数据云平台技术等，通过BIM 三维信息模型载体、各类过程数据的整合管理，形成数字资产，实现“数据资源化、管理数字化、决策智慧化、运维精细化”的目标，全面提升项目管理水平。

1.BIM 技术及数字资产管理技术与应用

BIM 技术的应用是数字化浪潮带来的数字革命，BIM的本质是建筑信息模型的数字化表达，因此不仅可以运用这些数据进行三维可视化展示，还可将这些信息用于污水处理项目的规划设计模拟、方案优化、图纸出版等。运用BIM技术能够在规划设计、施工和运行维护等各建设阶段，提高质量、效率，并降低成本、实现投资回报率的提高[6-8]。从2016 年起，国家级有关部门陆续出台了《建筑信息模型应用统一标准》（GB/T51212-2016）、《建筑信息模型施工应用标准》（GB/T51235-2017）、《建筑信息模型分类和编码标准》（GB/T51269-2017）、《建筑信息模型设计交付标准》（GB/T51301-2018）以及《建筑信息模型存储标准》（GB/T51447-2021）等5 部国家标准，以大力推行BIM 技术在国内智慧城市建设领域进行应用。目前，在污水处理行业中，BIM 技术应用的直观价值优势主要体现在通过提供可视化的工作思路，实现施工过程模拟、设备管线碰撞检测、施工进度监测自动化等，提高管理效率，缩短项目工期，降低投资成本。污水处理项目从设计、施工到运维过程中的数据和信息呈碎片化、无序化、低智化状态，虽然施工建设阶段搭建了项目建设管理信息系统、运维管理系统等，有效提升了项目管理水平，但仍存在系统间数据标准难统一、数据存储较分散、数据质量良莠不齐、数据关联性弱、数据共享困难等诸多问题。

目前工程建设领域数字资产的管理和应用还处于初级阶段。采用BIM、数字孪生、大数据等前沿IT 技术[9-10]，结合资产管理的先进理念，采集污水处理工程项目的相关数据资产，通过工程资产的编码，可以构建资产数据模型，开发设计满足工程数据资产的集成整合、管理查询、下载共享等资产管理功能，以及具有工程基本信息总览、多种维度全生命周期资产管理和典型场景应用等综合应用功能的全生命周期工程数字资产应用管理系统，实现图纸、资料、数据和三维模型等多源信息深度融合，将污水处理工程全过程中各应用系统中的相关数据资产统筹管理，搭建数字资产管理平台，通过“统一编码、统一管理、统一服务”，实现污水处理工程全生命周期数字资产的管理和共享服务，能够提升污水处理工程建设的管理水平和运营水平，推动数字资产理念在污水处理工程领域的应用和不断发展。

2.某污水处理项目简介

某污水处理项目A 设计污水处理规模为13 万m3/d，出水CODCr、BOD5、NH3-N、TP 执行地表水IV 类标准限值，TN 执行≤10mg/L 的标准，其余指标执行国家一级A标。项目总投资约7.8 亿元，其中工程费用约6.0 亿元。污水处理工艺采用“多段AAO 生物池+高效沉淀+反硝化生物滤池”工艺，污泥处理工艺采用“重力浓缩+机械脱水”工艺，出水消毒采用成品次氯酸钠消毒工艺。

项目主要建设内容包括：污水处理，污泥处理，供配电、自动化及智慧化等工程，配套厂区管线、绿化、道路、除臭、中水回用泵房、排江泵站改造等。建设的主要建构（建）筑物有：粗格栅及进水泵房、细格栅及曝气沉砂池、应急池、生物池、配水排泥井及污泥泵房、二沉池、中间提升泵房及变配电间、粉碳加砂高效沉淀池、反硝化生物滤池、接触消毒池、尾水巴氏计量槽、污泥浓缩池、污泥脱水车间、鼓风机房及变配电间、加药间、大门及传达室等。

项目拟按照智慧城市管理的理念，打造智慧污水处理厂，针对污水厂的生产、资产和内部管理提供了标准+定制的功能模块，助力污水厂实现高质量、稳定安全的智慧管控。利用云计算、大数据、物联网、人工智能等新型信息技术和理念，将污水处理厂各项工作全面地信息化、智能化和智慧化，提升管理服务能效，保障污水处理厂安全、可靠、高效运行。同时，拟以BIM 技术为核心，充分利用大数据、人工智能等技术，通过开发质量、安全、进度、投资等管理系统，全面、实时、动态对建设项目的质量、进度、安全、投资等进行可视化、集成化和协同化、智慧化管理，提高管理能效，全面提升污水处理工程建设项目安全生产监管能力及施工现场管理水平，达到项目数字化转型和精细化管理的目的，探索数字化解决方案，并逐步形成数字资产。

3.项目技术方案

3.1 BIM 技术方案

项目BIM 实施目标是建立以BIM 技术为载体的项目全生命周期信息化管控，统一项目BIM 数据标准，充分发挥BIM 技术可视化，以及在虚拟、协同管理以及成本控制、进度控制等方面的优势，在设计、施工（含设备采购和安装）以及运维管理的全生命周期中提升产品的质量、缩短建设的工期、降低建造的成本，同时，提高建筑工程的管理水平。

基于工程实际情况，结合BIM 设计的特点，BIM 设计的总体平台搭建思路为：厂区主体部分BIM 设计工作主要采取Autodesk（欧特克）平台的解决方案，发挥Autodesk（欧特克）系列软件Revit 强大的建模、出图功能，能很好的实现工程厂区内各专业精细化设计。厂区外市政管线等线状工程设计及片区综合规划，则采用Bentley 平台的解决方案。

通过开展深入的调研和需求分析，基于BIM 技术，结合工程项目特点及建设管理需求，可以使各责任主体及各协同合作方在BIM 平台上进行规划、设计、采购、土建施工及设备安装、调试运行、运行维护等工作，同时进行进度、质量、安全、造价、办公等管理，实现各部门、各专业、各合作方之间的高效协同工作。同时，对各业务数据及相关资料进行分类收集和整理，采用数字孪生进行多源数据深度融合，对工程项目数据信息进行深度挖掘，采用面向对象的方法构建工程数字资产平台，实现项目的数字资产管理，为污水处理工程项目全生命周期的高质量高效管理提供服务。

3.2 数字资产应用管理系统方案

3.2.1 设计理念

以工作流为基础，以业务需求为导向，将业务进行数据化、信息化处理，抛弃被动的运维管理，追求数据的高效增值服务，使得数据资产价值得以充分发挥，并推动进行数据应用和数据治理，推动污水处理行业的数字化转型，为建设单位提供全过程、全要素数字孪生建设产品。

3.2.2 设计目标

以业务数字化为前提，数据入库为基础，建设数据资产中心，实现数字资产与污水处理各类建（构）筑物设施和设备的运维管理；以BIM 三维信息模型为载体，关联污水处理系统各类建（构）筑物设施和设备的各类信息，围绕运行维护阶段的需要，利用地理信息技术、物联网技术、移动通信技术、大数据云平台技术等，通过BIM 三维信息模型载体、各类过程数据的整合管理，形成项目数字资产，实现“数据资源化、管理数字化、决策智慧化、运维精细化”的目标。

3.2.3 设计路径

利用BIM 模型的可视化三维展现能力，以BIM 三维信息模型为载体，采用物联网技术，整合各类建（构）筑物设施和设备的实时运行数据，避免零碎、分散、割裂的信息孤岛，在污水处理系统的运维管理中，将BIM 三维信息模型的静态属性与各类设施设备的动态属性进行结合，拓展平台的各类应用能力。

管理人员可以借助BIM 三维信息模型平台，直观、清晰地了解各类建（构）筑物设施和设备的实时数据、历史数据等。项目的运营维护主要依赖于先进的管理系统。通过各个维度，以工程生命周期各主要阶段为运行的主轴，对项目的运维进行全生命周期和全面地高效管理，全面实现对运维目标对象的空间、设备资产等的科学管理，提供最优运维方案，节省时间和各类成本，最终实现如数字化、智慧化管理。

通过整合规划设计、施工（含设备采购安装）、运维等各阶段资料，以及设备、监控、规范等各类信息，并与BIM 三维信息模型、GIS 地理信息模型等相融合，打造直观的、全面的数字资产管理应用平台，为项目运维管理及各类监管赋能，提高项目的运维水平和监管水平。

3.2.4 数据识别及归集

数字资产应用管理系统数据主要分为基础数据、信息模型数据和管理过程数据三大部分。三大部分的数据分别对应运行数据、BIM 模型、管理运维数据。运行数据由SCADA 系统点位、视频监控等数据组成。BIM 模型通过一一对应的唯一标识码与构筑物、设备、仪表等实体进行关联搭建，利用BIM 模型强大的数据承载能力对设备物理信息、仪表物理信息进行与BIM 模型的绑定。管理运维数据由设备管理、设备维养、巡检管理等数据组成。采用数字孪生实现多源信息融合，打通系统间数据信息壁垒，为数字资产管理系统开发提供强有力的数据支撑。

3.2.5 功能设计应用模块

（1）运营辅助管理

将GIS 技术与BIM 三维信息模型相结合，可以查询并直观地观察污水管线的分布和空间关系。基于BIM 模型的可视化功能，支持全景360 度自由浏览BIM 模型，也可切换到行走模式，模拟人物在场景中以第一人称视角进行场景漫游，同时伴有小地图方便直观查看当前所在位置信息。

充分利用BIM 模型的三维空间优势，直接将视频监控融合在BIM 三维信息模型中，确保BIM 三维信息模型中监控设备与实际监控设备准确关联。需要调取监控画面时，操作人员能够在平台中直接模型点选调取相应画面，而不必通过记录视频点编号或名称的方式调取。

（2）设备资产管理

在设备进场安装前即可将系统的监测仪表、阀门等设施设备档案、库存、采购等信息与BIM 模型构件相关联，利用BIM 模型建立起可视化的设备资产档案库，实现设备数字资产的动态管理。能够多维度智能检索设备资产信息，可以随时抽调设施设备的任意档案数字化信息进行输出、查阅、打印等实际功能，同时支持移动终端查询。

系统根据设备类型等生成唯一标识二维码，在设备进场时就将相关的唯一性标识数据登记注册到系统的设施设备档案。通过手机或专用手持设备扫描二维码，进行故障报修，并可查询设备的厂家、型号、历史维修等各类信息以及备件库存情况。

（3）设备维养管理

以BIM 模型为载体，打通设备动态数据与静态数据之间的信息壁垒，能够为每个设施或设备，提供覆盖全生命周期的完整数据记录，通过建立设备设施的故障库等，实现设备全生命周期的维修分析，同时利用大数据技术，对设备的维修或更换给出最优方案和建议，能及时预警即将到期的设备，并按预案对设备进行更换或大修，预防事故风险。

同时针对设备维护和保养工作的流程，制定润滑、大中小修、技术改造等各类养护计划，养护计划将关联BIM模型中的所有设施设备，系统会自动生成运维计划表，检修人员按计划对设施设备进行日常巡检和维护。在模型中点击任一设备时也可查看该设备的所有信息和养护计划。

（4）隐蔽工程管理

根据BIM 模型，同时结合GIS 及AR 技术，配置地下管网的AR 信息，能够管理复杂的地下排水管网隐蔽工程，实现工程现场可视化、数据更新动态化。巡检员或维修员可通过手机查阅管线各类信息，能够快速定位管线位置，各类信息在移动端生成可视化的三维效果，有利于管线的定位和维护，且方便实现资源的共享和管网信息的更改，避免在施工过程中对隐藏工程产生破坏性的影响，从而导致生产事故的发生。

（5）应急辅助管理

充分利用BIM 模型的三维空间优势，直接将视频点位标注在BIM 模型中，保证BIM 模型中监控设备构件与实际对应的监控设备相关联。当发生异常或报警时，系统会自动协同摄像机及其它物联网系统，实施视频联动、物联网设备联动，将所有与现场相关的信息全部报送到监控界面，够快速准确地对管线运行的突发事故进行紧急处理。

（6）能耗辅助管理

将污水处理厂监测仪表信息与BIM 模型构件相关联，可直观展示水、电、燃气等能耗数据及各类实时监控数据，可按照区域进行统计分析，有效发现能耗数据异常区域，以便于管理人员有针对性地对异常区域进行排查，发现可能的事故风险隐患或者调整能源设备的运行参数，对异常能源使用情况进行警告或者标识，以达到排除故障、降低能耗维持建筑的业务正常运行的目的。

（7）数据拓展与对接

考虑到以后其他数据的拓展和接入，预留数据接口，进行数据拓展与对接。

图1 污水处理厂数字资产管理平台总体架构图

3.2.6 数字资产应用价值

（1）设计阶段。在建设项目设计阶段，利用BIM 技术形成的数字信息模型可以提高设计的精确性，并验证实际建造过程中的性能和效果。这个阶段的数字资产，主要通过建筑信息模型工具（BIM）开发出满足技术规格的虚拟原型，精确记录构件、设备等各种物理参数，以可视化的方式展示出来，并通过碰撞、优化等手段来检验设计的精准程度；通过一系列可重复、可变参数、可加速的模拟和仿真实验，来验证在不同外部环境下的性能和效果。设计文件管理、会议纪要及相关技术文件等归集存储后，依据数字资产应用管理系统的数据标准进行分类管理，为后续工作提供搜索查询便利，形成设计进度、质量及信息模型效果等关键信息和数字看板。

（2）招采阶段。在项目的招采阶段，通过BIM 技术的应用，整个招投标流程均可基于一套三维的可视化模型贯穿始终，为信息共享提供了统一和规范的通用语言，降低信息共享难度，实现交易数据的全流程共享和复用。BIM技术和招标采购信息的融合，使招标采购的各类数据实现了标准化、结构化的存储，为后续设备的物流、安装和调试运行等各阶段的数据应用奠定基础。同时，数据流转传递，可实现生产和采购信息追溯，促进采购过程更加透明、公正，为各类监管提供有力支撑和有效依据。

（3）施工阶段。在建设项目的施工阶段，利用数字信息模型可缩短建筑物图纸方案的导入时间，提高施工质量、降低建造成本，同时可以大幅提高交付速度。施工（含设备采购安装）阶段形成的数字资产是各参建方和相关合作方高度协同的结果，通过数字化手段来构建虚拟建造过程，将建筑、设备及各种过程管理等进行的数字化地高度集成，实现建造过程的仿真模拟、信息化、智能化及数字化协同建造，提升关键指标的监控力度和过程评估的能力。同时，建设过程中工程管理流程文件、施工技术图文资料、绿色施工措施影像资料、实名制管理资料等相关的文件、图纸、视频影像、信息模型。各参与方按照城建档案要求，在过程中形成数字档案，提高竣工交付效率。利用数字资产应用管理系统呈现进度、质量、安全、环境等关键数据的数字看板，通过时序查询追溯施工中人、机、料、法、环的时点信息，集成竣工前过程数据及信息模型，交付工程项目孪生虚拟建设产品。

（4）运维服务阶段。利用数字资产应用管理系统，打通设计、采购安装、施工、运维及移交数据传递，实现在建设工程生命周期内数据存储累积，解决了以往在运维服务阶段数据不全和割裂的问题。通过大数据、云计算等技术为运维服务管理方式带来了变革，能使用更多可视化的工具来增加管理效率，同时也能基于BIM 技术与其他AR、VR 等新型技术相结合，为运维人员提供更多服务。

（5）移交阶段。通过数字资产应用管理系统，沉淀了从设计、采购、施工、运维到移交的过程数据，汇聚不同种类、不同功能、不同形式的数据及信息，移交给政府的不仅仅是竣工并运维多年的物理形态的建设项目，同时还移交了具有全过程、全要素的数字化孪生新基建。根据移交前的历史数据和信息，可提高交接效率和交接质量，为延续运维提供管理经验，为智慧政务、智慧城市治理提供数据支撑，同时基于社会科技进步及项目的数据沉淀，利用大数据、人工智能、云计算等新技术为拓展创新新应用提供无限可能。

（6）数字资产综合赋能。数字资产将成为创新的源泉。通过BIM、物联网、数字孪生、虚拟现实及大数据等IT 技术，将建（构）筑物的各类属性进行虚拟或模拟，使得很多由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的生产操作或动作成为可能，激发设计人员去探索新的方式方法及技术来优化设计、建造的过程。数字资产将提供更全面的数据。汇聚数据、优化改善，可以在设计、建造、运维等各阶段，精确地设计或表达建（构）筑物中各类设施的各类属性和状态，实现精准分析和优化。数字资产交付后，借助物联网技术、大数据技术等，构建全方位感知体系，深度挖掘数据价值，可推测出一些原先不能预测或不能直接测量的性能参数和关键指标。数字资产精确全面的分析和预测能力。在建设项目全生命周期内，难以实现精准预测的话，对隐藏的问题是很难做到提前预判的。而数字资产，在进一步结合物联网技术、大数据技术以及人工智能技术的分析，很容易实现实时状态评估、问题诊断和趋势预测，并根据分析结果，模拟仿真各种方案，提供全面决策支持。数字资产能够实现经验的数字化。在传统的建筑设计、建造和运行维护等领域，经验因为模糊和较难准确把握，难以实现精准判断。建设项目孪生数字资产，则可以通过数字化手段，将难以保存完整的规划、设计、施工（含设备采购安装）及运维各阶段决策和管理经验进行数字化辅助，并提供了保存、复制、修改、转移及分析优化的能力。

4.费用测算

（1）数据标准及安全策略分析（研究分析数据类型，编制数据标准及数据安全策略等），约30 万元。（2）根据数据标准要求建设数字资产数据库，约50 万元。（3）构建全过程信息模型，构建施工、及竣工信息模型，实现建设过程数据传递，约180 万元。（4）数字资产应用管理系统建设（建设数字资产应用管理系统，构建运营辅助管理、设备资产管理等功能模块等），约120 万元。（5）现场数据采集、调试服务（现场调研，收集施工最新资料，跟踪工程的实际进展，完善施工模型及数据库的建设，特别是相关隐蔽工程的资料、图片、录像等；竣工资料的收集，包括所有图纸文档资料，现场图片，影像拍摄等；数据库建立后的调试，现场运行问题的跟踪解决），约70 万元。合计约450 万元，在项目总投资7.8 亿中占比为0.57%；在工程费用6.0 亿元中占比为0.75%，所占比例均极小。

5.结语

以某污水处理工程项目为例研究表明，采用BIM 技术、数字孪生技术、大数据技术等，结合资产管理的先进理念，通过采集工程项目的相关数据资产，通过工程资产的编码，构建资产数据模型，开发全生命周期数字资产管理系统，以投资占比极小的代价，实现污水处理工程在规划设计、施工建设和运行维护等工程全生命周期过程中的工程数字资产管理与应用，并能够提升污水处理工程建设的管理水平和运营水平，推动数字资产理念在污水处理工程领域的应用和不断发展。

污水处理工程体系复杂，涉及专业多，建设工期长，导致数字资产整合工作量大、难度高，基于工程数字资产的智慧化应用功能目前也还不够丰富，未来污水处理领域的数字资产管理系统应用还需进一步迭代升级。