基于BIM的水电工程全生命周期数字化移交应用研究

2020-11-23杨党锋刘晓东贾新会刘立峰

中国农村水利水电 2020年11期

黄勇，杨党锋，苏锋，刘晓东，贾新会，刘立峰

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 引言

BIM(Building Information Modeling)技术由于其可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等特点[1]，已广泛应用于土木工程设计、施工、运维等各个环节[2]。赵继伟等人[3]研究了水利工程信息模型的快速建模理论方法体系及模型构建过程，并将其应用于工程信息查询及运营管理当中；苗倩[4]将BIM技术应用于水利水电工程可视化仿真当中，实现了工程施工过程的动态演示及仿真信息的可视化查询;黄建文等人[5]将BIM技术应用于大坝施工期5D进度-成本可视化模型及动态联合管控当中，实现了基于BIM的施工进度-成本联合管控；陈强[6]结合工程实例，研究了BIM技术在市政道路桥梁设计中的应用;马少雄等人[7]将BIM技术应用于大跨度桥梁规划、设计和施工过程当中，显著提高了桥梁信息化施工管理水平和建造效率；吴文高[8]结合项目案例，研究了BIM关键技术在轨道交通设计中的应用。作为工程建设行业的一种发展主流，BIM技术提高了信息化应用水平和应用效果，有力地推动着工程建设朝着精细化、集约化和工业化的方向发展。水电工程涉及测绘、地质、坝工、泄水、厂房、水机、金结、电气、通信、给排水、建筑、暖通、道路等多个专业，其BIM模型的构建和应用对软件功能、人员素质、计算机配置都有较高的要求，这在一定程度上影响着BIM模型在工程全生命周期不同阶段的流转和应用。数字化移交是在BIM应用基础上繁衍出来的新型工程数据移交形式，是基于BIM技术构建的“数字双胞胎”工程，以移交平台为载体，将BIM模型和工程建设过程产中生的各类数据通过轻量化、结构化和标准化处理，建立模型和相关工程数据(结构化数据和非结构化数据)之间的关联关系，消除信息孤岛，实现工程数据的全面、统一、协调、模拟及可视化表达，为工程全生命周期管理和大数据应用提供基础数据和基本应用功能。相比较以BIM软件为载体的BIM模型应用，数字化移交通过模型轻量化、数据关联、统一数据管理等手段，降低了水电工程BIM模型的使用门槛，有力地推动着BIM模型在工程全生命周期不同阶段的流转和应用；同时，基于数字化移交平台，以BIM模型为载体统筹管理工程建设、运维管理中的各种结构化数据和非结构化数据，解决了水电工程建设管理中数据孤岛严重、数据共享困难、数据管理混乱、数据应用无序等众多问题。

本文面向水电工程全生命周期，深入研究基于BIM的数字化移交形式、实现流程、实现要素和数字化移交的特性。在此基础上，详细阐述了水电工程数字化移交的实现过程和数字化移交成果在工程全生命周期管理中的应用，为相关工程开展数字化移交提供借鉴和参考。

1 基于BIM的数字化移交技术研究

1.1 数字化移交形式及分类

按照数字化移交工作状态的不同，将数字化移交分为静态数字化移交和动态数字化移交。静态数字化移交又叫一次性移交，是指在工程某一阶段(设计、施工或调试)或工程建设结束时，在交付设计成果、工程实体的同时，给业主移交包含BIM模型和工程数据的“数字双胞胎”工程，其特点是所有BIM模型和工程数据都是最终且唯一版本。动态数字化移交，是指在工程某一阶段(设计、施工或调试)或工程建设的初始阶段，就开始进行数字化移交，直至某一阶段或工程竣工；其特点是移交工作与工程建设同步，移交数据随工程的进展累积渐进、逐渐完善，数据的版本动态更新。水电工程建设周期长，工程数据种类多、数量大，采用动态数字化移交的方式可以继承工程建设各阶段产生的有效数据，将前序工程建设数据服务于后续工程建设过程，还可动态进行历史数据的追溯和修正，是当前普遍采用的数字化移交方式。

动态数字化移交，按照工程建设的不同阶段又分为设计过程数字化移交、设计+施工过程数字化移交、设计+施工+调试过程数字化移交和工程全生命周期数字化移交，如图1所示。

图1 动态数字化移交数据流转过程Fig.1 Dynamic data flow process of digital delivery

(1)设计过程数字化移交。设计过程数字化移交是指设计阶段BIM模型和设计参数、设计图纸、设计报告等工程数据的移交，根据不同设计深度及设计成果，动态进行数字化移交和移交数据更新。在设计数据移交过程和移交后，移交数据均可在工程全生命周期各阶段进行动态应用和修正。

(2)设计+施工过程数字化移交。设计+施工过程数字化移交是指工程设计、施工阶段BIM模型和设计数据、施工数据等工程数据的移交，包含工程变更数据；根据不同工程进度及相关数据，动态进行数字化移交和移交数据更新。在工程设计、施工数据移交过程和移交后，移交数据均可在工程全生命周期各阶段进行动态应用和修正。

(3)设计+施工+调试过程数字化移交。设计+施工+调试过程数字化移交是指工程设计、施工、调试阶段BIM模型和设计数据、施工数据、调试数据等工程数据的移交，包含工程变更数据；根据不同工程进度及相关数据，动态进行数字化移交和移交数据更新。在工程设计、施工、调试数据移交过程和移交后，移交数据均可在工程全生命周期各阶段进行动态应用和修正。

(4)工程全生命周期数字化移交。工程全生命周期数字化移交，是面向工程全生命周期全过程、全业务数据的动态数字化移交。根据工程设计、施工、调试不同阶段进度及相关工程数据，动态进行数字化移交和移交数据更新。在工程运维阶段，基于数字化移交数据和移交平台，将监控、监测、巡检、维修、物资等运维过程数据动态关联至相应BIM模型上，形成面向工程全生命周期的数字化移交，应用于工程建设及生产运维当中。这种数字化移交模式更适合面向全生命周期的水电工程建设及运维管理，已在新建水电项目中广泛推广，也是本文主要研究的数字化移交模式。

1.2 数字化移交实现流程研究

数字化移交实现流程基本上分为移交准备、工程数据收集整理、工程数据标准化处理、数据内容和质量审核、工程数据动态移交、工程数据应用及更新、数据完整性及准确性审核、全过程数据移交、移交成果运维阶段应用及运维数据增加等过程(图2)。移交准备是数字化移交的基础性工作，包括方案和标准定制、移交平台搭建、实施团队组建等，准备工作是否全面直接关系到数字化移交的成败。工程数据收集整理是根据移交标准将模型、图纸、报告、工程量、设计参数等按照一定的组织结构进行收集、整理，标准化处理是将收集到的碎片化工程数据进行轻量化处理、统一格式转换、编码编号等，内容和质量核定是对处理过的工程数据按照移交标准进行审核，均贯穿于工程建设全过程。工程数据动态移交包括规划设计、施工、采购、调试等各阶段数据移交，按照移交数据产生的先后顺序进行渐进式动态移交。工程数据应用及补充、添加、更新是一个不断迭代的过程，工程前期数据可在后续工作中应用，应用过程中针对变更内容又不断更新完善。在工程竣工交付时，对数据的完整性、准确性进行移交前审核，确认数据无误后进行工程全过程数据移交。工程建设期数据移交后，应用于运维管理过程，并与运维管理系统融合，将运维阶段数据持续增加至数字化移交系统，最终形成覆盖工程全生命周期的数据中心。

图2 基于BIM的数字化移交实现流程Fig.2 Digital Delivery realization flow based on BIM

1.3 数字化移交实现要素研究

面向工程全生命周期的数字化移交，时间长、跨度大、参与方多，移交过程复杂而繁琐。在进行数字化移交工作过程中，必须确定好移交内容、移交标准、移交平台和移交团队4项基本要素。移交内容是数字化移交的核心，移交标准是移交内容规范、有效的保证，移交平台是移交数据的载体，移交团队是移交工作的保证，缺一不可。

(1)移交内容。数字化移交内容包含设计、施工、调试、运维等工程全生命周期的结构化数据和非结构化数据，如BIM模型、设计报告、工程图纸、质量信息、材料特性、设备参数等。移交内容应充分结合工程特点，从工程全生命周期数据应用价值的角度进行综合确定，确保移交数据规范、完整、有效、有用。

(2)移交标准。数字化移交标准包括数据颗粒度、数据格式、数据编码、数据版本、数据更新周期、数据采集上传方式、数据处理流程等与数字化移交工作相关的各种规范性文件，用以指导数字化移交工作的实施。移交标准应结合《发电工程数据移交》及工程各参与方的工作方式、信息化系统应用情况、人员素质等有针对性地制定，确保移交标准科学、合理、操作性强。

(3)移交平台。当前主流的数字化移交平台为C/S模式(客户端/服务器)和B/S模式(浏览器/服务器)，第一种模式系统功能强大、安全性高，但系统部署复杂、硬件依赖性强、人员专业性要求高；第二种模式使用门槛低、操作简单方便，但功能相对简单、模型加载对网络依赖性高。对于建设周期长、模型操作频繁、人员素质多样的水电工程而言，数字化移交平台应建设为基于统一数据中心的C/S+B/S模式，以满足不同工程阶段、不同业务、不同应用人员的需求。

(4)移交团队。面向全生命周期的水电工程数字化移交工作是一项长期、复杂的工作，项目业主负责各方协调、过程监管等工作，设计单位负责数据标准建设、技术管理等工作，施工、安装、调试等各参与房负责各自工作范围内数据的采集并按移交标准上传；在数字化移交的不同阶段，应成立专门的机构或组建专门的团队进行实施，团队成员的专业背景或工作经历应包含计算机、数据库、数字工程及水工、机电等水电工程相关专业人员。

2 基于BIM的数字化移交特性研究

相比较传统的工程档案交付、BIM模型应用、工程数据管理等数据应用和交付模式，基于BIM的数字化移交使模型应用简单化、数据展示可视化、数据管理关联化、数据共享信息化；除了发挥数据的直观应用价值外，还可通过工程全生命周期不同阶段、不同业务数据的挖掘、处理和分析，对工程建(构)筑物和设施设备性态进行科学预测和预处置，使工程建设、管理模式朝着数据管理、数据决策、数据创新的方向发展。基于BIM的数字化移交主要特性如下：

(1)轻量级模型应用。轻量级模型，是指在不改变模型文件结构属性的基础上，将模型文件通过参数化处理、减面优化、实例化、数据压缩等方式将模型体积压缩[9]，使原本几G、几十G甚至上百G的原始模型转码成几M,几十M、几百M的轻量级模型。轻量级模型对计算机硬件、网络的要求较低，通过浏览器展示和应用时能有效避免原始模型加载时间过长、程序卡死或者系统崩溃等现象，提高模型的体验性。作为数字化移交的载体和主要移交数据之一，水电工程BIM模型一般由地质、枢纽、厂房、机电等多专业模型组成，模型体量通常较大，难以适用于建设、管理等单位计算机硬件、网络资源有限的应用环境。因此，在数字化移交过程中，应在充分保留模型几何、属性信息的原则下，尽可能压缩模型体积，并在数字化移交系统建设时采用分层传输等技术进行模型加载和显示，从而在保证良好应用效果的同时最大限度降低计算的硬件配置和网络资源要求。

(2)多维度数据管理。数字化移交不同阶段、不用参与方的应用场景各不相同，根据水电工程的特点，数字化移交数据应按照专业、部位和区域3种方式进行管理，以满足不同工程阶段、不同参与人员在不同业务中应用，实现工程全生命周期全过程信息高效传递和共享。

(3)智能化数据融合。数字化移交的核心是数据之间相关关联、相互驱动，在进行数字化移交工作时，应通过智能抽取、关联及分类等手段，快速建立数据之间的关联管理，实现水电工程多维数据集成管理、融合链接和相互驱动，通过数据迭代和数据融合，保证数据完整、准确。

(4)可视化信息协同。数字化移交应通过三维可视化、体验式信息交互，消除信息壁垒、提高沟通效率；通过模型、数据的基本操作，服务于工程全生命周期数据协调管理。

(5)开放性系统架构。数字化移交作为工程大数据的基础，移交系统架构应有充分的开放性，既能通过底层数据对接实现对设计管理、PM、档案等原始工程数据的自动获取，又能通过与工程建设、运维期的各种信息化系统融合服务于工程全生命周期。

(6)大数据分析决策。数字化移交不但具备数据收集、数据管理和数据应用功能，还应具备数据分析和决策功能。通过数字化移交集中管理工程数据，形成包含海量信息的工程大数据。通过数据挖掘、处理和分析，实现工程信息快速获取、工程状态实时掌握、工程问题综合分析。

(7)多终端应用支持。为满足不同场景下工程数据的应用，数字化移交系统应支持个人计算机、平板电脑、手机、大屏等不同应用终端进行数据采集、数据展示、数据管理、数据应用，从而实现便捷、高效地工作。

(8)多措施安全保障。在数字化移交过程中，应采取多种措施保障数据安全。在数据管理方面，可通过建立统一数据中心，统一进行数据存储、数据处理和数据共享等方式，保障数据安全。在数据应用方面，可通过权限管理、用户身份验证、数据加密等方式，确保数据安全。

3 水电工程全生命周期数字化移交应用

3.1 工程建设阶段数字化移交应用研究

3.1.1 方案规划及辅助决策

水电工程建设涉及水文、气象、地质、勘探、环保、水保、移民、动植物保护等多种要素，专业性强、协作频繁。基于数字化移交平台，制定基于空间地理信息的对象分解和编码规则，进行规划数据的统一存储和管理。工程规划阶段，以现状地质、地形及建筑物三维模型为载体统筹管理规划数据，消除信息不对称、专业间协作不紧密等产生的影响，实现可视化环境下规划数据管理、工程规划和方案决策。工程设计阶段，以规划数据管理为基础，集成设计阶段数据，在可视化环境下推敲、比选不同设计方案和不同建筑物的布置形式、不同建(构)筑物的衔接方式，辅助设计人员进行方案比选及设计优化。工程施工阶段，以规划、设计数据管理为基础，在可视化环境下进行施工场地布置、进度管理、复杂施工及安装工艺的模拟、仿真，辅助施工人员进行施工方案优化并进行科学决策(图3)。

图3 基于数字化移交的方案规划及辅助决策Fig.3 Scheme planning and auxiliary decision based on digital delivery

3.1.2 碰撞分析

水电工程三维模型涉及地质、水工、机电等多个专业，不同专业之间的碰撞干涉问题众多，且由此引起的消缺工作耗费大量的人力、物力资源。基于数字化移交平台，整合各专业三维设计模型，在三维虚拟环境下进行不同专业间的碰撞分析，提前消除设计缺陷，提高设计质量(图4)。

图4 基于数字化移交的多专业碰撞分析检查Fig.4 Multi discipline collision analysis and inspection based on digital delivery

3.1.3 三维会审

会审是设计过程中的重要工作，是把控设计质量、消除专业间衔接障碍的主要手段之一。基于数字化移交系统，利用三维模型作为多方会审的载体，可在会审过程中通过对三维设计成果进行漫游、测量、剖切等，并针对设计缺陷自动生成图文并茂的会审清单，从而大大提高会审效率和会审质量(图5)。

图5 基于数字化移交的三维会审Fig.5 Three dimensional joint review based on digital delivery

3.1.4 施工交底

施工交底是工程建设过程中的重要环节，是施工人员了解工程特点、技术要求、施工工艺、工程难点、操作要点的主要工作。传统以CAD平面图为主的施工交底不够直观，难以精确表达复杂的施工工法、接底人与交底内容理解偏差等问题。基于数字化移交系统，利用三维模型进行施工交底，通过漫游、截面剖切、方案工法模拟，使交底内容直观、可视，有效提高交底内容的直观性和精确度，消除接底人对交底内容理解的偏差，快速理解施工方案和操作要求，从而保证设计方案的顺利实施(图6)。

图6 基于数字化移交的三维施工交底Fig.6 Three dimensional construction disclosure based on digital delivery

3.1.5 变更管理

受地形条件、地质条件的影响，水电工程施工过程中极易发生施工实际与规划设计存在偏差的情况，变更管理工作异常繁重，竣工交付时也难免存在变更过程难以追溯、变更资料缺失、设计资料与实际工程不符等现象。基于数字化移交系统，以BIM模型为载体动态管理施工过程中产生的相关数据，从而保证数据管理的完整性、及时性。当施工过程中出现实际地质条件与规划设计不符等情况时，施工人员通过数字化移交系统将地质数据关联至相关模型上，发出相关的设计变更申请；设计人员接收设计变更申请并对相关数据核实后，更新设计模型及相应的设计资料，并通过版本控制的方式进行管理。通过数字化移交系统进行施工过程中的变更管理，可实现从变更原因、变更申请到变更结果的全过程管理，提高变更过程中施工数据的准确性、完整性、及时性和可追溯性。

3.2 工程运维阶段数字化移交应用研究

3.2.1 设备信息管理

水电站设备信息是设备维护保养的基础，设备信息管理是运维管理工作的重要内容之一。设备信息管理既包括设备铭牌、设计、采购、制造加工、安装调试、操作手册等静态信息管理，也包括设备巡检、缺陷处理、保养、运行监控等动态信息，动态信息随着设备运维累加渐进。遵循设备全生命周期管理理念，基于数字化移交系统，将设备信息关联至相应的三维模型上，建立设备模型和设备信息之间的关联关系，实现设备信息的一体化、集成化、可视化管理，在最短的时间内获取最有价值的数据，从而节省人力、时间成本，提高运维管理效率(图7)。

图7 基于数字化移交的设备信息管理Fig.7 Equipment information management based on digital delivery

3.2.2 运维档案管理

运维档案是电站运维管理、事件追溯的重要依据。传统以电子文件和纸质文件为主的档案管理模式，需要耗费大量的人力、物力，数据重复、数据缺失等现象频发，严重影响着运维档案作用的发挥。基于数字化移交的运维档案管理，从运维初期就考虑档案数据在整个运维期的应用。参考相关规范标准，应用科学的档案管理方法对数据内容、格式等进行标准定义，并对档案数据进行结构化处理，保证运维档案的完整性、有效性。基于BIM模型，将运维档案信息进行附加、关联。使用过程中，通过模型定位可快速获取运维档案信息，避免时间、人员变动等对运维档案管理和应用的影响(图8)。

图8 基于数字化移交的运维档案管理Fig.8 Operation and maintenance file management based on digital delivery

3.2.3 仿真模拟

水电站运维工作专业性强、操作复杂，操作不当会造成严重的生产事故，而培训是运维人员掌握操作方法、预防操作事故的最主要途径，传统以视频、文档为主的培训模式难以让运维人员快速掌握运维操作要点及工艺流程。基于数字化移交的模型、数据等移交成果，将电站运维过程中的运行流程、操作步骤、管理标准、工作票等以可视化形式表现出来，通过仿真模拟给运维人员提供一个沉浸式、交互式、标准化、和物理电站一一对应的虚拟化培训操作环境，使运维人员熟练掌握运维操作要点，防止操作失误(图9)。

图9 基于数字化移交的运行仿真模拟Fig.9 Operation simulation based on digital delivery

3.2.4 数据集成展示

常规的电厂运维管理系统都是各个应用系统独立构建，导致各类自动化系统及管理信息系统接口不一致，使得系统的整体性和协调性不足，各类业务应用之间数据信息共享困难，业务流程之间无法形成有效互动，后续系统运维成本高，无法满足集约化生产及运行管理的需求。基于数字化移交成果，在可视化环境下，集成水电站监测、监控等各系统数据，形成一个设备对应一个模型、一套数据、一个后台数据库、一个查询系统的可视化数据集成展示系统，在三维可视化环境下实现数据的综合展示、查询、统计和分析，实现电厂生产、管理及运行的“一张图”管理，从而提高运维管理效率(图10)。