上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計研究有限公司 周 力
上海市天然氣主干管網(wǎng)崇明島-長興島-浦東新區(qū)五號溝 LNG站管道工程(下稱過江管工程)是上海市天然氣主干管網(wǎng)的重要組成部分,承擔(dān)著“西氣東輸”“川氣東送”等國家天然氣工程進(jìn)入上海后的接收和分配輸送任務(wù)。這是上海市重大市政基礎(chǔ)設(shè)施之一。該項目的建設(shè)將進(jìn)一步完善和優(yōu)化上海市天然氣主干管網(wǎng),確保崇明燃?xì)怆姀S的安全供氣,滿足崇明島、長興島和浦東新區(qū)經(jīng)濟(jì)及市場發(fā)展,同時也是落實長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略,加快實現(xiàn)長三角基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的重要工程。
過江管工程路由示意如圖1所示。
圖1 過江管工程路由示意
該過江管工程是目前國內(nèi)在建的天然氣管道穿越長江距離最長的項目,配套建設(shè)的小直徑隧道也是目前里程最長的天然氣專用隧道。為解決小直徑長距離隧道內(nèi)天然氣管道施工困難、實施過程管控難度大等問題,本文結(jié)合天然氣行業(yè)的特點和管理需求,探索運用BIM技術(shù)、三維GIS技術(shù)和IoT技術(shù),建立新興信息化技術(shù)條件下,提供滿足城市天然氣輸配系統(tǒng)建設(shè)、運行管控需求的數(shù)字化解決方案。以過江管工程為對象,探索建設(shè)一整套服務(wù)于城市天然氣主干管網(wǎng)建設(shè)的管理系統(tǒng)平臺,從而提升建設(shè)過程安全、質(zhì)量、效率等的管控水平。
1.1.1 基于建設(shè)過程管理的功能需求
BIM 建模對過江管工程各階段場景進(jìn)行三維真實尺度還原,用戶可以在計算機(jī)前進(jìn)行全方位多角度的三維瀏覽,將三維實體與各類文檔數(shù)據(jù)直觀關(guān)聯(lián),更能實現(xiàn)空間分析和空間運算等深層次的管理需求,提升管理效能。在大型工程建設(shè)中,三維模型化管理的優(yōu)勢毋庸置疑。
1.1.2 基于全生命周期的信息化管理和應(yīng)用需求
全生命周期管理是工程建設(shè)項目先進(jìn)理念,對項目涉及的全部環(huán)節(jié)和工作進(jìn)行有效的管理,即從項目的發(fā)起開始到項目結(jié)束的全過程進(jìn)行計劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)、控制和評價,包括項目設(shè)計階段的數(shù)據(jù)管理、項目實施階段的項目管理和項目運維階段的設(shè)施管理等。
1.2.1 BIM數(shù)據(jù)
BIM 的中文全稱譯作“建筑信息模型”。該概念最早由Autodesk(歐特克)公司于2002年提出,目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。BIM技術(shù)可以幫助實現(xiàn)建筑信息的集成,從建筑的設(shè)計、施工、運行直至建筑全生命周期終結(jié)時的各種信息可以通過該技術(shù)整合在一個三維模型信息數(shù)據(jù)庫中,設(shè)計團(tuán)隊、施工單位、設(shè)施運營部門和業(yè)主等項目各方人員可以基于 BIM 技術(shù)進(jìn)行協(xié)同工作,提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
1.2.2 SCADA數(shù)據(jù)
燃?xì)釹CADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng),即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng),可以對燃?xì)夤芫W(wǎng)中運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。在目前的主流應(yīng)用中,SCADA系統(tǒng)與電能量計量系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、水調(diào)度自動化系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)自動化系統(tǒng)以及辦公自動化系統(tǒng)的集成是它的一個主要方向。結(jié)合本系統(tǒng)的功能需求,對照上述應(yīng)用案例,SCADA系統(tǒng)的高度可集成性為運營維護(hù)階段的設(shè)備巡查和運營監(jiān)控提供了一個可靠的數(shù)據(jù)來源。
2.1.1 全生命周期協(xié)同工作制度
過江管工程的數(shù)字化建設(shè),以項目全生命周期各階段管理目標(biāo)劃分工作內(nèi)容,明確工作重點,建立以管理需求為中心、各方共同參與的工作模式,分配各參與方責(zé)權(quán)利。
2.1.2 項目實施方案
建立一套完整的項目實施方案,包括實施目標(biāo)、基礎(chǔ)條件、項目實施流程和信息交換規(guī)則,從而達(dá)到高效交互和實施的目的。同時,針對實施目標(biāo)和基礎(chǔ)條件的完善,使業(yè)主對項目進(jìn)度和完成情況有直觀的了解。
2.1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)
建立一套完整的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)及命名規(guī)則,包括空間和圖形標(biāo)準(zhǔn),精細(xì)度(顆粒度)標(biāo)準(zhǔn),模型交付標(biāo)準(zhǔn)等,可以極大地提升項目信息交互協(xié)同效率,避免各種因為信息交互溝通不暢而產(chǎn)生的時間成本,從而縮短工期。
2.1.4 工具使用規(guī)則
各類工具的使用也應(yīng)制定一套相應(yīng)的規(guī)則,防止項目參與各方在協(xié)同平臺上錄入的數(shù)據(jù)信息詳細(xì)程度不一致的情況,同時規(guī)范化的方法對相關(guān)人員快速適應(yīng)工具也有積極的意義。
2.2.1 基于全生命周期的全面管控
在一套標(biāo)準(zhǔn)的制度保障下,通過信息化的管理手段,利用覆蓋項目全生命周期的數(shù)字化建設(shè)協(xié)同平臺,進(jìn)行項目的全過程管理。按照項目實際情況,將項目不同階段的管理需求設(shè)置管理重點,以信息化手段將重點管控過程體現(xiàn)在管理平臺中。
2.2.2 各參與方的任務(wù)協(xié)同
通過數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺和管理機(jī)制的建立,為各參見方提供一個高效、靈活和安全的協(xié)同工作環(huán)境并且使項目數(shù)據(jù)的安全性得到保證,提高模型整合效率,同時為本項目后期的運營和維護(hù)提供了數(shù)據(jù)的支撐和保障。
設(shè)計模型和施工模型不能重用,導(dǎo)致不能保證信息的有效性、集成性、一致性,是目前BIM技術(shù)應(yīng)用中最突出的問題之一。因此提高設(shè)計模型和施工模型之間的重用性是本項目設(shè)定的目標(biāo)之一。在實施過程中各參與方要進(jìn)行咨詢、協(xié)調(diào)和管理工作,并以模型為中心和基礎(chǔ),通過共享的信息平臺加以溝通與分享及時更新的模型信息。在設(shè)計階段,保證建模標(biāo)準(zhǔn)、流程和制度的一致性和繼承性,使得設(shè)計信息能完整的、一致的傳遞到施工階段;在施工階段,強(qiáng)調(diào)施工深化設(shè)計模型和施工作業(yè)模型是基于設(shè)計模型進(jìn)行創(chuàng)建而不是重新創(chuàng)建,并且在施工階段能夠繼續(xù)利用和深化,充分考慮項目中工藝設(shè)備的運輸、安裝和檢修;再傳遞到運營階段。循序漸進(jìn)的過程保證模型中信息的高度集成化以及模型的順利傳遞、重復(fù)利用。建立“創(chuàng)建、管理、共享”的BIM模型應(yīng)用模式。
模型在各個階段的應(yīng)用如圖2所示。
圖2 模型在各個階段的應(yīng)用
通過BIM技術(shù)可以輕松實現(xiàn)集成化管理,建立一整套基于BIM的全過程集成化管理系統(tǒng)。在統(tǒng)一目標(biāo)的組織系統(tǒng)和統(tǒng)一的管理思想,整合了開發(fā)、項目以及設(shè)施的管理;通過統(tǒng)一的管理語言、管理規(guī)則、信息處理系統(tǒng)支撐了整個管理體系。
2.5.1 多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合
本研究的目標(biāo)首先是建成覆蓋過江管設(shè)計、施工和運維全生命周期的數(shù)字化建設(shè)與運維平臺,并包括了隧道建設(shè)和燃?xì)夤芊笤O(shè)兩個階段,參與人員為多個單位和部門,每個用戶都是數(shù)據(jù)的使用者,同時也是數(shù)據(jù)的提供者。
其次,對于過江管工程而言,其涉及的范圍較大、數(shù)據(jù)來源廣、數(shù)據(jù)形式不一、數(shù)據(jù)精度各異。系統(tǒng)首先要解決數(shù)據(jù)的可信度整合問題,將多源、異構(gòu)、建模標(biāo)準(zhǔn)不一的數(shù)據(jù)在保證數(shù)據(jù)精度、一致性和完整性前提下,整合到同一個三維平臺里,進(jìn)行有效表達(dá),實現(xiàn)過江管多維多源數(shù)據(jù)的融合。
2.5.2 高耦合可擴(kuò)展系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)技術(shù)
本系統(tǒng)中所有應(yīng)用皆基于BIM三維模型展開。其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)始終處于動態(tài)更新的狀態(tài),而系統(tǒng)中的各個應(yīng)用模塊都是從這套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中調(diào)取興趣信息,系統(tǒng)的各個模塊之間是高耦合的。
由于低耦合的系統(tǒng)更容易擴(kuò)展和被復(fù)用,開發(fā)過程和維護(hù)也更加容易,因此在本系統(tǒng)的設(shè)計中,建議構(gòu)建可擴(kuò)展的網(wǎng)站架構(gòu),采用模塊化思想,降低模塊之間的耦合性,提高模塊的復(fù)用性。利用分層與分割的方式,把系統(tǒng)分割為若干個低耦合、獨立的組件模塊,然后在這些組件模塊之間以消息傳遞或依賴調(diào)用的方式聚合成一個完整的系統(tǒng)。
本系統(tǒng)作為燃?xì)夤芫W(wǎng)GIS系統(tǒng)的優(yōu)化,將在管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將二維管線數(shù)據(jù)升級為三維管線信息,并對過江管部分的管線信息從竣工階段,擴(kuò)展到全生命周期過程;在數(shù)據(jù)來源方面,利用SCADA系統(tǒng),對管網(wǎng)的整體運性狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,同時,采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),對除管道本身之外的管網(wǎng)運營環(huán)境等條件進(jìn)行實時監(jiān)測。
3.1.1 BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)
BIM 模型在項目不同階段對于模型精確程度的需求是不同的。模型構(gòu)件的尺寸、位置、信息量這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度被稱為模型精度(代號 LOD,全稱Level of Development)[1],根據(jù)GB/T 51235-2017《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》的定義說明不同模型精度對 BIM 數(shù)據(jù)的要求及其對應(yīng)的項目階段。模型精度/細(xì)度等級代號見表1。
表1 模型精度/細(xì)度等級代號
BIM 數(shù)據(jù)的制作可根據(jù)項目的特點分為不同階段,BIM 模型在項目不同階段的精度是不一致的。其優(yōu)點是模型與項目進(jìn)度同步,在項目早期不需要投入過多資源在模型維護(hù)和模型處理上。同時,在項目關(guān)鍵節(jié)點處有足夠的信息被前置,輔助各參與方?jīng)Q策,節(jié)約人力資源和硬件資源。對于建筑外觀模型,根據(jù)不同項目的實際情況,或者項目的不同階段,通常采用LOD100或LOD200作為設(shè)計階段的建筑外觀;對于需要進(jìn)行碰撞檢測的模型,需要內(nèi)部管道模型與內(nèi)部裝飾構(gòu)件達(dá)到LOD300。對于重難點問題的展示可適當(dāng)提高不同階段的模型精度。
3.1.2 三維GIS+BIM的數(shù)據(jù)協(xié)同
為了將精細(xì)的 BIM 模型運用到管網(wǎng)整體的建設(shè)和運行中,需要將結(jié)構(gòu)信息模型與地形地質(zhì)信息模型相結(jié)合,以保證其完全性[2]。結(jié)合三維GIS技術(shù),滿足長距離線性工程和城市級體量工程的管理需求。BIM實現(xiàn)了城市設(shè)施構(gòu)件和工程項目顆粒度級別的管理,三維 GIS+BIM 技術(shù)集成了全線高壓管網(wǎng)及周邊建筑物、地形信息等數(shù)據(jù),其信息傳遞方式從傳統(tǒng)的點對點變?yōu)榧泄蚕砟J健?/p>
系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。以BIM數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的耦合為核心,結(jié)合三維GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),為大型天然氣管道項目的設(shè)計、施工、運維等全生命周期的參與者提供定制化的數(shù)據(jù)共享服務(wù)和自動化的業(yè)務(wù)管理手段,以提高項目質(zhì)量和效率,并將為之后的此類項目形成企業(yè)級的數(shù)字化實施指南。
圖3 數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺架構(gòu)
3.3.1 平臺開發(fā)
過江管工程的數(shù)字化協(xié)同平臺開發(fā)及實現(xiàn)將采用基于BIM+3DGIS的WebGL技術(shù),運用Cesium的底層開發(fā)平臺與Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫,建立一套B/S模式的管理系統(tǒng),能夠更好地適應(yīng)與解決信息管理和協(xié)同傳輸?shù)膯栴}。
從技術(shù)可行性角度來分析,該技術(shù)滿足系統(tǒng)柜開發(fā)性的需要,能夠解決系統(tǒng)建立及實現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)擬采用的開發(fā)技術(shù)在其他行業(yè)有大量的經(jīng)驗,是成熟可行且可靠的。用戶無需了解Revit等軟件產(chǎn)品,人工錄入數(shù)據(jù)通過RFID或二維碼的方式,自動錄入數(shù)據(jù)通過傳感器的方式統(tǒng)一到瀏覽器平臺上進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制。
3.3.2 關(guān)鍵施工工藝模擬
項目于2018年6月開始,已完成了BIM模型的制作(隧道部分 LOD350,管道部分 LOD450),開展了管道安裝關(guān)鍵施工工藝的模擬與方案驗證比選。確定了合理的隧道內(nèi)管段安裝方案的具體細(xì)節(jié),解決了臨時設(shè)施碰撞等問題,大幅縮減了后期項目改動的成本。
在隧道施工的過程中,采用基于IoT技術(shù)的數(shù)據(jù)采集終端(包括人員端和設(shè)備端)精細(xì)化管理物料和人員進(jìn)出場以及施工質(zhì)量進(jìn)度等指標(biāo),減少返工可能性,縮減項目成本。從引入BIM技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性方面來看,是可行的,并且后期還將持續(xù)產(chǎn)生大量的成本控制方面的經(jīng)濟(jì)效益。
本研究建立在新一代信息技術(shù)條件下,探索完善滿足城市天然氣主干管網(wǎng)建設(shè)過程管控、運維管理的標(biāo)準(zhǔn)體系。探索BIM技術(shù)、三維GIS技術(shù)、IoT技術(shù)等在天然氣管網(wǎng)施工建設(shè)以及運營管理過程中的高效融合應(yīng)用。
依托過江管工程,以管網(wǎng)建設(shè)施工過程中的安全、質(zhì)量、效率管控為切入點,開展了項目的數(shù)據(jù)建設(shè)、關(guān)鍵施工工藝模擬以及數(shù)字化平臺的整體設(shè)計研究工作。以未來城市級燃?xì)庀到y(tǒng)的安全運維管理要求為指導(dǎo),研究建立服務(wù)于建設(shè)管理和運維的數(shù)字化平臺,落實城市精細(xì)化管理思路,為后續(xù)進(jìn)一步智慧應(yīng)用的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
依托過江管工程的實踐,以及數(shù)字化平臺的建設(shè)探索,未來可逐步完善形成城市燃?xì)鈹?shù)字化建設(shè)模式,建立完整的數(shù)據(jù)資產(chǎn),構(gòu)建“數(shù)字化一張網(wǎng)”,并進(jìn)一步與城市燃?xì)庹{(diào)度管理系統(tǒng)的對接融合,結(jié)合城市安全管控與精細(xì)化管理要求,更深層次運用人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù),開展智慧化輔助決策功能的開發(fā),為城市燃?xì)膺\營者、管理者提供一種精確、高效、可視化的管理工具。