黃培志，胡 亭，黎志藝

(深圳市水務規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)的發(fā)展[1]，智慧水務受到前所未有的重視[2]，很多城市陸續(xù)開展智慧水務構(gòu)建方案[3]和應用體系[4]研究，以新信息技術(shù)應用促進管理精細化、智慧化，已成為新時期水務管理的趨勢[5]。作為重要的新信息技術(shù)，BIM已在提高水利水電工程建設(shè)現(xiàn)代化水平等方面發(fā)揮了重要作用[6]。但與此同時，信息化和智慧水務并不能一蹴而就，而是一個隨著業(yè)務和技術(shù)變化不斷滾動、更新、迭代的過程[7]，例如，水利水電行業(yè)內(nèi)BIM應用在不同地區(qū)、不同類型的工程中就體現(xiàn)了明顯的不均衡性。其中中小型泵站、水閘的BIM應用并不理想[8]，涉及運維的研究也較少，李威[9]展望了BIM模型在泵閘運行管理中設(shè)備巡檢、防汛演習、人員培訓、設(shè)備效能分析和項目后評估等方面的應用，王佳媛[10]結(jié)合BIM、VR、RFID、SCADA等技術(shù)系統(tǒng)提出給水泵站全生命周期的應用思路，秦雯[11]將BIM與GIS信息對接，初步完成基于BIM的泵站項目管理系統(tǒng)的開發(fā)，基本實現(xiàn)全壽命期信息記錄等。盡管中小型泵站、水閘是承擔城鄉(xiāng)防洪、防潮、排澇、供水等功能的重要民生基礎(chǔ)設(shè)施，但由于規(guī)模較小、數(shù)量眾多、位置分散等原因，其運維信息化水平往往不高而且關(guān)注度也較低，總體上仍停留在以文字、二維圖表、簡單臺賬等形式留存、使用工程運維資料的狀態(tài)，信息交互效率低。

作為未來智慧水務建設(shè)的重要組成部分，中小型泵站、水閘的運維信息化應用研究十分必要而緊迫，文章將圍繞深圳市共和閘站的BIM運維應用展開初步探討。研究對象共和閘站是深圳市寶安區(qū)沙井河片區(qū)排澇工程的組成部分，位于寶安區(qū)西北部共和涌河口，包括共和泵站和共和水閘，設(shè)計排澇標準為20年一遇24h設(shè)計暴雨不受淹，服務面積為0.12km2，機組共3臺，設(shè)計總裝機容量為945kW，設(shè)計總提水流量為12.3m3/s。

1 運維BIM建模

項目根據(jù)現(xiàn)行的Autodesk、Bentley、Catia等主流平臺[8]的特點，綜合考慮性價比、兼容性、操作友好性等因素，采取更契合中小型水利設(shè)計單位需求的Autodesk平臺，以Revit軟件為主進行建模。各專業(yè)、各分項建模精度不低于竣工圖模型(LOD500)。軟、硬件具體配置不能低于最低要求，相關(guān)標準規(guī)范參照地方BIM交付標準[12]、中國水利水電勘測設(shè)計協(xié)會BIM標準[13]及研究成果[14]、水利行業(yè)制圖規(guī)范及建筑行業(yè)BIM標準[15]等執(zhí)行，翻模技術(shù)也較為成熟，文章均不贅述，僅重點闡述有關(guān)原則和注意事項。

1.1 模型創(chuàng)建規(guī)則

(1)坐標、高程和單位系統(tǒng)。項目中所有模型使用統(tǒng)一坐標和高程系統(tǒng)，在Revit中建立項目北與地理信息正北方向的關(guān)系。水工結(jié)構(gòu)標高特性為標高對應特征名稱(如閘底板等)，標高數(shù)值為絕對高程；建筑結(jié)構(gòu)的標高特性為樓層編碼，標高數(shù)值以相對標高。使用統(tǒng)一的單位制，模型單位為毫米(保留1位小數(shù))，標高及路線樁號單位為米，標注尺寸單位為毫米。

(2)模型拆分協(xié)同原則。模型應能夠?qū)崿F(xiàn)按構(gòu)筑物分區(qū)、按專業(yè)、按部位、按構(gòu)件進行拆分。拆分的單個模型文件的大小，最大不宜超過50M，以保證計算機操作的流暢性和GIS平臺導入模型的完整性。

(3)模型文件命名規(guī)則。模型文件命名應考慮文件名的長度和后期管理的需要，應包含項目名稱、實施階段、相關(guān)專業(yè)及具體的空間位置，同時還應包含自定義字段。具體格式為：項目名稱代碼-設(shè)計階段代碼-[分區(qū)名稱]-專業(yè)代碼-[子項名稱/代碼]-自定義描述。其中，[ ]表示按實際項目需要添加。如有多個子項的可用設(shè)計編號(如01、02)進行區(qū)分。專業(yè)代碼用于表明該模型的專業(yè)用途，如SG：水工結(jié)構(gòu)， DQ：電氣，JG：景觀，JZ：建筑，如有其他專業(yè)代碼需要增加另行設(shè)定。自定義描述用于表示文件版本號、時間等自定義描述內(nèi)容。例如，共和閘站運維階段水工結(jié)構(gòu)水閘部分11月15日版模型，模型文件命名為GHBZ-YW-SG-水閘- 1115。

(4)模型信息要求。通用信息的模型構(gòu)件屬性表中須包含規(guī)范的構(gòu)件名稱，模型文件屬性表中須包含創(chuàng)建時間、創(chuàng)建人員、文件命名、模型專業(yè)、實施階段、相關(guān)專業(yè)等信息。

1.2 模型創(chuàng)建與校驗

鑒于該工程是已建成的在運行項目，前期未開展正向設(shè)計，主體工程大多位于水下而無法通過實景建模，建模人員主要通過工程圖紙和相關(guān)調(diào)研資料深入、準確地理解項目設(shè)計方案后開展“翻?！惫ぷ?。啟動建模前結(jié)合工作習慣預設(shè)項目樣板，在指定項目信息處填寫本項目名稱和時間等相關(guān)建設(shè)信息，可為以后模型的傳遞和信息交流提供便利。

根據(jù)泵站、水閘的整體布置和各段結(jié)構(gòu)尺寸，建模時應創(chuàng)建合適的軸網(wǎng)和標高，軸網(wǎng)宜布置在構(gòu)筑物的墻邊線、結(jié)構(gòu)中心線、上下游各段結(jié)構(gòu)的分界處；標高宜根據(jù)構(gòu)筑物各個分層的控制高程進行設(shè)置，標高疏密要適中，以利于不同高程的部件進行放置和后續(xù)的方案調(diào)整。各模型均基于柱、墻、梁、板等構(gòu)件創(chuàng)建，異形構(gòu)件采用內(nèi)建模型進行自定義建模。相似構(gòu)件通過全局參數(shù)功能實現(xiàn)模型的參數(shù)化驅(qū)動以提升效率。在構(gòu)件類型屬性中應注釋名稱、尺寸、材質(zhì)、所在建設(shè)階段等數(shù)據(jù)，并特別注意添加構(gòu)件非幾何信息。非幾何信息是BIM模型信息傳遞的重要內(nèi)容，也是運維管理的重要依據(jù)。

建模過程與金結(jié)、電氣、建筑、巖土等專業(yè)保持模型鏈接關(guān)系，隨時檢查專業(yè)間的不協(xié)調(diào)問題，并結(jié)合圖紙與現(xiàn)場照片等資料復核墻體、樓板開洞位置、尺寸及設(shè)備基礎(chǔ)、樓梯等做法，減少過程錯誤。模型建成后，直接應用Revit碰撞檢查進行模型校驗，同時還需將自動剖切生成的二維視圖與圖紙進行比對，盡可能減少錯誤。如圖1～如4所示。

圖1 整體模型進口三維視圖(進水口側(cè))

圖2 廠房模型外部三維視圖

圖3 電氣系統(tǒng)模型三維視圖

圖4 廠房模型內(nèi)部三維視圖

2 運維管理系統(tǒng)開發(fā)

目前，已有較多基于BIM+GIS的系統(tǒng)開發(fā)應用，張帆[16]開發(fā)了BIM水務應用管理協(xié)同平臺，王子成[17]應用地理信息系統(tǒng)Skyline和PHP 編程語言開發(fā)了土石壩施工仿真可視化系統(tǒng)。但相關(guān)研究更多面向重大基礎(chǔ)設(shè)施工程，而針對中小型泵站、水閘的BIM+GIS運維管理系統(tǒng)研究較少，對此，文章將結(jié)合該工程特點選取較為易用、實用的開發(fā)方法進行應用研究。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

在滿足技術(shù)標準與規(guī)范、用戶需求和技術(shù)支持的基礎(chǔ)上，該工程運維管理系統(tǒng)架構(gòu)分為業(yè)務層、應用層和數(shù)據(jù)層(如圖5所示)，采用.NET Framework 3.5框架的C/S模式開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用Access，三維GIS平臺采用Skyline 6.6.1，三維底圖和建筑模型在線調(diào)用深圳市規(guī)劃和自然資源局的三維空間平臺，系統(tǒng)運行網(wǎng)絡(luò)需求為深圳市政務外網(wǎng)，軟件運行需求為WIN 7以上操作系統(tǒng)、TerraExplorer 6.6.1以及.NET Framework 3.5。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括地圖工具、設(shè)施運維管理、圖紙資料管理、應急預案管理、報表統(tǒng)計和數(shù)據(jù)管理等6大模塊。其中，地圖工具模塊(如圖6所示)提供在地圖模式下的測距、模擬下雨、陰影、室內(nèi)視圖、旋轉(zhuǎn)、圖層控制功能，主要用于模型查看，便于快速熟悉工程情況；設(shè)施運維管理模塊(如圖7所示)提供泵機、吊車梁、進水閘、拍門、排水閘、清污機等設(shè)施的排澇能力、裝機容量等詳細參數(shù)信息的快速查詢；圖紙資料管理模塊提供工程設(shè)計、更新改造或者除險加固等全套完整圖紙調(diào)閱功能；應急預案管理模塊提供工程設(shè)備的應急預案信息調(diào)閱功能；報表統(tǒng)計模塊提供電氣主材及閘門、水泵、橋機、格柵清污機等的實時運行報表信息；數(shù)據(jù)管理模塊提供泵機、吊車梁、進水閘、拍門、排水閘、清污機等設(shè)施數(shù)據(jù)編輯和更新功能。

圖6 地圖工具模塊(測距)

圖7 設(shè)施運維管理模塊(格柵清污機)

圖8 運維保障模塊

2.2 系統(tǒng)應用優(yōu)勢分析

共和閘站BIM運維系統(tǒng)在資料和資產(chǎn)管理方面優(yōu)勢突出，管理人員和相關(guān)方可及時便捷調(diào)閱工程各有關(guān)參數(shù)、圖紙報告、驗收檔案和設(shè)備運行狀態(tài)等資料，實現(xiàn)對工程資產(chǎn)有效的信息管理和資料共享。因泵閘工程大部分為地下建筑物且部分設(shè)備位于水下，投入運行后很難直觀查看，本系統(tǒng)可快速、流暢地瀏覽工程三維模型全貌，協(xié)助快速掌握閘站結(jié)構(gòu)情況，為培訓和匯報宣傳帶來便利。與此同時，實現(xiàn)閘站圖紙、設(shè)備信息與BIM模型的關(guān)聯(lián)，點選模型具體部位快速調(diào)出相應竣工圖紙，點選具體設(shè)備快速調(diào)出運行信息及維修保養(yǎng)記錄等，可有助提高工程除險加固、設(shè)備更新改造等決策效率。

另外，共和閘站是中小型泵站、水閘的典型代表，工程范圍小、設(shè)備內(nèi)容清晰、運行工藝簡單，應用BIM技術(shù)進行逆向建模較容易，開發(fā)基于BIM+Skyline的三維GIS運維管理系統(tǒng)，其效率較高也較易實現(xiàn)。類似閘站工程的BIM運維應用，可在較短時間內(nèi)完成建模和系統(tǒng)的個性化調(diào)整，具有可復用價值，推廣應用后可為深圳市智慧水務的工程信息歸集提供重要基礎(chǔ)資料。

3 存在問題與建議

對照深圳市智慧水務的總體要求與工程管理實際情況，共和閘站BIM運維應用仍面臨亟待解決的若干問題。

(1)BIM運維系統(tǒng)控制設(shè)備的優(yōu)勢暫不明顯。中小型閘站工作的設(shè)備操控相對簡單，對管理人員的門檻要求較低，無需通過復雜流程即可啟閉機組實現(xiàn)擋潮、排澇功能，在實現(xiàn)全無人值守前，現(xiàn)地操作仍然具有安全可靠及性價比的優(yōu)勢。

(2)中小型閘站硬件自動化水平有待提高。目前，大部分中小型閘站工程尚未配備全面的自動化監(jiān)控、監(jiān)測設(shè)備，水位、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)無法通過傳感器傳到BIM運維系統(tǒng)來實現(xiàn)智能感知，也無法通過實時信息來共享支持流域的聯(lián)合調(diào)度。

(3)BIM建模與系統(tǒng)開發(fā)方法仍有優(yōu)化空間。通過竣工圖創(chuàng)建運維模型的逆向建模方式，檢驗模型準確性的難度和工作量較大。同時，基于本次版本Skyline開發(fā)的BIM運維系統(tǒng)存在較嚴重的材質(zhì)丟失問題，而且C/S開發(fā)模式不利于大范圍推廣應用。

中小型閘站工程數(shù)量眾多，大部分還停留在紙質(zhì)檔案管理階段而未實現(xiàn)三維可視信息化，歷史欠賬較多，要全面提升運維信息化管理水平仍需較長的過程才能實現(xiàn)。針對中小型閘站工程BIM運維應用面臨的問題，建議存量工程應加強逆向建模的校驗，確保模型的準確性，增量工程宜采用BIM正向設(shè)計方式創(chuàng)建準確BIM模型，不斷更新、豐富模型信息并流轉(zhuǎn)到運維階段，復雜工程還可采用Vault正向協(xié)同設(shè)計模式建模。系統(tǒng)開發(fā)可考慮Skyline新版本或超圖、易智瑞等三維GIS平臺結(jié)合B/S開發(fā)模式，嘗試提升信息共享效率和解決材質(zhì)丟失問題，并增加豐富的圖表分析和視頻顯示功能。在自動控制方面，可結(jié)合設(shè)備更新改造逐步加設(shè)各類傳感器以獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，應用自動感應、圖像識別、視頻識別技術(shù)將信息傳遞到應用系統(tǒng)和流域管理系統(tǒng)，實現(xiàn)單體工程自動控制，有助于全市智慧水務管理應用。

4 結(jié)語

針對目前中小型閘站工程運維管理水平與智慧水務要求差距較大的現(xiàn)狀，文章以深圳市共和閘站為試點開展BIM運維應用初步探索，梳理了以Revit為主、基于竣工資料的BIM逆向建模原則與注意事項、模型創(chuàng)建與校驗方法，提出了Skyline在C/S模式下BIM運維系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊，并開發(fā)了共和閘站BIM運維系統(tǒng)；結(jié)合工程實際分析了該系統(tǒng)有效提升資料資產(chǎn)管理效率、便于推廣復用等優(yōu)勢以及存在的若干問題，提出了強化正向設(shè)計、優(yōu)化開發(fā)模式和模型處理方法、豐富展示功能和結(jié)合設(shè)備更新改造加快硬件自動化升級等建議，可為智慧水務建設(shè)和類似工程BIM運維管理提供基礎(chǔ)信息和參考。