数字化交付技术在洺河渡槽工程中的应用探索

武健超，王立朝，张 楠

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050021）

1 环境背景

面对复杂的建设工程，传统的设计、建造、管理模式越来越难以满足发展需求。如何进一步提高效率降低成本是参建各方共同关注的焦点。利用互联网+BIM［1］技术实现建设工程的全生命周期管理［2］，是目前最前沿、最具可行性的技术手段，对工程建管过程中提高工作效率、控制投资、缩短建设周期、降低人力和物力成本，有着极其显著的促进作用，是实现建设工程领域跨越式发展的必由之路。为促进全社会可持续发展，国家、各省市及行业内的相关促进政策陆续出台。根据住建部要求，到2020年以国有资金投资为主的大中型建筑，申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区项目勘察设计、施工、运营维护中，集成应用BIM的项目比率达到90%。

三维协同设计［3］及数字化交付［4］在大型水利枢纽中的应用也证实了对于提高工程设计质量，提升工程运维管理水平具有重要作用。目前国内各大设计院纷纷展开了三维协同设计及数字化交付技术在水利枢纽中的应用研究，我院结合南水北调中线洺河渡槽工程也开展了相应的应用探索。

洺河渡槽是南水北调中线总干渠工程的大型河渠交叉建筑物，设计流量230m3／s，加大流量250m3／s。工程由进出口连接段、进口节制闸、出口检修闸、退水闸和排冰闸组成。全长930m，其中跨河渡槽段总长640m，共16跨，单跨40m，槽身为三槽一联带拉杆预应力钢筋混凝土矩形槽，为目前全国单跨最大的输水渡槽建筑物。工程不仅规模大，且结构形式复杂，各类建筑物、设备、设施、管线众多，以之开展三维协同设计和数字化交付研究，具有现实意义和示范效应。

2 实施过程

工程数字化交付以工程信息为核心，数字三维模型为依托，工程资料为扩展。

2.1 建立工程三维模型

在洺河渡槽三维模型建立过程中，首先按照部位、专业对工程进行拆分，各专业人员在三维协同设计平台上设计建模、相互协调，实时反馈。三维协同设计的工程文件结构体系如图1所示。各部位模型完成之后进行分级总装，通过虚拟模型中的碰撞检查［5］，及时发现布置和结构设计环节中存在的错误，并加以修改。洺河渡槽全厂三维模型总装如图2所示。

图1 工程文件结构体系

图2 洺河渡槽全厂三维模型总装

2.2 录入工程信息及资料

工程三维模型作为初级产品，不能完全满足数字化交付和运维管理的实际需求。需将洺河渡槽的其它类型信息和资料录入到三维模型中，包括设计方的报告、图纸、监理、施工等参建方在建设和验收过程中形成的文档资料，以及各类设备的性能参数、厂家信息、安装信息等，并与模型中各类设备、设施一一对应，形成具备高度逻辑关联的数字三维信息模型。三维模型录入相关信的界面如图3所示。

图3 电气设备信息录入界面

2.3 数字三维模型发布及应用

为控制数字三维模型的文件体量，同时保证模型文件的安全性，洺河渡槽全厂总装模型发布为轻量化的i-model文件格式。然后根据建管单位的需求，搭建工程综合管理平台，或直接导入iPad移动端中，能够很方便的在工程现场查看工程信息、调取设计文件。

通过三维数字化模型，使用者依托设备内嵌或网络连接的信息资料库，可以远距离进行查询、会诊及管理，实现无纸化办公。

通过三维数字化模型还能够直观形象的查找各类型设备、设施、管线的特征参数、结构尺寸、相互关系、空间定位等关联信息。工程维修时可无损查找故障点，尤其是隐蔽工程中的管线敷设位置、走向等，实现故障点精准快速定位。移动端查看模型及相关信息图纸效果如图4所示。

图4 移动端三维数字模型交付成果

2.4 数字化交付平台搭建

发布后的i-model模型可在一定程度上优化数据结构，减小文件体量，但是由于水利工程的复杂性，大中型项目优化后体量依然较大，在PC端或移动端显示速度依然较慢。另外由于PC端及移动端展示均需要安装Navigator等付费插件，不便于使用，为提高模型浏览及文件查看速度，同时摆脱插件制约，实现在web端的访问，通过对不同图形显示引擎的对比，最终选择在B／S架构［6］下，利用WebGL技术［7］进行技术开发，实现web端模型展示、信息管理与查询等功能，初步构建数字化交付平台。

2.5 特殊定制及开发

由于水利水电工程的复杂性和特殊性，仍然有一些额外需求难以满足。例如建管单位非常关心的安全监测设施的关联定位、数据处理分析以及固定资产管理等功能。需要利用计算机语言进行深度开发，根据建管单位的实际需求量身定制。交付平台底层采用数据库作为数据存储支持，利用编码系统作为桥梁将服务平台内各服务模块组织在一起，最终以三维模型为依托显示在Web界面，三维数字化交付平台系统结构如图5所示。交付平台应具备整个工程的全生命周期管理，具备以下功能：施工进度成本管控、固定资产管理、事故应急响应管理，设备数据采集分析等。

2.5.1 施工进度成本管控

水利工程施工过程是一项综合复杂的生产活动，施工过程中的进度和成本是紧密相关的，施工过程出现的进度变化往往会引起成本的剧烈变化，因此进度控制及成本控制［8］是施工过程的重点关注对象。为此数字交付平台加入了5D进度成本信息模型，即在三维模型基础上，融入时间进度信息与成本造价信息，形成由“三维几何模型-进度-成本”的5D工程信息集成模型。将三维模型按工程关键节点分包，工作包包括施工模拟、分包成本、关键技术等。最终可视化地展示了施工过程中进度、资源、成本信息的动态变化过程，全面把握工程的施工进度。施工进度计划流程如图6所示，通过计划任务的闭环流程，及时发现和解决施工资源与成本控制出现的矛盾，可减少工程超预算，保障资源供给，提高了施工项目管理水平和成本控制能力。

图5 三维数字化交付平台系统结构图

图6 施工进度计划流程

2.5.2 固定资产管理

工程建设竣工后，工程运行维护管理方需要从参建各方接收大量的数据，但目前此项工作依然停留在人工记录、整理模式下。这种模式下参建各方与运行维护管理方对工程的关注点不尽相同，且相互间缺乏沟通，导致工程数据交接后仍需进行大量的筛查，录入工作，数据的真实性、完整性及可用性得不到有效保障，无法达到标注化、流程化的管理要求。为此将三维数字模型与工程数据进行整合，将工程三维信息化。从产权管理、固定资产管理、物资设备管理等多个方面，为运维、管理人员提供可视化、多角度、多层级的信息管理平台。实现信息查询、备件耗材管理、空间测量、统计分析、路径规划、隐蔽部位无损探查等功能，帮助制定更加直观真实、科学合理的运维管理方案。

2.5.3 事故应急响应管理

针对工程运管过程中出现的突发事故，交付平台内置各种原因引起的突发事故，并进行有序分类整理，形成受法律保护的标准化处理流程，同时借助物联网、云计算等先进技术实现与工程相关的各部门之间的协调联动，从而提高应急响应速率，减轻事故造成的损失。事故应急响应管理的总体框架图如图7所示，平台收到事故信息后，能够根据内置的应急响应预案和事故等级划分标准，自动分析事故的影响范围和影响程度，快速判断是否需要启动应急响应程序，并拟定应急响应等级，提交给决策领导，推送与事故相关的重要资料，以利于快速拟定科学合理的处理方案，提升决策效率，降低由于数据获取不完整、不及时导致的决策风险。

2.5.4 设备数据采集分析

实际工程中有工控控制系统、视频监控系统、安全监测系统等，但各系统之间相互独立，往往造成资源的浪费，为此数字化交付平台将各系统整合成设备数据采集分析模块，通过数据接口读取电气设备、安全监测设备、视频监控设备信息，将各设备当前信息集中显示在平台上，从而达到集中控制设备，并分析工程现状，对出现的异常数据进行分析，及时发现工程可能存在的问题，提高工程运管的可靠性、安全性。

3 存在的问题

通过对三维数字化交付平台的研究，攻克了各种技术瓶颈，但其应用发展中依然存在众多问题需要解决。首先是现有平台之间数据共享难度大，存在信息孤岛现象；其次是部门之间存在信息共享障碍，不能实现快速有效传递；再次管理部门提交需求不明确，开发难度大；最后既熟练掌握三维数字化设计与开发，又熟悉水利工程设计与管理的复合型人才匮乏。

4 结语

尽管三维数字化交付平台推广应用存在多种问题，但是通过洺河渡槽工程，证明了三维数字化交付技术在大中型水利工程项目中具备良好的适用性和可行性。以数字化交付技术为依托的无纸化、数字化管理理念，必将在建设工程的决策和实施中得到越来越广泛的应用。为实现建设工程管理智能化、决策科学化、信息网络化、资料电子化提供了坚实基础。

图7 事故应急响应管理总体架构图

［1］孙斌.BIM技术的现状和发展趋势［J］.水利规划与设计，2017（03）：13-14+22+72.

［2］孟力，张宏宇.工程项目全生命周期管理组织模式研究［J］.项目管理技术，2009，7（01）：26-29.

［3］陈绍东，惠兵，潘建武，等.基于Bentley平台的三维协同设计探讨［J］.中州煤炭，2015（05）：104-106+109.

［4］陈沉，张业星，陈健坦，等.基于建筑信息模型的全过程设计和数宁化交付［J］.水利发电，2014，40（08）：42-46+51.

［5］曾旭东，王诗旭.基于规则设定的全方位碰撞检查技术［J］.建筑与文化，2014（08）：124-125.

［6］李云云.浅析 B／S和 C／S体系结构［J］.科学之友，2011（01）：6-7+8.

［7］周阳，佘江峰，唐一鸣.基于WebGL的三维数字水利展示系统研究［J］.测绘与空间地理信息，2014，37（03）：44-48.

［8］王宗海.水利工程施工成本控制与管理［J］.水利技术监督，2015（05）：38+40.