“BIM+”技术在水利工程运营阶段分析与应用

王 羡,王荣幸，陶 婷

(1.江苏熙利建设有限公司，南京 211100；2.南京明瑞建设集团有限公司，南京 211100；3.南京腾昇市政工程有限公司，南京 211100)

0 引 言

水利工程运营涉及区域大，线路及周边环境复杂，每个区域都有各自的管辖范围，涉及不同内容管辖单位又各不相同，各单位间与各区域间均没有较为完善的协同管理工作模式，使得工程运营管理情况存在较大差异，质量参差不齐，效率不高。工程在运营过程中可因自然或人为因素造成功能障碍，如果没有实时监测维护和预警机制，运维管理人员不能及时识别、准确定位功能障碍部位，并进行维修维护，可能会导致安全事故的发生，对人民群众的生产生活和周边的环境产生不良影响。同时在运营管理中缺乏相关系统收集运维数据，管理者不能够及时掌握运维阶段的相关信息而做出快速的判断和处理方案。因此，水利工程后期运营管理至关重要。探索将BIM技术应用到水利运营阶段的管理，提高管理的效率，降低安全风险。BIM(Building Information Modeling)技术在2002年由Autodesk公司提出，主要应用于建筑行业，从建设项目的设计开始，到项目施工运行，最后到建筑全寿命周期的终结，在这整个的过程中，将各种信息集成在一个三维的模型信息数据库中，在这个建筑信息集成的过程中，设计、施工、运营和业主等多方人员可基于BIM三维模型数据库进行协同工作。BIM的核心是利用数字化的技术，建立一个可视化的与现实情况一致的三维数据模型，提高建筑工程信息集成程度，提供信息交换及共享平台。目前，该技术主要应用于工程初期设计阶段，刘智敏、王英等在桥梁的设计阶段，可视化的展示了项目的建模、工程量的清算、检查设计等内容，显著提高了设计效率[1]。冀程在城市轨道交通规划中，将BIM技术成功应用到地铁站内管线碰撞检查为轨道交通的发展提供了技术支持[2]。郭红领等基于BIM技术可模拟化和调节性特点将其应用于施工管理，模拟现场施工过程，为施工阶段的协同管理提供参考[3]。王廷魁等为解决施工场所安全因素动态变化，采用BIM技术构建施工场地动态变化模型，为施工安全提供保障。宋雅璇等将BIM技术应用于综合管廊运维管理阶段，有效的解决了运维管理阶段效率低、协调困难等问题，为后期运维管理提供技术支持。但对于水利工程运营阶段的BIM技术综合管理还处于探索时期，可借鉴的研究成果不多，目前还没有形成完整的后期运营管理体系。文章基于BIM技术的可视化、可模拟现实状况、信息交换及共享等特点在综合管理中的优势，基于水利工程运营阶段问题分析结果，将BIM技术与云数据库、GIS、物联网等相互结合，提出并构建“BIM+”水利运维模型，并应用于河道及水闸工程管理中，为水利工程运营管理提供一种新思路、新方法。

1 水利工程运营阶段存在问题

1.1 管理法律体系不健全

现阶段的水利工程的法律法规着重于前期建设项目规划、实施、验收和相应的技术规范，对于建设项目建成后期的运营管理缺乏健全的管理性的相关法律法规，针对后期水利工程如何进行有效管理，管理费用的分摊问题，涉及各个条线管理的协调性问题等都需要明确的法律法规来制约和责任划分。

1.2 应急事件指挥智能分析不完善

水利工程往往涉及范围广、区域大，区域管护能力和管护资金差异大，导致水利工程不能进行统一的、标准化的管理。一些乡镇地区由于经济水平发展的限制，政府部门的资金匮乏，管护阶段常常因为资金问题不能及时修复，像乱扒沟渠、耕种河堤等破坏水利工程的完整性，导致一些地区突发事件的发生。由于各地区信息化管理差距大，管理人员自身等问题，不能精确掌握水利工程运营的相关情况，给后期的运营管理带来很大的困难，如果能够对水利工程进行及时的维护和数据的更新，使水利工程的状况能够及时被掌握，就可以有效的降低突发事件的发生，BIM+GIS、BIM+物联网等技术可构建一个可视化的信息平台，实时监测水利工程各段的运维情况。

1.3 管理效率低、信息滞后

水利工程运营过程中涉及的部门较多，各环节的管理部门又各不相同，在运营管理过程中不可避免的会出现不同程度的交叉和管理空白，当各主体面对利益时，矛盾必然会产生，比如，各主体不愿意去承担后期的管理和修复费用、产生问题时相互推卸责任，降低了统一化、集约化的管理，阻碍水利工程的发展。如何去协调好各地区、各单位之间的关系，是应用“BIM+”技术的前提和基础条件。信息化工作是适应当前社会的一种工作形式，水利工程运营涉及数据多而杂，在项目要求高、影响大的工程中，通过信息化能够更加有效的提高管理的效率和管理的科学性。但是受到水利工程运营自身的特点，在水利工程运营信息化管理的过程中需要协调多种问题，协调多个信息管理系统，由于管理系统不统一、不健全，造成水利工程运营信息化、集约化管理效率低。在当前的信息化管理工作中信息资源的开发和利用没有得到足够的重视，数据资源没有实现共享，难以促进信息化管理模式的发展。建立基于“BIM+”技术的水利工程运维模型，通过信息集成、管理，实现信息共享、交换，提高管理效率。

2 “BIM+”水利运维模型

2.1 模型构建思路

水利工程运营阶段，主要是日常的维护修复等相关的问题，运用“BIM+”技术解决问题首先要先组建一支“BIM+”技术团队，选拔一些专业技术人员组成技术团队，构建一个水利工程运维模型，模拟水利工程实际运行的一个过程，与实际运营过程进行调整校准，收集水利工程运营过程的相关数据，对数据进行中间过程处理，最后转化为实际应用，可有效的对运营过程中的成本、管理、进度等进行合理的划分和控制。“BIM+”模型包含了云数据库、“BIM+”集成平台建立、利用控制平台、显示平台等，涵盖了运营过程中各个维度、各个方面的信息，这些信息不仅对工程的运营和维护等有重要意义，对于监理方、执法人员等也有很大的参考价值。

2.1.1 BIM+云数据库

云数据库是虚拟计算机环境中的数据库，可配置操作数据库实例，可备份和恢复数据，对数据进行管理，实时监控等。将BIM技术与云数据库技术结合应用到水利工程运营阶段管理可为法律法规体系不健全问题的解决提供参考依据。通过将现有的关于水利工程运营阶段相关的法律法规、标准规范等，共享存储于云数据库中，采用BIM技术对现有的储存数据进行分析，查看在运营阶段哪些方面存在欠缺和漏洞，为完善后续的管理和监督提供参考依据。

2.1.2 BIM+协同系统

协同系统包含物联网、GIS技术等多个技术，GIS地理信息系统是能够对地理信息的空间位置数据进行收集、存储、显示、综合分析计算等的信息技术系统。物联网技术是通过各种红外、气体传感器以及其他的射频识别等设备连接到互联网当中，创建一个大的相互连接的网络，为实时监控、数据共享和数据交换提供信息。BIM技术与GIS、物联网等技术结合应用到水利工程运营阶段管理可以有效的解决突发应急事件指挥智能分析不完善、缺乏统一管理问题提供方法。“BIM+”协同系统可设置数据限值，对洪涝灾害、水环境污染、堤防滑坡等突发事件进行预警，快速识别信息突变、精准定位，对突发事件进行快速处理，并对突发事件处理后的情况进行跟踪监测，将数据信息和现实的水利工程运营现实状况进行融合。“BIM+”协同系统在水利运营阶段具有重要意义。

2.1.3 BIM+物联网

BIM+物联网可以收集各方面的实时信息数据，可以实时提供运营各阶段各线路信息，让管理者能够全面准确掌握信息，有效的解决了信息化管理工作滞后的问题。提升了管理效率。“BIM+”水利运维模型构建和功能详见图1。

图1 “BIM+”水利运维模型构建和功能图

2.2 模型构建流程

数据库录入，建立云存储数据库，收集水利工程运营的地形数据，管线道路数据；建立BIM三维模型数据库，导入水利工程模型，水利管线模型，编辑模型的属性标签，查询功能；建立巡检维修数据库，收集录入管线维修维护数据，日常巡检数据，故障上报维修记录数据；建立运维数据库，收集录入设备参数数据及运维情况，管线能耗实时监测情况，管理单位和管理人员信息情况。建立“BIM+”集成平台，接入平台，在应用平台利用可视化管理，工程师不仅能够直观的看到管线及周围的实际情况，还可以根据实际情况制定日常的巡检计划，按照计划巡检结束后将相关的数据反馈到系统中，更新“BIM+”水利运维模型，为后续的运维和检修提供实时的数据。进行预警监测，利用物联网技术将传感器安装于管线内生成实时的动态监测数据，实时监测管线运营的安全性，当发现异常时通过系统自动进行预警，并进行精确定位。利用“BIM+”协同系统将系统端和业务端与云端连接，并与相关责任人的手机进行绑定，当管线发生异常时，通过手机将异常第一时间通知到具体责任人，通过“BIM+”查看异常情况及周围的相关信息，及时采取处理措施，制定维修、维护方案，降低了贸然进行维修、维护带来的风险，也避免了因处理不及时引发的更大安全事故的发生。在具体项目过程中“BIM+”水利运维模型需要根据实际的工程运营不断更新，项目管理参与人员要及时对模型根据实时数据进行更新，对维护计划做出对策和调整，最终生成实时的“BIM+”水利运维模型，通过实时的“BIM+”水利运维模型可直观的查看项目的运行情况，辅助控制成本，合理划分成本和责任并对未来的成本进行预测。“BIM+”水利运维模型预警管理工作流程详见图2。

图2 “BIM+”水利运维模型预警管理工作流程图

2.3 “BIM+”技术应用分析

1)河道工程应用：

河道工程长度大，河道流域周围环境复杂，工程投入使用后，运维管理工作更为复杂。在该类工程中可选择多个地区建立监控中心，接入环境监控系统、管线道路监测系统、安全防范系统、通信系统、预警监测系统，收集地形、水位(包括河道水位和地下水位)、水质和流速、水环境、河段治理发展史、提防渗漏及稳定、坡角冲刷，降雨、护气质量、白蚁灾害等相关数据储存于地理信息库中；收集日常巡查、管线维护、故障报修等记录数据储存于维修库中；收集设备参数、管线损耗、运维管理人员信息等数据储存于运维库中，将以各数据库的信息导入“BIM+”水利运维模型数据库，对属性和功能进行编辑，利用模型形成“BIM+”集成平台，把监控系统、排水系统、环境监控系统、定位系统和报警系统接入其中，建立可视化的智能管理平台。利用BIM技术对河道工程的主体及运营进行仿真模拟，从三维的角度查看每段河道的运营、维护情况，将巡检、维修的具体点在GIS地图上精准标注，对周围环境变化规律利用数据分析进行预测和判断。对于设备系统，通过网络数据传输，利用温度、湿度、气体传感器等采集实时监测数据，掌握设备的运维情况。对于预警系统，实时监测数据超过设定的阈值时，自动触发报警系统，报警系统通过通信系统传递到具体的负责人所绑定的手机上，负责人可第一时间掌握故障的精准位置，并做出及时的处理措施。事后将该次预警处理涉及数据和维修的情况反馈到系统中，更新BIM运维数据库。河道工程“BIM+”技术应用了云数据库、GIS、物联网等多种信息技术，将运维的具体画面展现给运维管理人员，仿真模拟了工程的运营情况，模拟事故发生时的应急处理措施，这种综合性的模拟体验提高了管理的效率和管理人员的安全意识。基于“BIM+”技术综合管理河道工程应用详见图3。

图3 基于“BIM+”技术综合管理河道工程应用流程图

2)水闸工程：

水闸工程常在复杂的自然条件下运行，受各种因素影响，水闸的材料、结构和运营随着工程的运营其危险度也不断增加，确保工程安全和高质量运行，要对水闸进行精心管理，加强检查和维修。在该工程中应用“BIM+”水利运维模型，主要是对水闸的日常管理和检查维护。建立水闸监控点，接入环境监控系统、安全防范系统、通信系统、预警监测系统，收集水闸调度运行、日常监护、河段管理、水位、流速、降雨、日常巡检、故障报修、设备、管理人员等信息存储于各数据库中，编辑水闸管理的属性和功能，结合BIM+GIS精准化定位技术、智能巡检技术、VR三维仿真系统，建立智能化的管理平台。利用BIM技术对水闸主体及运营进行仿真模拟，从三维的角度查看水闸运营、维护情况。同时，在地图上标注水闸检修的出入口位置，实现智能管控，通过无线网络传输数据，通过温度传感器、压力传感器等采集水闸运行实时数据，通过对数据进行换算处理，输出相应信息在“BIM+”水利运维模型展示出来，通过接入的控制系统可自动控制闸门的开关。当实时监测数据超过设定的阈值时，自动触发报警系统，报警系统通过通信系统传递到具体的负责人所绑定的手机上，负责人可第一时间掌握故障的精准位置，并做出及时的处理措施。事后将该次预警处理涉及数据和维修的情况反馈到系统中，更新BIM运维数据库。提高管理效率、降低安全风险。基于“BIM+”技术综合管理水闸工程应用详见图4。

图4 基于“BIM+”技术综合管理水闸工程应用流程图

3 结 语

文章系统分析水利工程运营阶段存在问题，提出BIM与云数据库、GIS、物联网等互联网新技术相结合的“BIM+”水利运维模型，实现了水利运营阶段的协同管理。在河道工程应用中，实现了全管线统一化、集成化的各协同管理和维护。在水闸工程应用中，实现了水闸精准管理和实时监测。“BIM+”水利运维模型可显著提高管理效率、安全性、实时性、共享性、精确性等，有效降低运营维护的风险。目前该技术尚处于理论研究阶段，相信随着BIM技术和互联网新技术的发展，“BIM+”技术将为水利工程运营的管理提供技术支持。