BIM技术在智慧水厂工程中的应用研究——以天津某水厂为例

魏园园

中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

BIM是Building Information Modeling的缩写，中文翻译为建筑信息模型，该技术是通过创建并利用三维数字化模型对建设项目的设计、施工、运维管理等过程进行信息管理和优化，是实现智慧化设计、施工和运维的重要技术手段[2]。

2014年，国家发展和改革委员会等8个部委联合发布的《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》中，要求全面提升电力、燃气、交通、水务等公用基础设施的智能化水平。“智慧水厂”的概念应运而生，即以应用新一代信息技术为手段，结合监测和感知设备并采用可视化的方式整合信息，实现生产、运行、维护、调度和服务等全方位、全过程各环节高度信息互通、反应快捷、管理有序的高效节能型水厂[3]。相较于传统水厂，智慧水厂对水厂工程建设期和运维期的信息化和智能化技术应用提出了更高的要求。BIM技术以三维模型为载体，可以在设计、施工和运维管理中集成多维技术和管理信息，结合信息化平台进行开发，实现对数据的三维可视化展示，在智慧水厂的建设过程和运维过程中可以发挥明显的优势。

1 项目概况

案例水厂位于天津市东丽区，总用地面积约为12万平方米，总建筑面积为2万平方米左右，日产水量为25万立方米，是对原一期水厂的扩建工程。水源引栾水和江水，采用预处理、常规处理、深度处理（上向流炭吸附脉冲澄清池、中臭氧生物活性炭滤池、V型砂滤池）、污泥处理等工艺，新建净水系统出水水质满足并优于国家卫生部颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），出厂水浊度≤0.2NTU，年合格率≥95%。是天津市“十一五”发展规划的重点工程，是为天津滨海新区发展和工业战略东移服务的重要基础设施。

2 建设期BIM应用

2.1 BIM项目管理平台

本项目建设规模大，建筑单体多，工艺流程复杂，设备管道系统多、安装难度大，工程分包多，管理协调难度大。为解决以上建设和管理难题，本项目在施工阶段采用BIM技术，并且由施工总承包单位搭建了BIM项目管理平台，基于该平台进行本项目的质量管理、工期管理、安全文明施工管理、数字化竣工交付等工作，保证施工顺利实施。BIM项目管理平台的基础模块如下表1所示：

表1 BIM项目管理平台功能模块

2.2 建立BIM施工图模型

本项目在设计阶段采用传统二维设计方式进行设计出图，各专业图纸虽然经过协调，但依然存在多处图纸问题。并且二维图纸用线条进行设计表达，当空间比较复杂时，就难以表达清楚设计意图，容易造成施工过程中的误差，引起返工。在施工阶段，施工单位按照业主要求，引入BIM技术，按照业主的BIM应用标准要求对设计单位提供的施工图纸进行BIM三维可视化建模，在建模过程中发现和整理图纸问题，利用三维模型在BIM项目管理平台上进行图纸会审，帮助施工人员理解图纸的设计意图，消除因对图纸理解不到位引起的返工。

本项目使用Revit 2020软件，按照建筑单体进行BIM建模，单体建筑内分专业、分系统进行建模，然后按照链接的方式进行模型整合。

基于厂区管道配色方案，创建厂区总图BIM模型，直观展示厂区管道与各个单体出户管道连接关键节点，基于三维场景准确表达 管井、阀门、流量计空间定位，直观展示总图管线布置。

BIM模型有利于实现多专业设计图纸的协同校核，，通过三维剖切也可分层或分功能区域展示工艺流程和设计细节。应用轻量化软件将反应沉淀池、活性炭滤池、泵站等复杂单体BIM模型进行轻量化转换，可方便项目各参建方在BIM项目管理平台上以第一人称视角进行建筑物内部漫游，审核关键位置设计细节及构件参数，复核构筑物及设备管线标高，检查安装净空等。依靠BIM技术三维可视化的优势，业主能够更准确地理解设计意图，提高审查和决策效率。如下图1所示：

图1 建筑内部工艺细节漫游展示

2.3 碰撞检查和管线综合排布

传统二维设计协同采用图纸参考的方式进行图纸间的协同设计，靠设计师的经验进行问题检查和综合管线排布，难免出现错漏碰缺等图纸问题。利用BIM技术则可以将各专业模型整合到一个三维软件平台上，运行自动碰撞检查功能，可以更精准、更快捷地进行专业间碰撞检查和设计纠错工作[4]。构件和构件之间的物理碰撞一般称为“硬碰撞”，利用软件就可以全部检查出来；还有一类碰撞称为“软碰撞”，主要指虽然空间上没有碰撞在一起，但是却违反了设计规范、不利于空间利用，或者设计内容缺失等。

本项目利用Revit软件的碰撞检查命令和Navisworks软件的碰撞检查命令进行模型构件的综合碰撞检查，共检查出碰撞2000多处，经协调解决后的重要问题约40处。重大的图纸问题和专业间碰撞问题整理成碰撞报告，作为设计变更的重要依据。

本项目基于各单体、各专业及厂区总图BIM模型进行机电管道、工艺管道综合排布，在施工之前充分考虑设计规范、施工规范，解决管道之间的碰撞问题。管线排布深化设计完成之后，以三维模型展示、图片展示、导出轴侧图纸等三维可视化的形式向现场一线工作人员进行技术交底，使工作人员能够更加直观、形象地了解施工内容和步骤，避免因对图纸理解失误造成的工程质量问题，减少施工过程中的返工现象，为本工程施工节约工期20天左右。

2.4 工期4D模拟

本项目建筑单体多，施工分包多，在施工过程中各单体施工交叉面多，且室外管线布置比较复杂，工期紧张。本项目基于BIM的项目管理平台的进度管理模块，利用BIM模型，结合工期计划和工序安排，制作出工期4D模拟视频，准确反应各单体、各专业施工计划，为各施工单位安排具体的施工计划提供了重要的参考价值。

2.5 智慧工地管理

为满足施工现场安全文明施工要求，本工程的BIM项目管理平台研发了智慧工地管理功能模块，实现了对现场的人员管理、安全管理、环境管理、视频监控管理等功能，极大地提高了现场管理的工作效率。

2.6 数字化竣工验收

随着工程建设的进展和分部分项工程的验收，在BIM项目管理平台上分阶段录入各分部分项工程的建设信息、设备信息、调试报告等内容，模型和数据、文档可实现双向关联查看，最终形成数字化竣工模型，并基于BIM项目管理平台进行本工程整体数字化移交，为水厂投产运营提供了完备的数字化档案和基础数据保障。

3 运维期BIM应用

本项目一期工程已建成并运行多年，整体水厂基本条件较为良好，其运维管理工作主要存在以下问题：

（1）信息化程度低，系统之间不互通，管理与控制分离；

（2）数据缺乏有效的分析利用，难以为水厂的生产和运营提供更为科学的决策支撑；

（3）设备资产台账式管理，较为依靠人工经验，响应式为主，主动性薄弱。

（4）运维不便捷，值班管理人工为主，运行维护传统纸质方式。

在二期扩建工程的运维期，基于BIM竣工模型，结合运营单位运维管理需求，运用数字孪生理念和技术，构建水厂数据底板，统一汇聚感知、运行数据与BIM模型，进行智慧水厂管理平台定制开发，实现对水厂的三维展示、运行模拟、状态查看、实时管理、危险预警等功能。系统采用模块化微服务架构，提供开放性接口，便于后期拓展。系统以满足水厂业务与生产为建设目标，充分考虑经济适用，集中管理，生产运营，数据互联互通，信息安全，便于维护等需求，采用统一开发部署，分级分权限使用的方式，利用AI技术赋能水厂管理运营。技术架构如下图2所示：

图2 数字孪生水厂系统架构

在智慧水厂运维管理平台中，BIM模型体现的作用和价值主要有以下几方面：

（1）三维可视化。基于BIM引擎研发的智慧水厂运维管理平台，以三维可视化的方式展示水厂范围内所有单体建筑、设备、阀门仪表、工艺管道连接状态等，相较于传统管理平台，更加形象、直观地展示水厂的细节和工艺流程，便于工作人员理解和作为技术培训的有力手段。

（2）数据流无损传递。建设期竣工交付的数字化水厂模型，承载了水厂设计参数、建设安装信息、设备铭牌信息、工艺设备管道信息等丰富的内容。这些信息以模型为载体，通过构件编码和模型构件轻量化处理，可以无损传递到智慧水厂运维管理平台上，保证了水厂数据的真实性、完整性、及时性。

（3）数据采集和分析的载体。BIM模型构件是富含建设信息、运维信息的，在智慧水厂运维管理平台上每一个BIM构件都对应真实水厂中的一个物理实体[5]。设备和阀门仪表在日常运行过程中所产生的业务数据，通过物联网与智慧水厂平台上的BIM构件关联，在BIM构件属性中可实时查看该设备采集的运行数据。这些数据通过水厂智能分析模型处理后，将结果反馈到BIM构件中，再反作用到物理水厂的设备和阀门仪表上，实现远程自控，提高运维管理的自动化程度和工作效率。

4 总结

水厂类工程单体多、管道交叉复杂、施工协调管理难度大，对于工程数字化、信息化程度要求高。本论文将BIM技术和BIM项目管理平台应用于项目建设期全过程，以BIM模型作为智能化深化设计手段并开展BIM技术应用，优化设计图纸质量；并且基于BIM深化设计成果，结合BIM项目管理平台实现智慧建造和管理。设计、施工阶段所有的数据、信息均高度标准化和集成在数字化竣工模型中，为后期的智能化运行、智慧化管理打下了坚实基础。本工程运维期基于BIM模型和数字孪生技术研发了智慧水厂运维管理平台，运用该平台实现了BIM模型在运维管理阶段更大的应用价值。

BIM技术的应用，打破了传统水厂建设各个阶段相对孤立信息传递模式，实现了以参数化的BIM模型，推动智能化的施工建造，并助力于后期的智慧化运维管理。随着该智慧水厂建设步伐的加快，BIM技术也将会有更广阔的应用前景。