基于BIM+的智慧建管平台在水闸工程中的应用

谷维超，何旭斌，张由松，施兴建，赵晓霞

（1·宁海县水利局，浙江 宁海 315600；2·浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

1 建设背景

浙江省委于2021年2月召开全省数字化改革大会，发布《浙江省数字化改革总体方案》，标志着浙江数字化改革全面启动。浙江省水利厅结合水利行业的特点制定《浙江省水利数字化改革实施方案》，并于2021年7月发布全省第一批水利数字化改革试点项目，打造“好用、实用”的水利多跨场景，构建水利整体智治综合应用，推动水利高质量发展。

宁海县东部沿海排涝工程项目是浙江省“十四五”重点水利工程，胡陈港副闸作为沿海挡潮排涝闸是其主要建设内容，水闸建筑物级别为2级，规模为3孔×12 m，总净宽36 m，底槛高程-2.00 m，设计挡潮标准50 a一遇，排涝标准20 a一遇，排涝流量445.05 m3/s。本水闸智慧建管平台列入浙江省第一批水利数字化改革试点项目，以提升工程现代化建管水平为目标，通过感知体系建设、建筑信息模型（BIM）和地理信息系统（GIS）技术运用[1]、融入研判分析算法，构建综合性智能建管平台，实现工程质量、进度、安全、投资等关键因素“一屏掌控”，各参建单位协同工作信息“共享畅通”，工程管理实时便捷“可督可促”。

2 传统管理方法存在的问题

近年来，水闸工程建设期的各项管理制度已基本完善，但在建设过程中，传统的管理方法存在以下问题亟需解决：

（1）无法实时掌握工程整体建设情况。沿海挡潮排涝闸往往场地偏远、施工条件恶劣，建设单位、主管部门无法实时了解项目建设情况，而工程例会、资料整编等方式时效性较差。

（2）信息共享不畅，缺乏高效协同的工作机制。遇到上、下游和左、右岸衔接段现场实际与设计不符等问题，需要参建各方一起到场处理；主管部门、监督单位也只能通过现场检查、听取汇报、查阅资料等方式了解工程安全、质量等情况，参建各方协调沟通渠道单一，处理问题效率较低。

（3）缺乏对人员、物料、设备的精细化管理。传统管理方法主要依靠管理人员的经验做决策，管理方式较为粗犷[2]。沿海水闸建设受汛期、台风、潮汐、软弱地质条件影响[3]，而且近年来水泥、钢材等主材的市场价格变动较频繁，需要信息化技术对施工进行精细化管理。

（4）缺乏现代化的数据分析和辅助决策手段。小到基坑观测、闸底板的浇筑情况，大到整个水闸的进度、投资等各项数据均为人工统计，时效滞后且未能发掘各项数据的潜在价值，缺乏对数据的研判，更无辅助决策、提前干预的能力。

3 国内外建设现状

智慧建管通过运用互联网、物联网、人工智能、云计算、大数据等科技手段来提升项目建设管理效率，目前应用广泛。随着水利信息化的快速发展，智慧建管在水利行业的应用逐渐增多，实现部分现场数据的自动采集、统计分析，改变了参建单位传统的工作方式和管理模式。水利工程建设和运维对工程安全的要求相对较高，目前智慧建管在水利工程安全研判方面相对薄弱，与水利工程建设管理要求结合得不够深入。

4 智慧建管平台建设

4.1 构建思路

针对传统管理难点，以BIM+GIS技术建设本平台的三维场景和数据底座，直观展示工程整体面貌。通过构件级设计建模、编排和施工模拟，精准计算工程量，指导施工组织，反映工程进度。通过埋设测压、变形、温度等感知设备，数据挂接BIM，在线监测基坑安全、混凝土浇筑质量，融入变形、应力理论反演算法，研判变形、强度趋势，推送信息提前干预。通过视频人工智能（AI）识别、门禁、地磅、带芯片安全帽等应用，提升人员、物料、设备的管理。开发移动端，注重便捷性，搭建参建各方即时沟通、协同工作的平台。通过PC端和移动端的一体协同、三维直观的表达交互、感知设备的全面监测和具有研判分析能力的“建管大脑”开发，构建智慧建管平台，提升工程建管水平（见图1~2）。

图1 智慧建管平台架构图

图2 智慧建管平台界面图

4.2 主要功能模块

4.2.1 BIM+GIS中枢

本水闸智慧建管平台以BIM+GIS技术为中枢[4]，将水闸主体、施工场地道路、项目部及周边环境整体建模，利用轻量化技术将水、雨、工情等环境状态，视频监控、变形监测等感知数据，以及工程建设质量、进度、巡检存在问题等关键控制因素与模型融合、挂接，直观展示工程建设场景，实时掌控工程建设态势。

4.2.2 智慧建管决策

根据沿海水闸的施工特点，探索开发工程安全、监测预警、质监分析等业务模型，建设“建管大脑”，通过现场数据的采集、关联、统计分析，对风暴潮来临前的汛期安全、施工进度提出建议，对已完成的各单元工程质量、施工组织进行评价，对待建工作、工期和投资提出预测和预案，为工程顺利实施提供辅助决策支持。

4.2.3 协同工作平台

构建数据同步的云端平台和移动端APP，各参建单位在平台内实现即时通信、云端会议、流程管理、资料共享等，方便进行三维交底、变更签证、质量安全整改、信息推送等协同工作，大幅提升建管水平和效率（见图3）。

图3 协同工作平台质量管理图

4.2.4 现场实时管控

采取AI智慧抓拍、人脸识别、智能安全帽、智能语音提醒等多种方式实现现场人员的动态精准管理。施工员、安全员利用移动客户端APP进行现场质量和安全巡检，自动生成施工日志；监理员发现问题拍照上传，同步启动问题闭环处理模块，将信息推送至相关方，责任明确、处理流程清晰，直至处置到位、问题解决。

4.2.5 安全、质量、进度、投资管理

通过构件化分解BIM模型，赋予模型各类属性信息，实现工程各管理因子的可视化联动。对完工、在建和未建设的构件赋予不同的颜色属性，以区分施工进度；对变形、渗压、温控、强度增长等感知数据进行分析和反演，确保基坑、桩基施工、混凝土浇筑安全，监测发现不良趋势时，及时高亮显示相关构件并发布预警信息，提前干预；对已完工构件赋予施工时间、工艺、质量检测等信息，自动汇总统计工作量并分析各构件的施工质量、进度和趋势，便于下阶段有针对性地改进和调整施工。在此基础上，系统实时统计分析项目资金的使用情况，通过BIM模型完成的工作量测算实际费用并与施工预算进行对比，分析投资偏差，精准管控项目投资。

4.2.6 工程安全研判分析

深厚软基条件下建设沿海挡潮闸，围堰和基坑的稳定性、桩基和底板的受力变形特性、差异沉降控制均是影响工程质量的关键因素。传统安全监测通过设置水位、变形、应力等设备监测工程建设期的安全状况，本智慧建管平台将模型理论分析与感知监测数据进一步融合，通过有限元参数率定、反演，研究不同施工阶段、不同工况下感知数据与算法模型的拟合匹配，初步实现安全研判数字孪生，对风暴潮等恶劣工况条件下的施工模拟、安全预警阈值和趋势判别更精准。

4.3 特点和优势

4.3.1 三维场景、仿真模拟

本水闸地形地质条件恶劣，与周边建筑物衔接复杂，采取BIM+GIS构建三维大场景仿真模拟，优化设计、指导施工[5]、协助管理，表达方式直观，功能实用。

4.3.2 横向协同、纵向贯通

作为典型工程数字化建管平台试点项目，本智慧建管平台在框架搭建上不仅充分考虑参建各方协同的工作需求和信息共享，而且按照数据归集入仓、共建共享等要求预设接口，方便与省市县数据仓、建管平台、水管平台衔接。

4.3.3 模块设计、可连易扩

为充分发挥本建管平台功效，避免重复投资，本系统主要业务应用均采用模块化、分系统建设，建设期的管理流程等电子档案、水闸各构件和电气设备等数字资产、部分监测监控等感知设备可便捷地接入运维管理系统，系统也可直接扩展标化运维模块，实现建管与运维无缝连接[6]。

4.4 应用效果

智慧建管平台在水闸工程上的应用提升了工程建设和管理的信息化、智能化水平，将项目进度、投资、安全、质量、环境等数据实时化和可视化，工程参建各方信息传递及时，大幅度提升工程建设和管理效率。

（1）智慧建管平台覆盖工程建设过程中涉及的人、机、料、法、环等要素，实现了管理数据集成、工程建设信息全程记录。

（2）利用移动端实时记录工程建设情况，预警、预报现场存在的问题，参建各方动态管控现场和工程建设内容。

（3）大幅提升参建各方的沟通效率，工程建设实现协同管理。工程的各项流程、问题处理情况和管理数据在系统内留痕、可追溯。

（4）工程安全研判分析做到实时对比设计要求与工程安全实际情况，确保工程建设安全。

5 结 语

当前数字化改革进入新阶段，BIM、物联网、人工智能等新科技应用的深化以及与水利业务的深度融合，使传统水利迸发新活力、新动能，推动水利整体智治、高效协同的高质量发展。本水闸智慧建管平台基于BIM+GIS+IOT技术构建三维数据底板，聚焦工程建设期安全、质量、进度、投资等关键因素，结合信息化建管需求并融合分析研判算法，构建一体化、智能化的建管系统平台，探索水闸建管更安全、更高效、更便捷的新模式，以期为浙江省类似水利工程智能建管提供参考。