BIM在水厂建设中的应用

孙慧乐， 王 鹏， 李金太， 李 辰， 孙云凯

(1.天津水务集团滨海水务有限公司，天津300451；2.天津尚源智慧科技有限公司，天津300381；3.天津水务集团滨海水务有限公司 大港油田水务分公司，天津300280)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是在计算机辅助设计(CAD)等技术基础上发展而来的多维建筑模型信息集成管理技术，通过创建并利用数字智能化模型对建设项目的设计、建造等过程进行管理和优化，是实现智慧化设计、建造和运维的重要技术手段[1]。

BIM技术在国内起步相对较晚，但随着建筑业可持续发展理念的提出和国家近年来的大力推广，已慢慢掀起建筑业“二次革命”的浪潮。

近年来，随着用水需求量的不断上升和水质标准的日益提高，水厂体量与工艺复杂程度也逐渐增加，传统的以平、立、剖等二维平面图为核心的设计、施工、管理模式已无法满足逐渐高度复杂化的工程[2]。而BIM技术在水厂建设中全生命周期的应用，可以很好地解决这个问题，见图1。

图1 BIM在建筑工程各阶段的应用Fig.1 Application of BIM in various stages of construction engineering

1 方案与设计阶段

目前，随着水厂建设项目的规模、形态和工艺日趋复杂，传统的设计模式已经不能满足要求。各个专业的设计在信息传递过程会存在一定的滞后与误差，导致设计结果在后期实施中产生问题，影响设计成果的最终实现。

方案与设计阶段是BIM应用的开始，最直观的优点是设计可视化与协同设计。通过各个设计阶段、不同专业的模型整合，可以完成场地规划(图2)、三维建模(图3)、设计优化、二维施工图的生成、材料统计(图4)、设计信息的录入、设备信息的记录(图5)等。

图2 某水厂三维场地规划Fig.2 Three-dimensional site planning of a waterworks

图3 某水厂三维建模Fig.3 Three-dimensional modeling of a water plant

设计优化即通过模型检查各专业之间的碰撞冲突(图6)，通过BIM的三维特性和可视化特性，可以快速检测并出具详细报告，如机电管道碰撞、建筑结构和机电管道设备的冲突碰撞等；协同设计(图7)是BIM在设计阶段的另一项优点，可以使不同专业甚至不同地域的设计人员通过网络在同一个BIM模型上展开协同设计，提高了设计效率和协调性。

图4 明细表统计Fig.4 Statistics of detail list

图5 设备信息记录Fig.5 Record of equipment information

图6 碰撞检查Fig.6 Collision check

图7 协同设计Fig.7 Collaborative design

BIM模型包含各个构件的详细参数信息，因此也可以为性能分析，如日照分析、风场分析、噪声分析(图8)等提供条件。

图8 节能分析Fig.8 Analysis of energy saving

2 施工阶段

施工阶段对工程质量的影响最为直接，目前普遍存在管理理念不完善、返工现象频繁、资源浪费严重、施工信息表达传递不及时不明确、施工变更数量、各专业交叉作业存在矛盾等较多问题[3]。

BIM在施工阶段的应用较其他阶段相对成熟。施工策划将对整个工程阶段产生影响，将BIM应用于项目前期，可以使所有参与者一起参与项目的前期策划，以便各方及早发现问题并做好协调。

BIM在项目前期的应用包括：施工场地规划(图9)、土石方平衡计算、土方开挖模拟(图9)等；施工阶段，BIM可以进行三维协调、管线综合优化(图10)、二次深化设计、一二次结构预留洞(图11)、施工组织模拟、物料跟踪、工艺模拟、竣工图输出、施工质量与进度监控(BIM-4D)(图12)、成本管控(BIM-5D)(图13)等。BIM的协同性也体现在施工阶段，通过构建协同平台，可以让业主、设计、施工在各自的权限内对项目进行综合管理、监控，并且可以将项目建设过程中的各种过程文件数字化并整理保存。

图9 某工程场地布置与土方开挖模拟Fig.9 Site layout and earthwork excavation simulation of a project

图10 管线综合优化Fig.10 Comprehensive optimization of pipeline

图11 建筑结构预留洞Fig.11 Reserved holes in building structure

图12 施工进度模拟Fig.12 Simulation of construction schedule

图13 成本管理Fig.13 Cost management

3 运维阶段

随着水厂处理工艺逐渐复杂化，水厂的设备数量逐渐增多，设备系统的结构也更加复杂，传统的主要依靠电子表格和纸质资料辅助人员经验进行决策管理的运维方式，已经无法满足当下智慧化管理的要求[4]。集成BIM、人工智能和大数据为一体的智慧化管理平台的兴起，为水厂智慧化运维的发展带来了新的契机。

运维阶段(图14)是工程实体在全生命周期中最长的阶段。BIM服务于运维，通过竣工模型反映的工程实体的最终形态，以及包含全过程的信息记录，结合BIM的特性，有助于开发出服务于各种目标的管理平台。

图14 BIM在运维阶段的应用Fig.14 Application of BIM in operation and maintenance stage

基于模型开发的最直接应用，就是利用BIM的三维特性在管理平台中加入三维交互的漫游体验，在计算机中展现工程最终实体，实现任意漫游和预设路线漫游等；通过BIM模型中完整的设计、建造和运营信息，可以按照需要查询设备、管道等的资料，并且支持对信息进行维护和更新(图15)，例如在模型中选中某个阀门，会自动显示其生产厂家、安装时间、维修保养情况等。同时，支持反向定位三维模型，即通过设备参数、型号等信息完成对设备的三维定位。

图15 设备信息维护Fig.15 Maintenance of equipment information

3S技术是数字城市的技术基础之一，其中GIS技术更是根本。BIM可以与GIS结合，在智慧水务的建设中发挥信息互补的作用：GIS为BIM提供设计需要的气象、地质等信息；BIM给GIS带来建设中建筑本身的资料。两者的结合创建了一个包含大量信息的虚拟城市，这正是智慧水务和智慧城市的基础。

4 结语

将BIM技术应用于水厂的全生命周期管理中，能够为项目科学合理的规划、设计、施工和运营管理发挥重要功能，同时也为智慧水务、智慧水厂的应用与发展起到基础保障和重要推进作用。目前，BIM技术在智慧水厂的应用仍处于探索阶段，在短时间实现水厂建设全生命周期、全专业应用BIM技术暂不现实，但积极地探索和挖掘其在水务行业和智慧水务建设的价值和应用，具有一定的迫切性和必要性。