基于BIM的燃气厂站运维风险管理研究

王勇华， 李燕芳， 徐慧莹， 张 康， 常红丽 ， 王有力

(1.唐山学院土木工程学院，河北唐山063000；2.唐山市天然气有限公司，河北唐山063000)

1 概述

燃气厂站是城镇天然气输配管网的枢纽，其安全运行水平影响着城镇天然气输配系统的全过程，一旦出现安全事故，就会造成城镇天然气输配管网局部或全部停运，导致下游居民和工商业用户无法开展正常的生活与生产经营活动，同时还有可能造成严重的人身伤害和财产损失，带来重大的环境污染问题[1]。当前，我国正处于天然气输配管网系统建设的高峰期，尤其是随着国家天然气“十三五”发展规划的提出与实施，我国城镇天然气输配管网的规模在迅速扩大，与之配套的燃气厂站建设数量也在快速增加。以河北省唐山市为例，经过近几年的快速建设，截至2018年底，唐山市已建成各类规格的天然气管道约560 km，天然气输配厂站21座，CNG加气站2座，LNG储备站1座。随着燃气厂站建设数量的增加，影响厂站安全与经济运行的各种风险因素也越来越多，给厂站运维风险管理带来了巨大的挑战。另一方面，随着现代城市的快速发展，原来处于城市边缘的燃气厂站周边新建工程也在不断增加，严重挤压了厂站原有的安全运行空间。加上运营年限的增加，厂站设施设备逐渐老化，使燃气厂站安全运行所面临的压力越来越大，对运维风险管理的要求也越来越高。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术是近几年来在工程领域迅速发展和使用的一种可用于工程设计、建造与管理的信息化技术，其应用贯穿工程项目的决策、设计、施工、运营等全过程[2]。大量研究和工程实践表明，BIM技术在工程运维管理中具有显著优势和应用价值，引入BIM 技术可以有效地改善传统运维过程中风险管理所存在的问题，提升工程的运维风险管理水平和价值[3-6]。本文利用BIM技术在工程运维管理中的应用优势，将BIM技术引入到燃气厂站的运维风险管理中，构建了基于 BIM 的燃气厂站运维风险管理模型，为燃气厂站运维风险管理提供一种新的管理方法。

2 传统燃气厂站运维风险管理存在的问题

燃气厂站运维风险管理是指燃气厂站运维管理人员在厂站运行过程中对威胁厂站安全运行的风险因素进行识别、分析、评估、制定风险应对计划以及进行风险处置的过程，其目的是以最低的成本消耗为厂站运维管理过程提供最大的安全保障。运维风险管理在某种意义上说也是一种对运维信息进行收集、分析、处理和再利用的管理过程，是以各类运维信息为基础开展的风险管理活动。燃气厂站的运维风险管理也不例外，本质上也是对各类影响厂站运维安全的信息进行管理和利用的过程。

在燃气厂站运维风险管理过程中，燃气厂站运维管理所需要的数据信息包括工程规划设计方案、施工图纸、施工过程管理资料、竣工验收资料、物料清单、供货清单、技术规范、使用(维保)手册等各种形式，这些数据信息大多是从设计、咨询、施工、供货等不同的项目参与方继承过来的，在信息的传递过程中很容易出现信息失真、遗漏或丢失的情况。同时，由于燃气厂站运维数据信息在厂站规划、设计、施工和运维的各个阶段都是相对孤立的，形成了一个个的“信息孤岛”，信息之间的协调性和交互性也较差。此外，燃气厂站运维风险管理还存在运维信息分散、二维图形信息抽象难懂、运维过程信息难以保存等问题，这些问题都构成了燃气厂站运维风险事件发生的潜在因素，严重影响了燃气厂站运维风险管理效率，是当前厂站运维风险管理需要迫切解决的问题。

3 BIM在燃气厂站运维风险管理应用优势

近年来，不少学者也在积极开展燃气厂站运维风险管理方面的研究，包括采用定量、半定量的方法进行厂站风险评价与管理研究[7-11]，借助现代信息管理技术如ERP系统以及各类三维建模与图形处理软件平台(如SketchUp、3DMax)和地理信息系统(GIS)等技术手段提升天然气厂站的运维管理效率，降低运维管理风险[12-14]。SketchUp、3DMax都是目前比较优秀的三维设计软件平台，利用这些软件平台能够构建效果比较良好的3D燃气厂站模型，但是这些模型主要以厂站的三维可视化展示为主，模型本身并不能承载和集成厂站运维所需要的各类运维数据信息，支持厂站运维风险管理的能力不足。

如前文所述，BIM技术是近年来在工程建设领域被广泛推广和应用的一种新的工程信息化技术，其应用贯穿工程的全生命周期。通常来说，BIM是由代表工程构件的参数化对象组成，并通过面向对象的一系列软件系统来实现，具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性、参数化、信息完备性等特点[15]。对于BIM在工程运维风险管理中的应用价值，李建成等人[2]指出BIM能将建筑物空间信息、设备信息和其他信息有机地整合起来，结合运营维护管理系统可以充分发挥BIM的空间定位和数据信息记录优势，合理制定运维管理计划，尽可能降低运营过程中可能发生的突发事件。在燃气厂站运维风险管理中引入BIM 技术，能实现设计、施工和运维的信息共享，提高信息传递的准确性和统一性，并为参与厂站运维的各方人员提供一个便捷高效的协同管理平台，有助于提高燃气厂站运维风险管理的效率和水平。

4 基于BIM的燃气厂站运维风险管理模型

4.1 模型构建方法

开展基于BIM 的燃气厂站运维风险管理首先必须构建基于BIM的燃气厂站运维风险管理模型(以下简称BIM运维模型)。对于新建燃气厂站，在理想状态下，BIM模型由设计方开始构建，并将有关的设计属性信息(如构件尺寸、材质、规格、安装位置、性能参数等)添加到模型之中，然后在施工阶段将BIM模型传递给施工单位。施工单位随着施工进展不断细化模型，并同步添加与施工过程有关的属性信息(如设备供应商、安装单位、安装人员、安装时间等)。到竣工验收阶段，施工单位向业主单位提交厂站BIM竣工模型，该BIM竣工模型应当与工程实际完全一致，且包含工程的竣工属性信息(如验收时间、验收人员、使用说明等)。在燃气厂站的运营阶段，运维管理人员就可以根据BIM模型开展运维管理工作，同时还可以不断将运维属性信息(如维修时间、维修单位及人员、保养周期等)添加到BIM运维模型之中。

对于已建成投入运营的燃气厂站，有两种方式可以建立BIM运维模型。第一种方法是采用人工逆向建模的方式，其基本过程就是以燃气厂站工程竣工图纸和其他竣工资料为基础，在充分进行现场复核比对的基础上，通过人工建模的方式建立燃气厂站的BIM模型，在建模过程中将燃气厂站各类设施设备的相关属性信息添加到模型中。这种方法建模效率相对较低，需要较大的人力和时间投入。另外一种方法是利用3D激光扫描技术对燃气厂站相关的设施设备进行扫描，获得相应的3D点云数据，再通过配套专业软件经过处理后生成BIM软件能识别的格式(如rcp、rcs等格式)的BIM初始模型[16-17]，再将燃气厂站各类设施设备的相关属性信息添加到初始模型中，逆向构建BIM运维模型。3D激光扫描技术能提供精确的点云数据模型，保证BIM模型与现场工程实际的一致性，相比人工逆向建模方法，效率也更高，是已建燃气厂站BIM运维模型构建的首选方式。

4.2 模型构建示例

唐山市海港经济开发区高中压调压站BIM运维模型见图1。该模型包含了综合办公楼、辅助用房、调压计量区、放空与排污区、门卫用房、厂区道路、场地(含硬化场地及绿化场地)、围墙、调压计量橇、埋地天然气管道以及配套的阀门、管件等设施设备的BIM运维模型。其中调压计量橇BIM运维模型见图2，高压放散系统BIM运维模型以及阻火器属性信息查询见图3。由图3中可以看出，该运维模型不仅精细展示了高压放散系统中阻火器的外观形状、空间位置，还包含了阻火器相关的材质、规格型号、性能参数、生产厂家、施工单位、安装时间、维保责任人、检修周期等重要的属性信息，实现了构件3D图元与运维属性信息的集成与统一，充分体现了BIM的三维可视化、参数化和信息完备性的特点。

图1 唐山市海港经济开发区高中压调压站BIM运维模型

图2 调压计量橇BIM运维模型

图3 高压放散系统BIM运维模型以及阻火器属性信息查询

5 BIM运维模型总体框架

① 工作流程

基于BIM 的燃气厂站运维风险管理的基本思路是以燃气厂站BIM 运维模型为基础，运维管理人员可以借助BIM运维模型对厂站运维过程进行监控，识别运维过程中可能出现的风险因素并对其进行分析与评估，制定相应的风险应对策略和计划措施。同时，利用BIM具有可模拟性的特点，对风险应对计划措施进行模拟演练，进而优化或调整相应的风险应对策略和计划措施。在此基础上，课题团队构建了基于BIM 的燃气厂站运维风险管理模型，该模型的总体框架见图4。

由图4可以看出，基于BIM运维模型管理过程主要由3个完整的闭环工作流程构成，其基本工作流程如下。

图4 BIM运维模型总体框架

a.燃气厂站运维管理人员可以利用BIM运维模型具有的三维可视化功能和自身承载的运维属性信息对燃气厂站运维过程进行监控，发现和识别影响燃气厂站安全运行的风险因素，并将这些风险因素进行整理，生成燃气厂站运维风险因素数据信息集，再以共享参数的方式添加到BIM运维模型中，为后续运维风险分析与评估提供信息支持。

b.针对已识别的燃气厂站运维风险因素，运维管理人员可以利用风险分析与评估方法[7-11]对燃气厂站运维风险进行分析与评估，确定各类风险因素的风险等级，并将这些数据信息进行整理生成燃气厂站运维风险评价数据信息集，同样也以共享参数的方式添加到BIM运维模型之中，为后续运维风险管控工作提供评价数据信息支持。

c.运维管理人员可以根据已确定的风险因素和风险等级，确定相应的风险应对策略、风险应对计划和措施，再利用BIM具有的可模拟性特征，对已制定的风险应对策略、应对计划措施进行模拟演练，发现不足之处，进而对风险应对策略、计划措施进行优化或调整，提升有效性，降低运维风险管理成本。再通过对风险管理过程的分析整理形成燃气厂站运维风险管理案例集，并将这些案例以共享参数的方式添加到厂站BIM运维模型之中，为厂站后续的运维风险管理工作提供参考案例支持。

② 主要应用点功能分析

a.基于BIM的运维管理过程监控与风险识别

在天然气厂站的运维管理过程中，运维管理人员通过BIM运维模型提供的三维可视化运行场景和集成的数据信息，能够实时把握厂站设施设备的运行状态，能够更加快速准确地识别天然气厂站运维过程中可能出现的风险因素，相比以往基于工程经验和二维施工图纸、竣工验收记录等信息进行风险识别判断的方法，基于BIM的风险识别方法更加直观，效率更高，运维参与各方也更容易达成信息理解的一致性。比如，图5是课题团队建立的唐山市海港经济开发区某高中压调压站的厂区燃气管道及配套设施BIM 运维模型，从图中红圈位置可以很直观地看到此处进出橇体的高压输气管道(绿色管道)、高压放散管道(红色管道)、排污管道(深蓝色管道)汇集，空间位置相互交叉，如果后期有管道发生泄漏或损坏需要维修，探管开挖方案如果安排不当就很容易造成附近管道的二次伤害，导致损失扩大化。

图5 厂区燃气管道及配套设施BIM 运维模型

b.确定风险应对策略和计划措施

在制定天然气厂站相应的风险管理应对策略和计划措施时，利用BIM运维模型查询计划对象的空间位置、材质、规格、安装单位、安装时间、验收记录、维保记录等相关信息，为风险管理应对策略和计划措施制定提供支持，提高应对策略和计划措施制定的科学性和合理性，降低运维风险事件处置的成本。比如在图6中，课题团队利用BIM提供的剖切和量测功能生成的燃气管道纵断面图和埋深查询为地下燃气管道维护和抢修计划的制定提供信息支持。

图6 燃气管道纵断面图和埋深查询

c.基于BIM的风险应对模拟演练

在厂站运维管理人员制定了相应的风险应对策略和计划措施后，可以利用BIM技术的可模拟性的特点，对风险应对计划措施进行预先模拟演练，通过模拟演练发现计划的不足之处，进而对风险应对计划措施进行优化调整，提升风险应对计划措施的有效性。在工作实际中，燃气生产经营企业往往还会根据厂站安全管理需要提前制定各项安全事故应急处置预案，此时也可以利用BIM技术对各项应急预案进行模拟演练，对厂站运维管理人员进行应急预案交底和培训，提高应急预案执行的效率。

d.数据信息、风险管理案例更新或完善

按照运维风险管理的工作流程，在识别影响天然气厂站运维管理相关风险因素后需对风险因素进行风险分析与风险评估，确定风险影响范围及后果。已识别的风险因素数据信息、风险评价数据信息均可以作为运维属性信息添加到天然气厂站的BIM运维模型之中，为后续的运维风险管理工作提供信息参考和决策支持。同时，还可以对天然气厂站运维风险事件进行分析整理，生成厂站运维风险管理案例，将这些案例信息更新添加到BIM运维模型中，对案例风险数据信息进行日常的运行与维护，及时更新项目数据和项目案例信息，在后续的风险管理过程中或者是突发风险事件发生后可以迅速调取类似的案例进行比对，为风险应急处置提供决策参考，提高运维风险事件处置的决策水平和响应速度。

6 结语

在信息技术快速发展的今天，研究如何利用现代信息技术来提升燃气厂站运维风险管理效率和水平具有重要的现实意义和应用价值。基于BIM的燃气厂站运维风险管理方法是将BIM技术与传统的运维风险管理理论相结合，实现燃气厂站运维风险管理数据信息的集中管理与共享，帮助厂站运维管理人员方便快捷地查询运维风险管理所需的数据信息，及时发现运维风险因素，提前制定风险应对计划与措施，为厂站运维风险管理决策提供全面、准确的数据信息支持，进而有效提高燃气厂站的运维风险管理效率与水平，保障燃气厂站安全经济运行。