王如華 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 副總工程師

對于水務工作而言，智慧化的著力點應落實于水務工作的各個環(huán)節(jié)，在底層數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)分析智能化的基礎上，貫通數(shù)據(jù)傳輸，全面實現(xiàn)業(yè)務環(huán)節(jié)、服務環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)、決策環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理和決策，以及水務建設全生命周期——規(guī)劃、設計、施工、運維的數(shù)字化管理。BIM技術在市政行業(yè)的應用起步得相對較晚。雖然目前標準匱乏、軟件壁壘在一定程度上阻礙了BIM技術的發(fā)展，但經(jīng)過近年來的實踐和研究，對BIM的內(nèi)涵、價值一般都有統(tǒng)一的認知。通俗而言，BIM就是輔助工程管理的工具和過程。它依靠一系列的軟件采用協(xié)作的方式打造數(shù)字模型和歸集工程信息，對BIM的最有效使用落實在對信息的使用上，如何在工程各階段有效收集、錄入、分析、提取、修改、傳遞信息才是最重要的。而三維形體本身是次要的，形體只是信息的載體。報告中，上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司王如華副總工程師按照工程建設階段簡述了BIM在智慧水廠中的應用。

水務管理是城市管理的重要組成部分，智慧水務是智慧城市建設的必然延伸。當前，以物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術為代表的新一代信息技術正在帶來第三次信息技術革命，信息技術正在與城市基礎設施相融合、與城市的管理運行系統(tǒng)相融合、與市民的生活和企業(yè)的運行相融合，創(chuàng)造出原來難以想象的城市和生活新形態(tài)。

對于水務工作而言，智慧化的著力點應落實于水務工作的各個環(huán)節(jié)，在底層數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)分析智能化的基礎上，貫通數(shù)據(jù)傳輸，全面實現(xiàn)業(yè)務環(huán)節(jié)、服務環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)、決策環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理和決策，以及水務建設全生命周期——規(guī)劃、設計、施工、運維的數(shù)字化管理。

簡而言之，智慧水務系統(tǒng)總體框架的底層是數(shù)據(jù)感知層，包括傳統(tǒng)的計量設備、監(jiān)測設備、傳感器等各種監(jiān)測體系，以及基于傳感器技術、RFID無線射頻技術、智能識別技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等構建而成的強大的數(shù)據(jù)獲取體系；頂層是我們的用戶層，主要是在豐富的數(shù)據(jù)支撐體系下，基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術，面向用戶的各種智能應用；中間層是基于數(shù)據(jù)傳輸、集成、分析、存儲技術構建而成面向業(yè)務的自動控制體系和智能應用體系。

從孤立的各個層次來講，傳統(tǒng)上我們行業(yè)也有不少這些方面的應用，有大量的軟件企業(yè)為行業(yè)開發(fā)了許多應用軟件，但是在行業(yè)的應用平臺整合方面，由于缺乏統(tǒng)一的架構，導致我們的應用大多屬于“孤島應用”。我們面臨的任務就是要將這些孤島打通、連接、整合，使水務行業(yè)的信息化變得更智慧。

BIM技術在市政行業(yè)的應用起步得相對較晚。雖然目前標準匱乏、軟件壁壘在一定程度上阻礙了BIM技術的發(fā)展，但經(jīng)過近年來的實踐和研究，對BIM的內(nèi)涵、價值一般都有統(tǒng)一的認知。

美國國家BIM標準對BIM進行了四個層次的闡述，數(shù)字表達指的是形體層次，共享資源指的是信息層次，而決策過程和協(xié)同作業(yè)指的是工程管理的過程。國內(nèi)學者也有類似的表述，將BIM分解為產(chǎn)品模型、過程模型和決策模型。

通俗而言，BIM就是輔助工程管理的工具和過程。它依靠一系列的軟件采用協(xié)作的方式打造數(shù)字模型和歸集工程信息，對BIM的最有效使用落實在對信息的使用上，如何在工程各階段有效收集、錄入、分析、提取、修改、傳遞信息才是最重要的。而三維形體本身是次要的，形體只是信息的載體。

這幅圖是國際BIM發(fā)展聯(lián)盟（building Smart）在其《BIM實施指南》中總結的25種BIM應用。它按照建設工程的不同階段，分別對每種應用點進行了描述，并介紹了其潛在價值、資源需求、實施團隊技能需求、實施流程等。我們國家在BIM的應用過程中，還發(fā)展了一些其他應用，比如施工進度控制、設備與材料管理等，也就是現(xiàn)在常說的4D-BIM、5D-BIM。從這幅圖里也可以看到，BIM在規(guī)劃、設計階段的應用比較成熟和明確，在運維階段的價值還有待不斷探索和挖掘。

前面提到，對于智慧水務來說，是要消除“孤島應用”。BIM的最大價值也在于通過信息技術，把業(yè)主、設計、施工、監(jiān)理、分包商等整合到一個協(xié)同平臺上來，降低信息不暢帶來的額外支出和成本，減少信息孤島。

對于設計階段來講，應用BIM的直接好處就是設計可視化，以及由此帶來溝通便捷、高效。施工階段如果很好的利用和深化BIM模型，能夠事先在計算機里模擬建造過程，提前發(fā)現(xiàn)各種沖突和錯誤，這也是當前施工單位應用BIM技術的最大動力。最終我們把設計階段、施工階段的所有信息整合在一起的模型，就為我們運營維護帶來了各種可能性，這其實就是將工程建設全生命周期的資料統(tǒng)一化、數(shù)字化。

項目前期策劃階段對整個建筑工程項目的影響是很大的。前期策劃做得好，隨后進行的設計、施工就會進展順利；而前期策劃做得不好，將會對后續(xù)各個工程階段造成不良的影響。項目的前期應用BIM，使項目所有利益相關者能夠早一點在一起參與項目的前期策劃，讓每個參與方都可以及早發(fā)現(xiàn)各種問題并做好協(xié)調(diào)。BIM在項目前期可以進行的工作有很多，包括：現(xiàn)狀建模與模型維護、場地分析、土石方平衡計算、布置方案必選等，甚至于如右邊這張圖所示的，對于廠區(qū)現(xiàn)狀拆遷、施工平整、建成后的各個階段都可以整合在一個模型里，模型沿時間跨度上進行了整合。

BIM最早的應用就是在設計階段，然后再擴展到工程建設的其他階段。對于水廠來說，各個設計階段、各個不同專業(yè)的模型都可以進行整合，需要詳細表達的節(jié)點可以進行更為精細的建模。在構筑物模型、廠區(qū)模型完備的基礎上，可以完成設備材料的自動統(tǒng)計、二維圖紙的剖切生成、管道系統(tǒng)的區(qū)分、設計信息的記錄。模型的精細度國際上一般分為五級，對于設計而言，第三級模型細致度即滿足施工圖的設計要求。

BIM在設計階段的另一項好處就是為協(xié)同設計開辟了廣闊的前景，使不同專業(yè)的、甚至是身處異地的設計人員都能夠通過網(wǎng)絡在同一個BIM模型上展開協(xié)同設計，使設計能夠協(xié)調(diào)地進行。

最基本的設計優(yōu)化就是對各專業(yè)的模型進行協(xié)調(diào)整合、檢查沖突。以往應用二維繪圖軟件進行設計，平、立、剖各種視圖之間不協(xié)調(diào)、各專業(yè)設計圖紙之間不協(xié)調(diào)的事情時有發(fā)生。由于BIM的三維特性和可視化特性，可以很方便的進行各專業(yè)間的設計協(xié)調(diào)。比如建筑結構和工藝管道設備間的沖突檢查，都可以出具詳細的報告。

除了做好設計協(xié)調(diào)之外，由于BIM模型中包含的各種構件詳細信息，也可以為性能分析提供條件，比如CFD分析、結構有限元分析、風場分析、噪聲場分析、日照分析等，而且這些分析都是可視化的。通常各種BIM軟件都提供了良好的交換數(shù)據(jù)功能，只要將模型中的數(shù)據(jù)通過一定格式輸入到相關的分析軟件中，能夠很快地得到分析結果。

在工程項目建設中，尤其是大型項目，不確定因素很多，施工的工序搭接、進度安排，資源調(diào)度安排等等往往存在著眾多矛盾，施工單位通過BIM模型可在項目施工之前預先模擬項目施工過程，提前將可能出現(xiàn)的問題找出并加以解決，保證項目的順利進行，保證工期的同時也節(jié)約了返工等帶來的不必要成本。因此施工企業(yè)對于應用新技術、新方法來減少錯誤、浪費，消除返工、延誤，從而提高勞動生產(chǎn)率，帶動利潤的上升的積極性是很高的。

BIM在施工階段可以有如下多個方面的應用：三維協(xié)調(diào)/管線綜合、深化設計、場地使用規(guī)劃、施工系統(tǒng)設計、施工進度模擬、施工組織模擬、數(shù)字化建造、施工質(zhì)量與進度監(jiān)控、物料跟蹤等。

前面提到，BIM真正的價值在于消除信息孤島，消除工程參與方的信息傳遞障礙。設計的協(xié)同建模還只是在設計院內(nèi)部的協(xié)同，基于BIM工作應用流程，構建協(xié)同平臺，有助于業(yè)主、設計、施工真正的在一個平臺上工作，在各自的權限內(nèi)對項目進度進行管理，對項目狀態(tài)進行監(jiān)控，對人員權限進行控制，以及對項目建設過程中的各種流程進行數(shù)字化管理。當前，基于BIM的協(xié)同管理平臺很多單位都有嘗試，要真正地發(fā)揮效用，需要業(yè)主單位在BIM實踐中發(fā)揮主導作用。

運營階段則是工程實體發(fā)揮功能和全生命周期中最長的階段，這個階段的管理工作同樣非常重要。BIM服務于運維，已經(jīng)發(fā)展成為一個相對獨立的研究方向，BIM和設施管理相結合的研究越來越受到關注，這也正是智慧水務建設的一個重要方面，即對供水設施的運營進行科學化的管理。

BIM竣工模型能夠?qū)嶋H反映工程實體的最終狀態(tài)，以及包含全過程的信息記錄，結合BIM的天然特性，發(fā)揮其三維體驗、視覺化管理、信息集成交互三方面的優(yōu)勢，能夠幫助我們開發(fā)出服務于各種目標的管理平臺。這六個應用點是我院結合BIM技術開發(fā)的信息管理平臺雛形，更多的應用價值有待進一步研究挖掘。

基于BIM模型開發(fā)的最直接應用就是利用其可視化特性，在管理平臺中加入三維交互式的漫游體驗，將工程實體場景在計算機中呈現(xiàn)，漫游線路也可以分為預設模式和人機交互模式。由于是基于網(wǎng)頁和數(shù)據(jù)庫，這種應用為工程實體展示、上崗培訓、以及后續(xù)的各種應用提供了技術基礎。

既然BIM模型包含了完整的設計、建造和運營信息，那么我們就可以按需對設備、管道等的基礎資料進行查詢，比如選中三維視圖中的某個閥門，平臺自動檢索出該閥門的生產(chǎn)廠家、安裝時間、備品備件等信息；同時我們可以對設備的信息進行更改和更新，比如增加一條檢修記錄，數(shù)據(jù)庫會自動同步，保證平臺信息的即時性和有效性。

除了基本的設備信息之外，還可以將設計、施工、安裝過程中相關技術文檔與工程實體關聯(lián)，讓相關的信息和資料都通過三維模型建立聯(lián)系，避免工程資料的分散存儲、查找不便。如圖對某臺水泵可一鍵索引其水泵基礎設計圖、水泵安裝技術文檔等。從某種程度上講，這才是達成了將工程所有信息集成在一起的目的。

除了可以通過三維模型查詢其附屬信息外，我們有時也需要根據(jù)提供的一部分信息反向定位三維模型，從而查找更多的相關信息。比如通過提供的設備號，我們可以快速定位該設備的空間位置，并即時切換視角。這為生產(chǎn)運行過程中的故障應急響應提供了技術基礎。

在BIM模型中我們可以采用與實際工程實體相似的處理方式，對不同的管道系統(tǒng)進行著色區(qū)分。更優(yōu)越的是，我們可以單獨的亮顯某一管道系統(tǒng)，更清楚地瀏覽管道走向和功能，甚至可以采集監(jiān)測信息，將管內(nèi)的介質(zhì)信息反映到BIM模型中來。如此我們的BIM模型不僅可以顯示工程建設的靜態(tài)信息，也能顯示運行階段的動態(tài)信息。

和前面管道系統(tǒng)一樣，對于設備運行的動態(tài)信息，也可以將它和BIM模型相關聯(lián)，進行動態(tài)顯示。

除了運維管理平臺可以利用BIM的一些優(yōu)勢之外，在我們的業(yè)務培訓上，BIM也有嶄露頭角的機會。通過在計算機中將常規(guī)的操作進行流程化模擬，采用人機交互的方式對技術人員進行崗前培訓，運用類似于沙盤推演的方式使技術人員掌握實際操作的技能。

對于常規(guī)的檢修維護工作，還可以事先利用模型進行人體工程學的力學仿真、操作時的視距仿真，為維修人員、巡檢人員的安全保障提供技術依據(jù)。

眾所周知，3S技術是數(shù)字城市的技術基礎之一，其中GIS技術更是根本。在智慧水務的建設中，BIM也同樣可以和GIS相結合，并且兩者的結合已經(jīng)成為了BIM應用研究的新課題。即通過建筑內(nèi)部與外部空間信息的結合以支持進行多種類型的應用分析，例如結構設計需要地質(zhì)資料信息，節(jié)能設計需要氣象資料信息，而這些數(shù)據(jù)可以借助GIS得到。反過來，通過BIM和GIS的集成，BIM可以給GIS環(huán)境帶來了更多的信息，從而擴展GIS的應用，提升GIS的應用水平。

過去50年我們看到了全球技術的飛速發(fā)展，在此期間各個行為業(yè)都已經(jīng)通過創(chuàng)新提高了效率，尤其是先進制造業(yè)。工程建造行業(yè)的發(fā)展相對來講要緩慢很多，有很多環(huán)節(jié)還依賴于傳統(tǒng)的工藝和管理手段，在針對大型、復雜的現(xiàn)代化項目時顯得力不從心。制造業(yè)和建筑工程行業(yè)有很多相似之處，現(xiàn)在，建筑業(yè)的先鋒正借鑒制造業(yè)的經(jīng)驗，把先進制造業(yè)的知識和數(shù)字化技術往工程建造行業(yè)遷移，比如“建筑工業(yè)化”已經(jīng)成了當下最火熱的關鍵詞之一。

虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）技術的興起，給工程建設領域帶來夢幻般的可能性，在科幻片里看到的場景正在逐步變成現(xiàn)實�，F(xiàn)在已經(jīng)有廠商借助混合現(xiàn)實眼鏡開發(fā)出基于BIM模型的應用，設計師將BIM模型文件導入MR眼鏡，將模型直接投射到真實場景中，在增強現(xiàn)實的環(huán)境下查看設計，甚至于修改、重構設計稿，設計所見即建造所得，實實在在地縮小數(shù)字和物理之間的差距。