水利工程BIM技術發展和應用芻議

徐 鵬，孫文博,馮恬恬,李家華,錢原銘

(1.浙江水利水電學院 水利與環境工程學院，浙江 杭州 310018；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

1974年,卡耐基梅隆大學的查爾斯·伊斯曼教授創建了BIM概念即模型-建筑描述系統(構建一個由計算機繪制的建筑物的平臺,來實現工程項目各步驟的可見化,從而大幅度增加工程的效率)[1]。建筑信息模型BIM(building information modeling)，是一種實現信息共享的三維模型，其包含了建設項目中策劃、運行和維護的生命周期過程的全部工程信息。不同的工程技術人員可以通過使用該三維模型來對建設項目作出正確的處理方案，實現各團體之間的數據信息交互,提高施工效率[2]。通過使用BIM技術，以工程數字化作為核心的工程全生命周期管理，能夠為水利行業的創新提供機會[3]。

1 BIM技術的特點

1.1 可視化

BIM提供可視化特征,將人們從圖紙上的平面視圖帶到一個三維立體的建筑物上來,提升構件與構件之間的交互性。水利工程是由無數個簡單或復雜的構件組合成的大型工程，通過BIM的可視化，可以讓非專業人員理解建筑物設計,更好地協調自己的本職工作[4]。

1.2 協調性

水利工程的設計與建造流程復雜,涉及專業繁多,如電工,建筑等。BIM技術能讓不同單位,不同職務的人員實現交流合作,能避免因交流方面引起的問題[5]。

1.3 模擬性

BIM能通過對已建模型分析,模擬出水利施工現場無法完成的操作。例如:臨時疏散模擬,施工階段模擬(三維模型+項目進度)，減少施工中不必要的成本，縮短工時。

1.4 優化性

BIM能對水利工程項目進行更好的優化，當工程復雜到一定的程度，人為的優化可能已無法滿足項目的需求。而BIM可以通過其配套的優化軟件對項目進行優化，從而降低失事的風險。

2 BIM技術的發展

2.1 國外發展

一些發達國家，對于水利等基礎設施的需求已接近飽和，因此BIM在國外水利行業的應用并不多。但是國外BIM技術的發展及其相關的法規與標準已相當成熟，仍值得我們借鑒。

2.1.1 美國

美國對BIM的研究與應用起步最早，至今美國BIM在建筑工程的應用早已位列世界前沿。美國分別在2007年、2012年、2015年以IFC為標準制定了[6]NBIMS-USV1,NBIMS-USV2，NBIMS-USV3。美國BIM標準中一大亮點就是集結了整個工程項目的各個參與方和施工方，將其按照相同標準簽訂所需合同，共同承擔風險損失，在某些方面也可以稱為是經濟利益的再分配[7]。從2009年開始，美國就要求各州，凡是預算超500萬以上的公共建設項目，都強制要求使用BIM。

BIM技術在美國軍方工程中的應用也早有一段歷史。在2006年10月，陸軍工程兵部隊下屬工程研究與發展中心擬定了對未來BIM發展的十五年規劃，并在規劃中許諾未來的所有軍事化設施或建筑項目都將使用BIM[8]。

2.1.2 英國

2011年英國發布“government construction strategy”,其中特別強調,至2016年,政府要求將全部文件以信息化方式管理,并表示會以政府的力量來協調英國建筑行業對BIM的使用。為在2016年實現全面協同的3D·BIM目標(BIM Level 2)，英國政府將BS1192系列(基于二維和三維技術的建設信息協同標準)等BIM標準提供全部免費下載，現如今英國在BIM方面的應用已成為世界頂尖水平[9]。

2.1.3 澳大利亞

BIM在澳大利亞的應用發展不同于其他國家(美國的自下而上的模式——由BIM廠商進行推廣，英國的自上而下模式——政府頒布法令推廣BIM)，澳大利亞更適合說是由其中間機構配合政府發展出來的。中間機構負責推動，然后由國家推出相應的政策，從而推進BIM在澳大利亞的發展[10]。

2.1.4 新加坡

2010年,新加坡為促進國民更多地應用BIM,加快新加坡BIM發展,設立了一個總值為600萬的BIM項目,對任何企業都持開放狀態。2012年,新加坡發布的BIM標準指南中,新加坡建設局自2013年起嚴令各公司遞交建筑、結構與機電等BIM模型。直至2015年每個超過5 000 m2建筑面積的工程都需要按照規定先構建BIM模型再進行施工，并且需強制提交模型。

2.2 國內發展

2005年,中國在北京成立國際協作聯盟 (industry alliance for interoperability, IAI)分部,從此中國開始參與制定國際BIM標準。之后,中國建筑標準設計研究院根據我國國情制作出適用于中國需要的BIM標準，而IFC(industry foundation classes)作為三維建筑信息交換標準對中國制定標準起到了關鍵作用。近些年國內關于BIM的具體政策及相關內容情況表(見表1)。

表1 國內BIM政策

在水利行業，中國水利水電勘測設計協會自發組織的水利水電BIM設計聯盟結合國內外標準制定了中國自己的水利水電標準體系，促進了BIM在水利行業的標準建設[11]。

2.2.1 香港

自2006年以來,香港房屋署做出了適合自己的BIM標準,并設立信息數據庫等,為用戶與用戶之間的交流構造了適宜氛圍[12]。

2.2.2 上海

上海是國內最早使用BIM技術的城市之一，無論是世博會，上海夢中心項目，還是上海迪士尼都體現了BIM技術在上海建筑的普及[13]。上海舉辦了各類BIM技術論壇、峰會，還開展了BIM技術應用大賽等一系列活動。2018年上海BIM投資項目數量達822個，總投資超6 000多億，這也進一步的推廣了BIM技術[14]。

3 BIM技術發展現狀及趨勢

3.1 BIM+3D打印

BIM技術把建筑模型從二維圖紙轉移到了三維模型上，而成熟的3D打印技術讓BIM與3D打印的結合成為了可能。以BIM三維數字模型為核心，通過3D打印出實體模型，實現了虛擬到現實的實體轉換[15]。通過將BIM模型拆分打印，可模擬出施工順序，配合Navisworks的施工模擬更加便于施工方的理解[16]。

3.2 BIM+無人機

通過無人機傾斜攝影測量能夠較為精確地得出地形數據，再配合無人機攝影技術，可以得到施工地形的三維實景模型[17]。但目前掌握三維實景模型的單位，大多將三維模型數據轉換為二維平面數據再進行使用，但這樣對三維實景模型的利用率不高[18]。BIM與無人機的結合，能夠將移動監控設備與數字虛擬平臺有效利用到工程監理之中[19]。配合無人機在空中的攝像，施工方能夠通過BIM平臺觀測到施工的實時動態，能夠通過不同的視覺角度來發現可能發生的施工問題，也能夠解決無法長時間旁站監測的問題。

3.3 BIM+VR

VR虛擬現實通過計算機、電子信息與仿真技術的結合將原本虛擬的環境帶給人們一種真實的感受。BIM模型在展示效果上有些許的不足，驗收人員或甲方難以通過BIM模型理解設計者的設計理念，而VR可以增強BIM的展示效果[20]。BIM+VR將工程模型從可見不可觸轉變成了可見可觸[21]。結合Navisorks的三維漫游，我們可以利用VR技術做到實體參觀，監測。

3.4 BIM+人工智能

人工智能是用于模擬及延伸人智能的新型技術，將BIM技術與人工智能相結合通過BIM技術與人工智能構建綜合治理平臺，將建筑信息模型的數據關聯與融合，借助人工智能充分發揮BIM優化性的特點，能夠高效篩選出最優方案，縮短項目的工期，提高項目的質量[22]。

3.5 BIM+智慧化

智慧水利是云計算、大數據、物聯網、傳感器等技術在水利工程中的綜合應用。如果將BIM技術與智慧水利進行結合，通過智慧水利平臺，能夠實現實時、無死角的視頻監管以及施工場地多方管控[23]。

4 BIM在水利工程中的應用

4.1 設計階段

通過BIM技術，可以將水利工程二維圖紙轉化為參數化的三維模型(見圖1)。利用數據交互平臺，設計師可利用自己優勢行業對該模型進行修改。為滿足工程需要，越是大型的水利工程有著越高的要求,利用BIM碰撞檢測等能夠極大地縮短校核時間，只需在碰撞檢測的基礎上對模型進行檢驗校核，這樣，就避免設計的錯誤影響施工結果[24]。

圖1 水工建筑模型

4.2 施工階段

在施工階段，通過使用navisworks在模型上進行虛擬施工模擬，操作者只需設置工程計劃，便可觀察到各個工程進度，施工者可以根據施工模擬來實施下一步工作，也可以在這基礎上進行造價預算模擬來達到對成本的控制[25]。Navisworks還具有三維漫游功能，方便施工班組了解管線走向[26]。由于BIM技術具有交互性，施工方與設計方能夠有著更直接的聯系，每一次改動，或施工上理解的差異都能及時交涉，也在極大程度上防止了因施工方對設計圖紙誤讀而產生耽擱。

4.3 運維階段

運維階段(運營維護階段)是整個工程周期中最漫長的部分，也是全生命周期的最終階段。而BIM技術在運維階段應用的優勢則體現在可溯源性，即在進行構造水工模型時，模型的各個構建的材質都可標明。當出現因零件而產生的問題時，便可翻查模型找到問題所在，防止問題惡化。在建模期間的各種材料數據都有記錄，通過查看建筑物全方面信息，可以使工作人員更好地監測水工建筑的使用狀態，做到定期維護[27]，還可通過BIM模型整合水利工程監控系統，將各工作狀態信息體現在BIM模型中，從而實現對設備的智能監控[28]。

5 BIM應用案例

5.1 上海國際航運服務中心西船閘

圖2所示的該項目通過CATIA平臺建立出數字模型，首創可拆卸式3D打印實體模型，成功地將數字模型與實體模型結合，使各項目參與方能夠更加清晰直觀地理解船閘結構。本項目又通過開發的預埋件、預留孔洞驗收管理系統(PPIM系統)，圍繞預埋件，將項目各負責人以工作流的方式進行管理。再結合預埋件二維碼，通過二維碼獲取預埋件信息，快速精確地完成驗收，提高驗收效率[28]。該項目通過對BIM的應用與PPIM系統的研發極大地縮短了工期，同時，建模期間的數據又為日后船閘運維階段提供了便利，降低了成本。

圖2 上海國際航運中心西船閘應用模式圖

5.2 新疆喀拉托別水電站

該項目將autodesk公司的civil 3D、revit、navisworks等軟件作為主要工具，按照不同專業分配任務，再通過autodesk 360與vault結合實現信息交互。通過navisworks進行的碰撞模擬與施工模擬使得設計方與施工方等工程負責人對工程有了更清晰地認識，縮短了工期。Civil 3D在一定程度上能夠較為精確的繪制出布設的地形，結合infraworks 360將構建好的模型進行布置，通過3D Maxs等軟件進行渲染，結合動畫效果使得參與人員有更加直觀的感受，該項目的BIM應用模式(見圖3)。

圖3 新疆喀拉托別水電站應用模式圖

5.3 云南瀾滄江黃登水電站

云南瀾滄江黃登水電站工程由昆明院參與建設，該項目將revit structure、revit architecture、inventor等軟件作為主要工具，根據軟件不同功能，對任務進行分配。由civil 3D地形處理功能配合AIM(autodesk infrastructure modeler)為樞紐布置、基坑開挖、場內交通等步驟提供了強有力的保障。借助AIM能夠將多個設計方案與設計流程整合入三維模型中，模型的每個個體都可以進行獨立地修改，有效地避免了重復工作，從而節約了時間，減少了成本[29],該項目的BIM應用模式(見圖4)。

圖4 云南瀾滄江黃登水電站應用模式圖

6 結語

當今BIM技術應用不僅是一種技術實現問題，也是管理水利工程行業發展戰略層面的問題。從當前水利行業發展的態勢分析來看，BIM技術有很大的發展空間，并終將成為水利行業發展的有力工具。BIM技術在水利工程中的應用，除了現有軟件的迭代更新以外，建議從培養與儲備從業人才、制定行業BIM規范、改善和變革新的管理模式等方面著手，以加快行業內BIM應用的速度。同時，應有效地實現技術的優勢互補，將BIM技術與人工智能等新興技術相結合，以更好地促進水利行業的發展。