BIM技术在提高水利水电工程建设现代化水平中的探讨

刘志明，刘 辉

（水利部水利水电规划设计总院，北京 100120）

1 我国水利水电工程建设发展现状与挑战

1.1 发展概况

水利是国民经济社会发展的重要基础，不仅直接关系防洪安全、供水安全、粮食安全，还关系到经济安全、生态安全、国家安全。据水利部《2016年全国水利发展统计公报》显示（见表1），2016年水利建设完成投资6099.6亿元，较上年增加647.4亿元，增长11.9%。水电是技术成熟、运行灵活的清洁低碳可再生能源，具有防洪、供水、航运、灌溉等综合利用功能，经济、社会、生态效益显著。我国水能资源可开发装机容量约6.6亿kW，年发电量约3万亿kW·h，截止2015年，我国水电装机容量和年发电量已突破3亿kW·h和1万亿kW·h，分别占全国20.9%和19.4%［1］。

党中央、国务院高度重视水利工作，把水安全上升为国家战略，相关部委先后出台了《水利改革发展“十三五”规划》《水电发展“十三五”规划》等专项规划，明确“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期水利工作方针，提出“加快建设清洁低碳、安全高效现代能源体系，进一步转变水电发展”的工作思路。

表1 2016年全国水利投资统计 单位：亿元

1.2 我国水利水电工程建设现状与挑战

水利水电行业体制改革面临公益性和市场性的双重挑战。2011年3月，中央出台《关于分类推进事业单位改革的指导意见》中指出：现有事业单位将按照行政类、公益类和经营类进行分类改革。对于目前多数既承担一定公益职能，又有市场属性的国有水利水电工程行业而言，如何定位、按照何种体制模式进行改革，是影响单位生存发展面临的重大挑战。

“一带一路”加速中国水利水电国际化进程。国内水利水电投资建设的高峰期不可能长期持续，预计在“十三五”中后期，水利水电投资建设将面临萎缩，水利水电工程行业将面临向海外拓展业务的更大压力。我国水利水电工程技术居世界先进水平，形成了规划、设计、施工、装备制造、运行维护等全产业链整合能力，与80多个国家建立了水电规划、建设和投资的长期合作关系，是推动世界水电发展的主要力量。截至2016年底，中国的公司承建了近200项国际水电工程，占有国际水电市场50%以上的份额。

中国水电技术的国际影响力与其市场份额不匹配。其根本原因是中国水电技术标准在国际上的影响力不够，距离全面成套标准“走出去”还存在较大差距。为改变长期以来中国水电行业只顾闷头干活的局面，提高中国水电技术的国际竞争力，2017年2月，国家能源局已委托水电水利规划设计总院组织开展“中国水电技术标准”“走出去”研究工作［3］。中国水利水电勘测设计协会于2015年开始，组织制定了标准翻译三年工作计划，拟将31项常用标准译成英文。目前已完成《防洪标准》等27项标准的英文翻译，为我国水利水电勘测设计单位“走出去”开拓国际市场，提供了重要技术支撑。

信息化共享困难，信息化资源未充分利用，不能形成行业整体协同效应。长期以来，水利信息化的发展是基于各单位、各部门自己的业务需求，为满足单位或某项工作的应用目标，而开发建设了一些专用信息系统，大多数数据库与具体业务绑定紧密，软硬件资源与具体单位、部门绑定，导致这些系统大多分散建设在各个单位或不同业务部门，形成以地域、专业、部门、系统等为边界的孤岛，造成了资源割据的局面［4］。受各方面条件的限制，许多系统安全性和稳定性也不高，难以向公众提供优质的公共服务，加上系统规范性差，客观上形成了共享困难。这些问题导致水利信息化资源得不到充分、合理、有效的利用，严重阻碍互联互通、信息共享和应用协同。针对这些问题，2015年4月，水利部印发了《水利信息化资源整合共享顶层设计》，明确了水利信息化资源整合共享的技术路线和实施途径［5］。

图1 BIM在水利水电全生命周期各个阶段的专业应用

2 我国水利水电工程中BIM应用现状

2.1 BIM技术及其应用价值

BIM最初由建筑行业提出，后逐渐拓展到整个工程建设领域。BIM以三维数字技术为基础，集成了工程项目各种相关信息，最终形成工程数据模型［6］，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。BIM具有单一工程数据源，可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建设项目全生命周期中动态的工程信息创建、管理和共享；同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法，这种方法支持工程项目集成管理环境，可以使工程项目在其整个进程中提高效率并减少风险［7］。

当前，信息化的地位和作用空前突出，特别是大数据、云计算、移动互联网和人工智能等新一代信息技术迅猛发展，正在引发社会生产变革。信息化技术已成为解决工程建设实际问题的重要手段，以BIM为代表的工程信息化技术应用，正推动着工程建设管理模式的创新。水利水电工程项目中的水电站项目相对复杂，水电站项目一般包括：库区、场地、挡水（大坝）、泄水（溢洪道）、引水（导流洞）建筑物、围堰、水闸、船闸、厂房、设备等工程内容，可能还包括：桥梁、道路、堤防等内容。从专业来分，水利水电工程大致分为：水文规划、测量、地质、水工、机电和金属结构等几大类专业，部分专业因不同的设计、施工单位细分建筑、机电、路桥、施工等［8］。水利水电工程项目，一般需要经历规划、设计、施工、竣工验收和运营各阶段。BIM在水利水电全生命周期各阶段可展现的专业应用如图1所示。

图2 水利水电工程项目的全生命周期信息协同平台

BIM带来了设计方法的革命，BIM技术与协同设计技术将成为互相依赖、密不可分的整体。协同是BIM的核心概念，同一构件元素，只需输入一次，各工种共享元素数据并从不同的专业角度操作该构件元素。BIM技术将为未来协同设计提供底层支撑，大幅提升协同设计的技术含量，未来的协同设计，将不再是单纯意义上的设计交流、组织及管理手段，它将与BIM融合，成为设计手段本身的一部分。借助于BIM的技术优势，协同的范畴也将从单纯的设计阶段扩展到工程全生命周期，需要设计、施工、运营、维护等多方的共同参与，从而带来综合效率的大幅提升［9］。

水利水电建设项目实施阶段多、涉及人员广，利益相关方的诉求在很多方面也不一致；为保障项目内外部沟通协同的流畅，建立起有效的政府监管和社会监督，还需要依托信息平台；因此，在水利水电项目的协同治理机制中，还需要搭建基于BIM技术的信息协同平台，如图2所示。

2.2 BIM技术应用现状调研分析

水利部水利水电规划设计总院2017基于水利水电勘测设计行业BIM技术应用现状展开了规范性、前瞻性、实用性的调研。调研对象绝大部分为水利水电勘测设计企事业单位和部分大型水电开发集团公司、水利工程业主单位、行业BIM联盟、地方BIM联盟、相关高等院校和科研院所，其它行业BIM技术、GIS技术、增强现实技术、云计算技术的研发、应用机构也参与了此次调研。其中，被访人员有20.6%为企事业单位负责人，31.9%为部门负责人，19.1%为项目负责人，6.4%为专业负责人，22%为一般技术人员。调研主要采用线上及线下发放调研问卷、现场调研、行业深度访谈、桌面研究等方法进行数据采集、回收、整理与分析，累计发放224份调研问卷，收回问卷数量为215份。

调研显示，一是在BIM应用价值的认识方面，勘测设计单位对应用BIM的需求和价值的认识不尽相同。提升企业品牌形象，打造企业核心竞争力成为应用BIM的主要需要；其次是BIM在不同业务中的价值体现，包括提高预测能力，减少施工现场突发变化以及缩短工期，提高计划的准确率等；现阶段在招投标管理、现场安全管理、文档管理方面价值体现还不明显。二是在BIM的推广应用方面，BIM技术的应用已从概念普及过渡到项目试点阶段，对BIM未来的发展具有信心，并且已经认识到BIM对单位发展的重要性。85%的勘测设计单位已经开展了BIM应用试点工作；7%的设计单位还未应用，但考虑半年内进行项目试点；还有5%的设计单位虽有试点，但认为价值不大，暂时不考虑推广［10］。

此次调研所发现的主要问题表现为“缺乏政策引导”、“专业技术成熟度不高”、“市场环境成熟度低”等三个类型，问题的具体表现形式见表2。

表2 水利水电勘测设计行业BIM技术应用现状调查表

3 BIM技术应用创新的四个方面

当今社会已经进入信息化时代，信息已经成为人类社会最重要的资源。《信息化和工业化融合发展规划（2016～2020）》指出“大力推进信息化和工业化深度融合，加快新旧发展动能和生产体系转换，提高供给体系的质量效率层次，对于推动我国制造业转型升级、重塑国际竞争新优势具有重大战略意义”。依据《全国水利信息化“十三五”规划》《水利信息化资源整合共享顶层设计》《水利部信息化建设与管理办法》和《关于推进水利大数据发展的指导意见》等相关文件的指示，结合我国水利水电工程现状及未来发展需求，以BIM技术应用创新为抓手，构建水利水电行业的BIM标准体系、BIM技术路线和解决方案、BIM资源共享库、BIM认证评估体系；打造中国水利水电工程全寿命周期的信息化管理平台，形成基于行业整体分工协作的PDCA闭环管理模式，打造良性优质的水利水电信息化生态圈；以BIM技术应用创新提升中国水利水电工程建设的软实力，助推水利水电工程建设的现代化与国际化，助力“数字”水利向“智慧”水利的转变。

3.1 水利水电BIM标准体系

BIM标准化落地对于建设工程行业的意义在于：解决BIM模型出图、工程量计算与数据管理的有机统一，真正实现BIM模型在设计、施工和运维工程全生命周期应用的同时，大幅减少工程对于人力物力的成本浪费。BIM标准在企业中的成功应用可实现工程全生命期各参与方在同一多维工程信息模型基础上的数据共享，促进工程建设产业链贯通和工业化建造，对企业BIM技术进步及对国家技术体系的建立有很大作用。

建筑行业BIM标准基本上都是面向工业与民用建筑的，不能照搬用于水利水电行业。鉴于水利水电行业工作范围及所涵盖的专业要远大于建筑行业，且BIM技术本身也在不断发展过程中，因此，参考借鉴国内外有关行业BIM标准，结合水利水电行业需求和工程特点，构建水利水电BIM标准体系框架，做好水利水电BIM标准顶层设计，以便在水利水电工程领域大范围开展BIM技术应用时，统一指导、规范应用是十分必要和重要的。

在对国内外BIM标准框架体系研究的基础上，结合水利水电行业BIM标准的现状和发展需求，水利水电BIM设计联盟于2017年组织编制并发布《水利水电BIM标准体系》。水利水电行业BIM标准序列与中国国家BIM标准、地方BIM标准及相关行业领域间的关系如图3所示。

图3 水利水电行业BIM标准序列之关系

结合BIM技术要素图，参考 NBIMS、CBIMS模式，水利水电BIM标准体系包括技术标准和实施标准两大部分，BIM技术要素关系如图4所示，水利水电BIM标准基本框架如图5所示。

图4 BIM技术要素图

技术标准分为数据存储标准、分类编码体系和数据字典、信息传递标准、信息模型知识产权，其主要目标是为了实现水利水电建设项目全生命周期内不同参与方与异构信息系统间的互操作性，用于指导和规范水利水电BIM软件开发，主要面向IT工具。

实施标准主要是从资源、行为、交付物三方面指导和规范水利水电行业规划、设计、施工、建设管理、运营企业实施BIM标准。

图5 水利水电BIM标准基本框架

图6 工程全生命周期信息化管理的业务模型

3.2 水利水电行业的BIM技术路线和解决方案

FIATECH国际组织发布《基建工程技术路线图》，在工程信息化应用实例的基础上，集成提炼出工程全生命周期信息化管理的业务模型如图6所示。该模型将单个工程建设过程中信息化管理内容分为：自动化设计、采购与供应链管理、现场的智能化施工、自动化设施运营、项目管理等五个主要的应用组成，并给出了各组成部分间的业务数据的流动关系。路线图展示出工程全生命周期信息化建设的核心在于搭建一个集中共享的核心数据平台，协调多种软件工具，实现贯穿工程设计、施工和运营管理等整个生命周期，各种信息资源的一体化管理与应用［11］。

基于我国水利水电工程建设现状及未来发展趋势，依照《水利信息化资源整合共享顶层设计》文件中“通过机制体制创新和信息技术深入应用，实现水利信息化资源共享，促进业务应用协同”的指导思想，借鉴FIATECH国际组织的工程全生命周期信息化一体化管理与应用的理念，研究制定适合于我国水利水电行业的BIM技术路线和解决方案。以融合贯通规划、设计、施工、运营四个阶段的信息为目标，构建面向对象的水利数据模型如图7所示，解决数据描述对象及其属性的语义一致性问题，确保信息共享得以实现。

图7 数据资源整合共享架构图

经过调研分析总结，设计出水利水电行业发展的BIM技术路线和解决方案蓝图如图8所示。在蓝图的实施过程中，依据行业不同单位的实际需求及BIM技术成熟度，制定出具体的落地方案，开发需求量大、功能性强的设计工具、建设管理工具、运维管理工具，如BIM钢筋、BIM地质、BIM开挖等。对所开发的工具置于共享平台供广大成员应用，并采用迭代的方式不断完善，以形成适合我国水利水电行业实际需求的BIM技术路线和解决方案。

3.3 水利水电BIM资源共享库

基于我国水利水电行业的特点，单打独斗难以做大做精水利水电BIM，垄断也不是发展之道，共享协作才能持续发展。目前水利水电BIM产品的技术标准不统一、兼容性差，技术资源少、竞争激烈、对自有知识产权保护意识高、对他人的知识产权尊重差，同时，在资源匮乏的情况下，简单低端的重复工作又浪费了资金和人力。可见，任何一方都不能在BIM的全部环节做专做精，靠独门绝技包打天下已经不再可能，取而代之的是依靠在BIM价值链上的多方分工协作。基于此，提出水利水电BIM资源共享平台解决方案，建立行业共享机制，开展资源交换、资源交易和资源共享，并交流技术、交换信息。

图8 水利水电行业BIM技术路线及解决方案蓝图

3.4 水利水电BIM认证评价体系

水利水电BIM认证评价体系是BIM应用的重要环节，其目的是判断BIM的产品、过程、体系和人员能力是否满足既定标准的要求，是实现PDCA闭环管理与持续优化的必要手段。CMMI全称是Capability Maturity Model Integration，即能力成熟度模型集成（也有称为：软件能力成熟度集成模型），其目的是帮助软件企业对软件工程过程进行管理和改进，增强开发与改进能力，从而能按时地、不超预算地开发出高质量的软件。美国国家BIM标准（National Building Information Modeling Standand，简称NBIMS）提供了一套以项目生命周期信息交换和使用为核心的可以量化的BIM评价体系，叫做BIM能力成熟度模型（BIM Capability Maturity Model，简称 BIM CMM）见表 3［12］。

横轴是对BIM方法和过程进行量化评价的11个要素，纵轴把每个要素划分成10级不同的成熟度，其中1级表示最不成熟，10级表示最成熟。

NBIMS的BIM能力成熟度模型虽然本身也还处于不断发展的过程中，而且对于要素种类、权重和数量的确定，成熟度各个级别的定义和总级别数量的确定，以及总体BIM成熟度的分级条件等都还有不少可以商榷的地方，加上我国工程建设行业的实际情况跟美国相比也存在着各种各样的差别，完全按照这套模式对中国的BIM过程、方法、产品、应用进行评价应该会有一定的不合适甚至不合理的地方，但是，总体来说使用这套模式对我们目前进行的BIM工作进行评价已经具有以下两个方面非常实际的参考意义。

第一点，使用其他行业已经非常成熟的能力成熟度模型（CMM）来建立BIM评价体系，可以充分利用前人和其他行业的工作成果，也有利于应用推广。

第二点，评价体系（包括标准）和BIM本身一起逐步发展和逐步完善，互相促进的同时互为制约，让业内人士既有章可循又不固步自封，而不是等到BIM应用成熟了再来制定标准［12］。

表3 NBIMS的BIM能力成熟度模型

3.5 共享机制创新是关键

基于我国水利水电行业的特点，单打独斗是难以做大做精水利水电BIM，但如何发挥BIM成员参与研发的积极性和创造性、尊重其知识产权等问题也是必须尽快解决的关键问题。因此，我们将积极探讨联盟成员和非联盟成员BIM技术成果的共享机制，让研发人员和单位的投入有所收益，尊重和保护其知识产权，以保障联盟可持续发展。

4 BIM技术应用创新的三个原则

4.1 整合信息化资源（应用立足现在、创新谋划未来）

立足当下、实事求是、量力而行、力求实效是水利水电行业BIM应用的发展策略。BIM不是单独的软件，它是工程信息化、可视化的前台工具集，是协作平台与数据支持中心。将BIM真正作为提高水利水电工程设计服务能力的推进器，把BIM带来的成果有效转化为客户的高认知度、高认可度的服务体验；应充分利用BIM技术现有的产品、方案，持续提升水利水电工程的智慧化管理水平，只有在持续的应用实践中，才能不断发现不足、完善优化、改善体验、提高效率。

用信息化的思维，推动水利水电工程建设的创新发展。当前，我国经济正处于增长速度换档期，低要素成本驱动的发展方式已难以为继，技术创新将是各个行业发展的动力，以建筑业为代表的工程行业已逐步开始从要素驱动、投资驱动向创新驱动转变。随着信息技术的发展，数字化建造技术正以前所未有之势对工程行业发生巨大的转变。将创新作为重要驱动力，深化信息技术与各项水利水电工作的融合，积极研究大数据、云计算、物联网、移动互联等技术应用，强化信息化对水利各业务领域的服务与支撑，推进各类信息化资源整合共享，最大程度发挥水利水电信息化资源的效率［13］。

4.2 促进本土化发展（政策引导市场、技术贴合需求）

政策决定方向、市场配置资源。政府越来越重视信息安全问题，但本土BIM软件技术研发厂商技术力量薄弱，PKPM（中国建筑科学研究院北京构力科技有限公司）、广联达、鲁班等少数几家只是拥有自主独立的某几项BIM技术。如果BIM产业链始终离不开国外BIM软件厂商，那么国家的信息安全战略就难以在建筑工程类行业落地；如果BIM核心技术不掌握在本土企业手里，那么应用层面的很多本地需求就会被掣肘，我们行业的法规、规范、标准就要去符合并顺应国外BIM软件的要求，这对于我们建筑类工程行业走出国门、在国际市场展开竞争也很不利。发展国产BIM技术，是建筑类工程行业在国际上获得竞争优势的必修课，也是落实“信息安全，自主创新”国家信息安全战略的必然选择。

关于技术创新，华为创始人任正非的经典总结是“领先半步是先进，领先三步成先烈”，技术只有解决现实需求才有商业价值。BIM目前仍处于初级阶段，通过业界的持续推广及应用，在工程量计算、协同管理、深化设计、虚拟建造、资源计划、工程档案与信息集成等方面的应用将逐渐完善。同时，施工阶段BIM的应用内容，还远远没有得到充分挖掘，云大物移智等新技术的应用也值得期待。工程行业消化先进软件技术与思想理念是一个长期的过程，在这个过程中，行业的规范、标准、管理模式、生产方式等各方面都会发生较大的变革，在这个变革过程中需要注意技术引入的时机与节奏。

4.3 打造BIM生态圈（行业牵头、打造优质生态圈）

中国水利水电勘测设计协会于2016年10月26日成立了水利水电BIM设计联盟，联盟以建立水利水电BIM生态圈，推进水利水电全生命周期BIM应用为宗旨，坚持连接、共享、开放、创新的理念，不断努力提高水利水电勘测设计信息化水平。在2017年9月的中水勘协理事会大会上，联盟工作得到陈雷部长的肯定，并提出更高的要求“利用好水利水电BIM设计联盟的平台，积极推进勘测设计手段创新”。

坚持“增量、连接、多样、开放、共享”的理念，形成“需求-供应-消费-反馈-再供应”的多元消费和循环体系。目前99%的甲级水利设计院都已经接触过BIM，并且在工程项目中有实际应用；很多单位成立了BIM中心，培养了一批具备工程设计和数字建模专业知识的BIM人才；一些水利工程业主单位开始要求在设计和施工中使用BIM。水利水电BIM生态必须坚持“增量、连接、多样、开放、共享”的理念，推进水利水电BIM由自产自用转变为工程建设参与者的全员协同参与，BIM将不再只是消费品，基于BIM的水利水电数字化创新应用将成为工程建设和管理中的新产业，BIM设计、BIM咨询、BIM软件开发、BIM施工、BIM管理、BIM培训、BIM认证和基于BIM应用开发等新兴业务将应运而生，最终将会形成“需求-供应-消费-反馈-再供应”的多元消费和循环体系。

［1］国家能源局.水电发展“十三五”规划［R］.2016.

［2］常雪梅，程宏毅.习近平向第八届清洁能源部长级会议和第二届创新使命部长级会议致贺信［N］.人民日报，2017-06-08，01版.

［3］王海霞.中国水电加上成套出海标准就无敌了［N］.中国能源报，2017-03-30.

［4］蔡阳.关于水利信息化资源整合共享的思考［J］.水利信息化，2014（06）.

［5］蔡阳.水利信息化“十三五”发展应着力解决的几个问题［J］.水利信息化，2016（02）.

［6］麦格劳-希尔建筑公司.BIM中国调研报告-建筑信息模型-设计与施工的革新，生产与效率的提升［R］.2009.

［7］徐骏，李安洪，刘厚强，等.BIM在铁路行业的应用及其风险分析［J］.铁道工程学报，2014（03）.

［8］李德，宾洪祥，黄桂林.水利水电工程BIM应用价值与企业推广思考［J］.水利水电技术，2016（08）.

［9］陈宇军，刘玉龙.BIM协同设计的现状及未来［J］.中国建设信息，2010（04）.

［10］水利部水利水电规划设计总院.《水利水电勘测设计行业BIM技术应用》调研报告［R］.2017.

［11］彭华.水电工程建设阶段信息化的现状与挑战［A］.中国大坝协会会议论文集［C］.2013.

［12］何关培.BIM在建筑业的位置，评价体系及可能应用［J］.土木建筑工程信息技术，2010（01）.

［13］水利部.全国水利信息化“十三五”规划［R］.2016.

［14］刘辉.水利工程智慧之路探讨——从通用IT到知识自动化到数据智能［J］.水利规划与设计，2017（12）.

［15］刘辉.基于水利标准数据格式的BIM数据管理和水利BIM生态探索［J］.水利规划与设计，2017（11）.

［16］刘辉.水利水电工程勘测设计行业信息化发展思考［J］.水利规划与设计，2017（01）.