水利工程设计施工运维中的BIM技术应用研究

范群杰

（上海市长宁区河道管理所，上海市 200335）

0 引言

水利工程是关乎国民经济的重要基础设施，其主要负担水资源供给、防洪减灾、进行水量调节与分配的功能，以满足人民正常生活和生产对水资源的需要。相比于常规工程，水利工程往往具有规模体量大、覆盖和影响地域广、投资大、工程技术复杂、对人类活动能产生深远影响等特点。受制于实际功能需求和工程条件，所建立的水利工程往往侧重点和工程技术难度各不相同。上述因素都会给项目设计、施工、组织管理和运行维护带来极大的挑战。据相关报道显示，2016年度全国在建的水利工程的总投资规模达到了8 000亿元以上。随着“一路一带”的推动，日后必将会出现大规模对沿线国家进行水利工程建设的局面。然而受传统水利工程设计、施工、运维的流程及管理模式的制约，水利工程常常会出现在生命周期内设计与交互效率低、各环节信息缺失、信息化水平低造成管理成本上升等问题。这使以往的传统模式无法适应行业的新需要，因此建立新理念、引入新技术和改革旧模式便势在必行。

近几年随着水利工程信息化进程的加快，BIM技术也被应用到水利行业并受到了广泛的重视。BIM技术是一种应用于工程设计施工管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息。在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员面对各种工程信息时能做出正确的理解和高效的应对。自21世纪初期BIM技术被引入中国以来，国内对BIM技术的研究与应用得到了飞速发展，BIM不仅在常规建筑工程领域得到应用，还在公路、桥隧、水利等大型基础工程中获得了充分的重视。相比于发达国家而言，我国BIM技术的应用仍处于初级探索阶段[1]，特别是在水利工程中的应用领域尚存在较大的发展空间[2]。本文以BIM技术在水利工程设计施工运维中的应用研究为出发点，探讨了BIM在水利工程中的应用现状并提出了应对建议。

1 BIM技术在水利工程中的应用优势

BIM技术不仅为水利工程的设计带来了一项新技术，更带来了一种新的思维方式，即强调项目整体和全周期的信息化，实现了将设计施工技术与管理运行维护的有机组合。具体表现在以下几个方面。

1.1 设计理念的更新

水利工程的BIM化可以轻松地实现水工建筑模型的实时仿真模拟，从而表现出整个工程的风貌，并具有“随时修改、改后可见、实时反映”的特点，实现了项目的信息化与可视化。从以往的二维图纸跃迁至三维模型中来，降低了工程技术人员的理解与交流的难度和门槛。同时使设计（包括竣工后）的模型项目直白地展示出来，可以在尚未施工时就获得项目的最终形态。

1.2 设计效率的提高

BIM技术提升了设计效率。传统的设计工序一般是对模型的平立剖面和工艺流程进行二维图纸绘制，再将二维图形建立空间三维模型，流程烦琐，且容易出现对图纸理解偏差和不同专业出现空间冲突的现象。若使用BIM建立模型，则可以通过所建立的模型直接表达任意空间位置上的图纸，极大地提高了设计效率。还可以协助施工人员更好、更快地对工程信息进行解读，并在此基础上进行节点深化设计，从而对图纸中的错误提前纠正，对不合理的工序进行优化。利用模型进行的“预先施工”可以事先避免空间碰撞，很大程度上消除日后施工中所出现的不确定性和不可预见性问题，指导施工有效有序地进行。

1.3 施工管理手段的增加

利用深化设计成果和模型预先施工的推演，利用BIM技术可建立起一套可操作性的施工组织设计。同时依据施工组织设计可以生成反映施工进度的三维模拟动画，以此对施工人员进行直观生动的技术交底，同时使施工人员对流程作业、关键节点、场地危险源等现场情况进行提前预判并建立针对性的解决方案。

1.4 材料核算与运维管理的优化

施工进程完善的BIM项目可以对工程各个环节与节点使用的材料施工过程管理进行全部信息化管理集成，最终所形成的数字化产品在工程的运行维护阶段可以起到至关重要的作用。将其交付给运营单位可将数字流与物质流进行整合与组织，从而推动精益化和全生命周期管理。

2 BIM技术在水利工程中的应用限制

2.1 应用现状

现阶段我国水利工程行业的BIM技术主要集中在设计阶段，施工阶段已实现了部分介入，管理和运营阶段的BIM技术普及度极低。受我国水利工程建设领域BIM技术应用起步较晚制约，可查询的BIM在水利工程中的实际应用项目还不普遍。近年来部分水利工程中应用BIM技术项目见表1。表中可看出BIM技术在水利工程设计阶段的应用已初见成效，在施工过程中也已开始逐步拓展。实际上，水利工程所具有的体型大、施工周期长、全生命周期长、参与方多且多专业协同等特点，正是BIM技术可以予以解决和发挥其最大价值之处，例如基于共享平台的参数化建模、全生命周期视角下的进度和管理、多参与方的协调。

2.2 应用限制

2.2.1 缺乏成熟的政策与环境氛围支持

尽管BIM应用于水利工程的趋势逐步加强，但相关的技术应用水平却较为落后。掌握BIM技术成本较高、对传统施工工艺过度依赖严重制约着BIM技术在水利工程中的推广。虽然BIM技术的应用在一定程度上为项目的施工提供了更加先进的施工手段和科学的施工工序调整，但由于我国在BIM技术使用上缺乏创新、新旧模式转变困难和缺乏成熟的法律法规保障，导致水利行业人士在工程技术管理诸多环节仍旧难以接受利用BIM思维来替换传统的思维。配套政策与宏观环境的不成熟导致了BIM技术在水利项目的推广过程中受到了较大的阻碍。

2.2.2 缺乏成熟的技术应用环境

BIM技术的使用是建立在多专业、多单位共同协调并行的基础之上，而我国目前所使用的BIM软件多从外国引入，例如水利工程领域主流的BIM软件基本出自Autodesk或Bentley旗下。这在标准本地化、适用性和信息交互安全方面均存在着很大的弊端。而且国外软件的引进成本和学习使用成本过高，往往会出现软件闲置、利用率低、不同专业模型的交互能力不足等缺点。这些不足直接影响BIM技术在水利工程项目中的应用情况。同时，水利工程项目规模大、结构复杂的特点会造成与BIM软件匹配的计算机硬件要求较高，使用中增加了很多的无形成本。因此技术应用环境的不成熟也直接导致了BIM技术在我国水利水电工程中应用不畅。

表1 我国部分水利工程BIM应用案例

2.2.3 水利行业内BIM技术应用环境不成熟

BIM技术在水利工程的具体实施中带来以下几点问题：

（1）BIM软件操作不熟练，先进技术无法快速转化为生产力。

（2）建立的模型在适用范围与深度上不能达到预期标准。

（3）BIM技术的投资回报率并不高，无法短期内产生明显效益。

因此行业环境的不成熟也直接影响了BIM技术在水利工程项目中的推广。

2.2.4 重设计与施工环节而忽略管理环节

受传统思维影响，BIM应用于水利工程行业偏重于对三维模型的建立和利用模型进行修改、比选和模拟等工作，但往往忽略了多专业的协同、参与方的交流、生命周期管理等方面，使得BIM软件最后沦为绘图工具。

BIM技术在管理和协同方面的使用具有重要意义，例如基于BIM技术的信息管理平台可保证项目信息的完整性、准确性和可追溯性，为日后预防、警报、维护提供有效的信息。此外，BIM的协调同步可以使设计总包、工程总包和工程监理等参与方实时获取设计、进度、质量等精确信息和管控要点，达到全过程量化管理。

3 BIM技术在水利工程中的应用

结合上述，笔者认为在水利工程行业BIM的应用应当贯穿于设计、施工和运维阶段的全过程。不同阶段的侧重点有所不同，具体如下所示。

3.1 设计阶段的应用

3.1.1 可视化设计

BIM技术具有可视化建模的思路，使传统二维图纸以三维空间模型的方式呈现出来。过去的水利工程三维动画或工程效果图往往通过精美的画面来起到宣传展示作用，并没有对工程的实际设计施工起到效果。BIM软件所建立的三维模型从项目的规划到设计，再由施工到运维，自始至终都围绕工程不同阶段所需要实现的目标服务。在设计阶段，可视化设计的侧重在于精确地完成三维模型的建立，模型是BIM技术的基础，只有准确的模型才能对后续的施工与管理起到有效的支撑。

3.1.2 图纸的输出与审查

BIM空间模型建立好以后能在任意断面输出二维图纸，省略了以往平面图纸的绘制步骤。设计初期通过模型建立直接完善和生成图纸，特别是对关键阶段的图纸进行深度细化。此外对图纸的核对审查也是水利工程项目设计中重要的环节，对图纸的校阅能预先发现和解决问题，更好地服务于设计人员。

3.2 施工阶段的应用

3.2.1 可视化施工

BIM的可视化不仅可以应用在设计领域，同时也可应用于施工领域[3]。通过可视化技术，可以使施工人员及时了解水利工程的整个面貌、结构形式和采用的施工工艺、协调工程进度等。例如可视化技术能提前处理施工中常遇到的碰撞问题[4]。BIM能对项目建设前期对各专业的施工碰撞问题进行协调，以此进行资源分配和时序调节，减少施工中不必要的资源浪费和工期损失。

3.2.2 施工进度模拟

BIM技术可以通过虚拟施工进度提前发现施工中存在的问题，大大减少返工与整改造成的损失。利用Navisworks软件关联由Revit建立的建筑、结构以及机电设备的BIM模型和施工进度计划Project文件，不仅可以动态地演示施工过程与进度，还可以展现施工场地布置情况，为项目管理人员合理规划物料进出场、工序的衔接提供重要参考。

3.2.3 施工安全管理

水利工程中的施工安全管理是重中之重。这是由于水利工程的施工地区一般集中在水域或高危的峡谷地区，施工人员所处平台空间小，人员密集，建设期间面临不少安全隐患。常规安全管理模式以现场培训和监督为主，管理起来难度较大。借助BIM技术，施工人员可以通过BIM的施工进度流程进行施工安全管理。同时建立起识别危险因素→划分危险区域→施工安全监控的立体安全监控管理体系。

3.3 运维阶段的应用

BIM模型不仅是空间化的三维模型，其中每个模型图元内还蕴含有尺寸、位置、安装工序、生产厂家、价格等信息。施工完成后，通过BIM技术可以及时了解构件和设备的运行情况并进行远程监控，后期出现问题时可调出BIM模型，展现问题所在的数据和信息，以方便于维修与管理。

4 结语

BIM技术具有强大的三维建模和信息管理统筹功能。根据水利工程具有规模大、建设周期长、涉及专业与参与方多的特点，BIM技术能有效提高设计施工的效率和水平，在实施期间提前减少错误，确保施工进度和质量安全控制，加强信息化交流与管控。随着BIM技术在水利工程领域的加速推广与应用，市场前景日渐广阔，可以为水利行业带来巨大的应用价值。