水利工程BIM技术发展和应用刍议

徐 鹏，孙文博,冯恬恬,李家华,钱原铭

(1.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

1974年,卡耐基梅隆大学的查尔斯·伊斯曼教授创建了BIM概念即模型-建筑描述系统(构建一个由计算机绘制的建筑物的平台,来实现工程项目各步骤的可见化,从而大幅度增加工程的效率)[1]。建筑信息模型BIM(building information modeling)，是一种实现信息共享的三维模型，其包含了建设项目中策划、运行和维护的生命周期过程的全部工程信息。不同的工程技术人员可以通过使用该三维模型来对建设项目作出正确的处理方案，实现各团体之间的数据信息交互,提高施工效率[2]。通过使用BIM技术，以工程数字化作为核心的工程全生命周期管理，能够为水利行业的创新提供机会[3]。

1 BIM技术的特点

1.1 可视化

BIM提供可视化特征,将人们从图纸上的平面视图带到一个三维立体的建筑物上来,提升构件与构件之间的交互性。水利工程是由无数个简单或复杂的构件组合成的大型工程，通过BIM的可视化，可以让非专业人员理解建筑物设计,更好地协调自己的本职工作[4]。

1.2 协调性

水利工程的设计与建造流程复杂,涉及专业繁多,如电工,建筑等。BIM技术能让不同单位,不同职务的人员实现交流合作,能避免因交流方面引起的问题[5]。

1.3 模拟性

BIM能通过对已建模型分析,模拟出水利施工现场无法完成的操作。例如:临时疏散模拟,施工阶段模拟(三维模型+项目进度)，减少施工中不必要的成本，缩短工时。

1.4 优化性

BIM能对水利工程项目进行更好的优化，当工程复杂到一定的程度，人为的优化可能已无法满足项目的需求。而BIM可以通过其配套的优化软件对项目进行优化，从而降低失事的风险。

2 BIM技术的发展

2.1 国外发展

一些发达国家，对于水利等基础设施的需求已接近饱和，因此BIM在国外水利行业的应用并不多。但是国外BIM技术的发展及其相关的法规与标准已相当成熟，仍值得我们借鉴。

2.1.1 美国

美国对BIM的研究与应用起步最早，至今美国BIM在建筑工程的应用早已位列世界前沿。美国分别在2007年、2012年、2015年以IFC为标准制定了[6]NBIMS-USV1,NBIMS-USV2，NBIMS-USV3。美国BIM标准中一大亮点就是集结了整个工程项目的各个参与方和施工方，将其按照相同标准签订所需合同，共同承担风险损失，在某些方面也可以称为是经济利益的再分配[7]。从2009年开始，美国就要求各州，凡是预算超500万以上的公共建设项目，都强制要求使用BIM。

BIM技术在美国军方工程中的应用也早有一段历史。在2006年10月，陆军工程兵部队下属工程研究与发展中心拟定了对未来BIM发展的十五年规划，并在规划中许诺未来的所有军事化设施或建筑项目都将使用BIM[8]。

2.1.2 英国

2011年英国发布“government construction strategy”,其中特别强调,至2016年,政府要求将全部文件以信息化方式管理,并表示会以政府的力量来协调英国建筑行业对BIM的使用。为在2016年实现全面协同的3D·BIM目标(BIM Level 2)，英国政府将BS1192系列(基于二维和三维技术的建设信息协同标准)等BIM标准提供全部免费下载，现如今英国在BIM方面的应用已成为世界顶尖水平[9]。

2.1.3 澳大利亚

BIM在澳大利亚的应用发展不同于其他国家(美国的自下而上的模式——由BIM厂商进行推广，英国的自上而下模式——政府颁布法令推广BIM)，澳大利亚更适合说是由其中间机构配合政府发展出来的。中间机构负责推动，然后由国家推出相应的政策，从而推进BIM在澳大利亚的发展[10]。

2.1.4 新加坡

2010年,新加坡为促进国民更多地应用BIM,加快新加坡BIM发展,设立了一个总值为600万的BIM项目,对任何企业都持开放状态。2012年,新加坡发布的BIM标准指南中,新加坡建设局自2013年起严令各公司递交建筑、结构与机电等BIM模型。直至2015年每个超过5 000 m2建筑面积的工程都需要按照规定先构建BIM模型再进行施工，并且需强制提交模型。

2.2 国内发展

2005年,中国在北京成立国际协作联盟 (industry alliance for interoperability, IAI)分部,从此中国开始参与制定国际BIM标准。之后,中国建筑标准设计研究院根据我国国情制作出适用于中国需要的BIM标准，而IFC(industry foundation classes)作为三维建筑信息交换标准对中国制定标准起到了关键作用。近些年国内关于BIM的具体政策及相关内容情况表(见表1)。

表1 国内BIM政策

在水利行业，中国水利水电勘测设计协会自发组织的水利水电BIM设计联盟结合国内外标准制定了中国自己的水利水电标准体系，促进了BIM在水利行业的标准建设[11]。

2.2.1 香港

自2006年以来,香港房屋署做出了适合自己的BIM标准,并设立信息数据库等,为用户与用户之间的交流构造了适宜氛围[12]。

2.2.2 上海

上海是国内最早使用BIM技术的城市之一，无论是世博会，上海梦中心项目，还是上海迪士尼都体现了BIM技术在上海建筑的普及[13]。上海举办了各类BIM技术论坛、峰会，还开展了BIM技术应用大赛等一系列活动。2018年上海BIM投资项目数量达822个，总投资超6 000多亿，这也进一步的推广了BIM技术[14]。

3 BIM技术发展现状及趋势

3.1 BIM+3D打印

BIM技术把建筑模型从二维图纸转移到了三维模型上，而成熟的3D打印技术让BIM与3D打印的结合成为了可能。以BIM三维数字模型为核心，通过3D打印出实体模型，实现了虚拟到现实的实体转换[15]。通过将BIM模型拆分打印，可模拟出施工顺序，配合Navisworks的施工模拟更加便于施工方的理解[16]。

3.2 BIM+无人机

通过无人机倾斜摄影测量能够较为精确地得出地形数据，再配合无人机摄影技术，可以得到施工地形的三维实景模型[17]。但目前掌握三维实景模型的单位，大多将三维模型数据转换为二维平面数据再进行使用，但这样对三维实景模型的利用率不高[18]。BIM与无人机的结合，能够将移动监控设备与数字虚拟平台有效利用到工程监理之中[19]。配合无人机在空中的摄像，施工方能够通过BIM平台观测到施工的实时动态，能够通过不同的视觉角度来发现可能发生的施工问题，也能够解决无法长时间旁站监测的问题。

3.3 BIM+VR

VR虚拟现实通过计算机、电子信息与仿真技术的结合将原本虚拟的环境带给人们一种真实的感受。BIM模型在展示效果上有些许的不足，验收人员或甲方难以通过BIM模型理解设计者的设计理念，而VR可以增强BIM的展示效果[20]。BIM+VR将工程模型从可见不可触转变成了可见可触[21]。结合Navisorks的三维漫游，我们可以利用VR技术做到实体参观，监测。

3.4 BIM+人工智能

人工智能是用于模拟及延伸人智能的新型技术，将BIM技术与人工智能相结合通过BIM技术与人工智能构建综合治理平台，将建筑信息模型的数据关联与融合，借助人工智能充分发挥BIM优化性的特点，能够高效筛选出最优方案，缩短项目的工期，提高项目的质量[22]。

3.5 BIM+智慧化

智慧水利是云计算、大数据、物联网、传感器等技术在水利工程中的综合应用。如果将BIM技术与智慧水利进行结合，通过智慧水利平台，能够实现实时、无死角的视频监管以及施工场地多方管控[23]。

4 BIM在水利工程中的应用

4.1 设计阶段

通过BIM技术，可以将水利工程二维图纸转化为参数化的三维模型(见图1)。利用数据交互平台，设计师可利用自己优势行业对该模型进行修改。为满足工程需要，越是大型的水利工程有着越高的要求,利用BIM碰撞检测等能够极大地缩短校核时间，只需在碰撞检测的基础上对模型进行检验校核，这样，就避免设计的错误影响施工结果[24]。

图1 水工建筑模型

4.2 施工阶段

在施工阶段，通过使用navisworks在模型上进行虚拟施工模拟，操作者只需设置工程计划，便可观察到各个工程进度，施工者可以根据施工模拟来实施下一步工作，也可以在这基础上进行造价预算模拟来达到对成本的控制[25]。Navisworks还具有三维漫游功能，方便施工班组了解管线走向[26]。由于BIM技术具有交互性，施工方与设计方能够有着更直接的联系，每一次改动，或施工上理解的差异都能及时交涉，也在极大程度上防止了因施工方对设计图纸误读而产生耽搁。

4.3 运维阶段

运维阶段(运营维护阶段)是整个工程周期中最漫长的部分，也是全生命周期的最终阶段。而BIM技术在运维阶段应用的优势则体现在可溯源性，即在进行构造水工模型时，模型的各个构建的材质都可标明。当出现因零件而产生的问题时，便可翻查模型找到问题所在，防止问题恶化。在建模期间的各种材料数据都有记录，通过查看建筑物全方面信息，可以使工作人员更好地监测水工建筑的使用状态，做到定期维护[27]，还可通过BIM模型整合水利工程监控系统，将各工作状态信息体现在BIM模型中，从而实现对设备的智能监控[28]。

5 BIM应用案例

5.1 上海国际航运服务中心西船闸

图2所示的该项目通过CATIA平台建立出数字模型，首创可拆卸式3D打印实体模型，成功地将数字模型与实体模型结合，使各项目参与方能够更加清晰直观地理解船闸结构。本项目又通过开发的预埋件、预留孔洞验收管理系统(PPIM系统)，围绕预埋件，将项目各负责人以工作流的方式进行管理。再结合预埋件二维码，通过二维码获取预埋件信息，快速精确地完成验收，提高验收效率[28]。该项目通过对BIM的应用与PPIM系统的研发极大地缩短了工期，同时，建模期间的数据又为日后船闸运维阶段提供了便利，降低了成本。

图2 上海国际航运中心西船闸应用模式图

5.2 新疆喀拉托别水电站

该项目将autodesk公司的civil 3D、revit、navisworks等软件作为主要工具，按照不同专业分配任务，再通过autodesk 360与vault结合实现信息交互。通过navisworks进行的碰撞模拟与施工模拟使得设计方与施工方等工程负责人对工程有了更清晰地认识，缩短了工期。Civil 3D在一定程度上能够较为精确的绘制出布设的地形，结合infraworks 360将构建好的模型进行布置，通过3D Maxs等软件进行渲染，结合动画效果使得参与人员有更加直观的感受，该项目的BIM应用模式(见图3)。

图3 新疆喀拉托别水电站应用模式图

5.3 云南澜沧江黄登水电站

云南澜沧江黄登水电站工程由昆明院参与建设，该项目将revit structure、revit architecture、inventor等软件作为主要工具，根据软件不同功能，对任务进行分配。由civil 3D地形处理功能配合AIM(autodesk infrastructure modeler)为枢纽布置、基坑开挖、场内交通等步骤提供了强有力的保障。借助AIM能够将多个设计方案与设计流程整合入三维模型中，模型的每个个体都可以进行独立地修改，有效地避免了重复工作，从而节约了时间，减少了成本[29],该项目的BIM应用模式(见图4)。

图4 云南澜沧江黄登水电站应用模式图

6 结语

当今BIM技术应用不仅是一种技术实现问题，也是管理水利工程行业发展战略层面的问题。从当前水利行业发展的态势分析来看，BIM技术有很大的发展空间，并终将成为水利行业发展的有力工具。BIM技术在水利工程中的应用，除了现有软件的迭代更新以外，建议从培养与储备从业人才、制定行业BIM规范、改善和变革新的管理模式等方面着手，以加快行业内BIM应用的速度。同时，应有效地实现技术的优势互补，将BIM技术与人工智能等新兴技术相结合，以更好地促进水利行业的发展。