BIM技术发展现状及其在南水北调工程中的应用

关炜，孙庆宇，朱清帅

(1.水利部南水北调规划设计管理局,北京100038；2.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局,河南 郑州 450016)

1 BIM技术概况

1.1 BIM概念

BIM(Building Information Model)是“建筑信息建模”的简称，是BIM最初的定义，起源于20世纪70年代的美国。在计算机辅助设计(CAD)等技术基础上发展起来的多维模型信息集成技术，能够有效地实现建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达。

1.2 BIM技术特点

1.2.1 操作的可视化

可视化是BIM技术的最显而易见的特点。BIM技术的一切操作都是在可视化的环境下完成的，在可视的环境下进行设计、施工模拟、方案比选及运行维护等一系列的操作。其附带的信息(几何信息和属性信息)为可视化操作提供了有力的支持，不但使一些比较抽象的信息(比如应力、温度、设计标准等等)直观的表达出来，还可以将设施建设过程及各种关系生动的表现出来。

1.2.2 信息的完备性

建筑信息模型是其物理特性和功能特性的数值表达，如对象的名称、结构类型、建筑材料、工程性能等设计信息，施工工序、进度、成本、质量、材料等施工信息，工程安全性能、材料属性等维护信息，以及对象间的逻辑关系等。信息的完整性还体现在创建建筑物信息模型的过程，通过把前期策划、设计、施工、运维等各个阶段都可以连接在一起，并都存储进单一工程数据源中，该数据源包含了建筑设施的所有信息。

1.2.3 信息的协调性

信息的协调性体现在数据之间是实时的、关联的，同时还能智能互动，这给建筑工程带来了极大的方便，各种平、立、剖等2D图纸以及相应的数据图表都可以根据模型随时生成，同时数字模型的所有图纸和图表均互相关联，任何一处模型修改，都会视为对数据库的修改，马上在其他的视图或图表上实时关联，避免了设计阶段不同专业的冲突。施工阶段可以通过应用BIM技术合理安排施工计划、工序，保证整个施工过程衔接紧密、合理，使施工更加高效。

1.2.4 信息的互用性

实现了信息的互用性，只需要一次性采集或输入，就可以应用在建筑设施的全生命周期中，不同专业、不同品牌的软件应用中实现信息共享、交换与流动，使BIM模型能够自动演化，避免了信息的不一致错误，也避免了数据不同阶段的重复输入，节约成本和时间，减少错误，提高效率。

BIM技术实现了使项目信息无障碍共享，无损耗传递，为项目全生命周期中所有决策及生产活动提供可靠的信息基础，提高项目全过程精细化管理水平，从而大幅度提升项目效益。

1.3 BIM主要平台

①Autodesk公司的AutoCADCivil3D平台是面向土木工程行业的建筑信息模型解决方案；②Bentley公司以MicroStationV8i为代表的BIM平台，实现项目的设计、建模、可视化、文档制作和测绘；③Dassault公司BIM平台主要产品为CatiaV5，被广泛地应用于汽车、航空航天、轮船、军工、仪器仪表、土木工程、电气管道、通信等行业；④GIS平台:GIS即地理信息系统(Geographic Information System)是基础的设计资料，是BIM技术一个基础平台和重要的工具。

2 BIM技术发展现状

2.1 国外发展现状

BIM技术从提出到逐步完善，再到工程建设行业的普遍接受，经历了几十年的历程，BIM技术应用在欧美及其他发达国家已经相当普及，并得到各国政府的大力支持。在美国，大多建筑项目已经开始应用BIM，BIM的应用种类繁多，而且存在多种BIM协会，也出台了各种BIM标准，美国总务管理局于2003年推出了国家3D-4D-BIM计划，并陆续发布了系列BIM指南。美国建筑科学研究院旗下的BuildingSMART联盟负责BIM应用研究工作，2012年工程建设行业应用BIM技术的比例高达71%；在英国，政府明确要求2016年前实现3D-BIM的全面协同；在挪威、丹麦、瑞典等北欧国家，自2007 年起，就强制要求建筑设计部分使用BIM，其他设计部分逐步实现BIM ，目标是全面使用BIM；在日本，政府高度重视建筑信息技术，以福井计算机株式会社为主导，成立了国家级BIM软件联盟。不过，BIM技术目前在国外更多在建筑行业全生命周期中的运用，水利行业应用较少。

2.2 国内发展现状

自BIM技术被引入中国以来，在工程建设领域掀起了变革性的浪潮，被誉为CAD之后工程建设领域的第二次革命，随着BIM技术应用的普及和深化，彰显了巨大的社会价值和经济价值。BIM在中国的发展经历了概念导入、初步应用、快速发展三个阶段。概念导入阶段(1998—2005年)，主要是进行BIM标准的研究，BIM概念逐渐被政府部门、设计及施工单位接受；初步应用阶段(2006—2010年)，理论上对BIM技术进行初步研究，同时在奥运场馆、上海世博会等一些示范工程上进行了试点应用；快速发展阶段(2011年—目前)，2011年是中国的“BIM元年”，2011年5月，住建部发布《2011—2015年建筑业信息发展纲要》，不仅国家政策层面上开始明确支持BIM，各级地方政府也积极协同推进BIM应用，截止2017年9月，全国32个省、市、自治区发布了104项关于推进BIM应用指导意见和相关政策，BIM技术真正成为中国建筑信息主线，BIM技术快速发展，并开始在“武汉中心”、“北京中国尊”、“港珠澳大桥”、“包头茂名高速”等大量工程中应用。

2.3 BIM技术在水利水电行业发展现状

水利水电行业BIM技术的应用探索大致从2003年左右开始，主要为单专业的建模。2008年后水利水电行业BIM技术发展迅速，从单专业的建模到多专业协同设计，到2013年以后开始逐步应用到施工建造和后期运维，应用领域涵盖规划、设计、建造及运维等工程建设全生命周期。水利行业的三维协同设计研究工作以中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司、昆明勘测设计研究院有限公司及水利部委黄河勘测规划设计有限公司、长江委设计院等部属大院为首分别开展基于Revit、Micstation、Catia平台的BIM应用及研究。从2008年左右开始应用于部分水利、水电工程项目设计。2008年后水利水电行业BIM技术发展迅速，从单专业的建模到多专业协同设计，到2013年以后开始逐步应用到施工建造和后期运维，应用领域涵盖规划、设计、建造及运维等工程建设全生命周期。

2016年10月，中国水利水电勘测设计协会在北京发起成立了水利水电BIM联盟(CWHBIM)，成员包括水利部水利水电规划设计总院、水电水利规划设计总院、华东勘测设计研究院有限公司、昆明勘测设计研究院有限公司、黄河勘测规划设计研究院有限公司、长江勘测规划设计研究有限责任公司、河南省水利勘测设计研究有限公司等37家设计单位，以及欧特克(中国)有限公司和达索析统(上海)信息技术有限公司2家战略合作伙伴，联盟旨在推动BIM技术在水利水电行业的发展，推进水利水电工程建设行业BIM应用。

目前，在BIM技术基础上，结合互联网、GIS应用平台、虚拟现实技术(VR)、3D扫描技术等，水利行业正在向BIM+思维深度拓展。

3 BIM技术南水北调工程应用案例

南水北调工程是中国的战略性长距离调水工程，总体布局分为东、中、西三条线路，分别从长江上、中、下游调水，以实现中国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局。东、中线一期工程分别与2013和2014年底分别通水，虽然在规划、设计及建设期并未应用BIM技术，但随着南水北调一期工程运行需要，相关单位已将BIM技术在南水北调配套工程建设、运行管理及后续工程规划中逐步开展了应用。

3.1 在水库规划设计中的应用

为满足南水北调中线工程应急调蓄需要，开展了某调蓄工程的规划设计研究，该规划研究难点在于工程处于前期决策阶段，前期资料相对匮乏，涉及已建工程、拟建工程、已建工程的改扩建等总体布局问题。

项目通过无人机获得三维实景地形，然后创建调蓄水库BIM模型，将工程区周边的规划情况表现在工程中，再通过BIM技术进行渲染，将工程完工后虚拟实景可视化展现出来，实现了设计思想所见所得，对项目决策起到很大支撑作用，见图1、图2所示。

图1 无人机航摄技术生成原始模型成果图

图2 工程建造成后虚拟实景图

3.2 在石门河倒虹吸洪水影响分析中的应用

南水北调中线石门河倒虹吸位于太行山南麓地区，该地区降雨特点是历时短洪量大，加之倒虹吸工程在建设之初的地形地貌与工程建成后也发生了较大变化，为全面了解现状左岸洪水对石门河倒虹吸可能造成的淹没风险、冲刷风险、渗透破坏风险等，利用BIM技术对洪水影响进行了模拟分析，见图3、图4及图5所示。

图5 石门河行洪通道附近流场分布图

3.3 在工程运行维护管理中的应用

南水北调中线干线工程线路长1 432 km，有渡槽、倒虹吸、河渠交叉建筑物、节制闸、泵站等各类建筑物2 000余座，为保障中线干线工程正常运行及供水，运行管理单位为此设置了45个现地管理部门，各类运行管理人员约2 000人，如还采用传统巡视维护方式，人工巡查、统计、报送存在信息传递慢、统计查询难、巡查维护工作不易监管等问题，巡检质量和效率无法保证，不能满足精细化管理及突发事件处置要求。

为提高中线干线工程运行管理信息化水平，运用BIM技术开发了南水北调中线工程巡查实时监管系统，主要功能包括人员管理、巡查和维护任务管理、问题管理等，通过该 “巡查监管系统”可实时掌握中线干线工程各类设施设备的运行状态，设定固定的人员巡查时间及路线并进行监督考核，对发现的巡查问题形成上报-受理-处理-消缺的完整闭合环，自动生成巡查记录、维护记录、问题缺陷统计等文档，达到“巡检有计划、过程有监督、事后有分析，处理可追踪”的数字化、精细化、智能化管理。同时，利用BIM技术建立的南水北调可视化查询系统，将工程建设阶段相关设计信息进行挂接，实现部分工程信息可视化查询。

该系统实现了工作人员实时位置信息，显示了所有设备设施的运行维护状况，建立了固定的运行管理路径，集成了主要建筑物规划设计信息，满足了南水北调中线干线工程运行管理智能化需要，为工程安全稳定运行提供了支撑，见图6、图7及图8所示。

图6 巡查系统操作界面图

图7 巡查系统问题统计报表图

图8 南水北调工程渡槽信息可视化属性查询图

4 结论

通过对BIM的发展和应用现状的研究，可以得出如下结论：①国外比国内起步早，技术相对较为成熟；从行业应用成熟度看，制造、建筑、交通行业BIM发展水平比水利行业发展高；从国家政策和行业标准看，国家正大力推广BIM技术应用，出台了相关政策和标准，水利水电行业相比其它行业相对落后。②BIM技术代表一种全新的项目管理模式，并不仅仅是一次技术手段的升级，已全面应用于工程的全生命周期，规划阶段应用BIM技术，可以形象展示设计思想及意图，为项目决策提供有力支撑后；设计阶段应用BIM技术，通过协同设计减少设计冲突与误差，提高设计质量和效率；施工阶段应用BIM技术，通过工程建设模拟和实时更新材料信息，能显著提高工程进度管理及工程投资控制；运维阶段应用BIM技术，通过建立完备、准确的工程信息库，提高信息化管理水平。③国家重大战略南水北调工程采用BIM技术是可行的也是发展的必然趋势，结合BIM技术优势及特点，还可在南水北调工程的档案数字化管理、运行调度水资源配置管理、智能化运行维护管理、数字化工程风险预警，以及南水北调东、中、西后续工程规划、设计、建设中推广应用，进一步提供工程科技含量，全方位提升南水北调工程建设管理水平。