基于BIM技术的水利工程全生命周期管理研究

赵 楠，李万渠，陈燕萍

(四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

1 研究背景

根据《全国水利信息化规划》要求，我国从21世纪初正式开展信息化综合体系的建设，与此同时，水利工程建设与管理经历了BIM技术提高设计效率和质量、BIM资源整合等应用之后，进入BIM价值新发现阶段。智慧水利作为现代水利信息化发展的最新形态，将数字技术、信息技术与传统产业融合已成为大势所趋。

水利工程规模大、综合性强、受自然条件约束大、产业链条长、技术复杂，因此，高新技术在水利方面的应用是必然的，也是合理的，也为水利行业降本增效等方面带来无限的机遇和挑战。BIM、GIS、协同平台等三维协同技术在水利行业已有较多的成功应用案例[1-3]，数字孪生、智慧工程等新理念、新技术在水利行业也开始被接受，BIM技术已成为解决复杂水利工程技术难题的重要手段。与其他行业不同的是，由于后期管理和运营的复杂性以及与自然环境紧密的相关性，水利行业的BIM应用一开始就贯穿于工程的全生命周期。

1.1 问题的提出

在建筑业，BIM技术的应用是一场重大的变革，正在如火如荼地开展[4]，M Yalcinkaya[5]提炼出BIM研究方式和发展趋势，LV Berlo[6]针对BIM技术的数据共享及服务器创建进行了深入研究，这些研究均是针对建筑工程，水利工程很难适用。水利水电工程项目建设周期长，工程规模大，涵盖的专业及工作范围要远大于建筑行业，设计工作非常烦琐，图纸信息烦冗、工程枢纽布置复杂、工程量计算不精确、参建各方信息共享水平低等问题，工程项目进展都较为缓慢[7]。利用BIM技术对工程规划设计、施工及运维全过程的控制管理，不仅能提升工程效率、质量和管理有效性，施工成本与安全事故率也能大大降低，在运行和维护过程中也能精准掌握工程情况，及时准确地做出维护方案，极大地节约工程的运维成本。

1.2 研究意义

BIM在水利工程中的应用在设计阶段比较集中，三维协同设计平台发展也比较成熟，但在施工及全生命周期管理方面欠佳。水利工程在实施过程中运用信息技术进行数据采集、共享、集成来提高质量和效率已经是共同目标，但是目前的技术有壁垒也有局限性，项目全生命周期不能实现全阶段、全专业、全员参与。所以此部分的研究对提高水利工程的信息化管理水平和生产效率具有重要的意义。进一步研究现有的信息技术成果，结合建筑信息模型基本理论和水利工程的管理模式和特点，研究面向水利工程全生命周期的全方位、全专业和全员参与的信息模型体系架构，为水利工程全生命周期管理提供理论依据和技术支撑。

2 基于BIM技术的水利工程全生命周期管理研究

2019年中国水利水电勘测设计协会发布首部水利行业BIM团体标准。水利水电工程信息模型(WPIM)指的是在水利水电工程设计、施工、运维全生命周期内，对工程及设施物理特性的可视化承载与数字化表达。水利行业的BIM应用一开始就贯穿于工程的全生命周期，并注重与GIS、三维扫描、无人机、虚拟仿真等技术的结合。通过建筑工程、道路桥梁工程、水利工程等领域的对比以及目前物联网(IOT)、人工智能(AI)、区块链、数字孪生、大数据、云计算等技术的爆炸式发展，水利工程全过程将发生新的变化，即新设计、新建造、新运维。

新设计阶段，在水利工程建造之前，建立数字化联动信息模型，全过程、全方位数字化模拟各部门各专业协同设计、虚拟生产、仿真施工、虚拟交付。新设计阶段最终交付的不只是一个数字化设计模型，还包括传统施工方案和经济比选方案等数字化产品，可实现全生命周期管理的前置控制、水利工程布置、洞室围堰变形破坏模拟、能耗分析、洪水淹没分析等产品个性需求。

新建造阶段即智能建造，将运行、开发、加工生产、物流供应、施工等项目参与单位整合起来，形成基于系统平台和数据的供应链生产线。在此基础上，加工生产、物流供应、材料管理、合同管理、进度管理、成本管理、施工现场管理实现智能交互协作，对整个施工过程实施数字化、全方位、多维度管理，规范建设过程的各个环节，各参与方有效沟通，强化节能环保绿色生态建设。通过BIM+智慧建造、BIM+VR/AR/MR、数字模型与实体工程的数字孪生技术，对人、材、机、环境等生产要素实时追踪、监测、科学分析、合理决策和智能执行，形成“智慧工地”，达到智慧建造目标。通过BIM5D、材料、物流等的一体化管理，实现全供应链、全专业、全参与方的协同，实现施工过程的精细化、智能化、可视化管理。

新运维指的是智慧化的运行和维护管理。有了数字模型和实体工程的双交付，智慧化运维的实现成为了可能。以搭建运维精度的竣工模型为基础，实现模型展示、资产管理、监测管理、定时检查管理、使用功能管理，为运行管理单位提供智慧化运维管理服务。进一步搭建基于BIM+互联网、BIM+云计算、BIM+大数据、BIM+人工智能等高新技术实时监测、分析、控制，达到运维管理的精细化、可视化、智能化，为水利行业赋能，实现节能减排，降低成本、提高收益，实现水利工程及设施的自我管理生命体，使运行达到经济、节能、生态、环保和谐共生。

3 理论与创新应用

3.1 BIM的内涵

人们对BIM的理解，已经从一开始的软件应用过渡到了过程、系统、集成、共享等认知。把BIM分为技术和关系两个含义的话，其中10%是技术、90%是关系，相当于大部分工作是关于“关系”的。这里的关系指的是设计与施工、施工企业与业主、业主与运营，甚至总包和分包之间的关系[8]。这一内涵符合建设工程项目管理的理念。BIM可以理解为在项目规划设计、施工和运营维护期间创建、集成、传递、共享和管理数字化信息的过程，全过程应用三维、实时、动态的模型，涵盖了几何信息、空间信息、地理信息、各种构件、部品部件的属性信息及工料信息。

3.2 BIM与高新技术

VR、AR、MR提升了BIM的应用效果并加速其推广应用，BIM技术与虚拟现实技术集成应用，主要包括虚拟场景构建、施工进度模拟以及交互式场景漫游。虚拟现实或增强现实等技术应用于水利工程数字化建模过程中，以Unity3D平台为基础，借助3DMax、Maya、Vuforia、ARCore等技术，实现水利工程场景建模、展示以及虚拟浏览等三大功能[9]，对建设完成的水坝、泵站、电站建筑物、河道等进行直观的展示，使管理者可以置身其中了解各个结构的细节构造以及运行机制。有效地对设计及施工起到纠偏作用，提高了管理、设计、施工的科学性与高效性，同时也可为水利工程的科普教育、参观、宣传打下基础，提升整体水利工程的智能化水平[9]。

云计算技术可将BIM应用中计算量大且复杂的工作转移到云端，以提升计算效率；基于云计算的大规模数据存储能力，可将BIM模型及其相关的业务数据同步到云端，方便用户随时随地访问并与协作者共享[10]，与此同时，可以帮助设计师尽快地在不同的设计和解决方案之间进行比较。

BIM与数字化技术相结合，通过对地形、水工隧洞、水工设备等进行三维激光扫描，以获得早期的数据，便于项目的分析、规划设计、未来施工和运维管理。

3.3 BIM与项目管理模式

集成产品开发模式(Integrated Product Development，简称IPD)，是基于BIM项目管理的理想模式，在该模式下，业主、设计、总包、分包等参与方通过签署协议，在设计阶段就参与到项目中，通过应用BIM技术进行虚拟建造，共同对设计进行改进，并共同分享收益或风险。

3.4 BIM的特点与优势

(1)可视化。把建筑及构件，环境条件，包括相关设施及设备材料的施工方案和建造过程以三维方式直观呈现出来。实践证明，可视化是工程建设过程中一项非常重要的内容。

(2)参数化。赋予各构件参数化图元，通过参数的调整来改变和区分各构件，改变模型中的参数就能重新构建和分析模型。

(3)模拟性。BIM的模拟性包括设计阶段将虚拟建筑模型、环境等信息导入到相关建筑性能分析软件，借助这些信息和规则等设置，计算机可以按照要求自动完成性能分析过程，给予所需的分析结果，与人工相比较，可以缩短分析时间，保证质量。

(4)协调性。BIM的协调不仅包括各参与方内部的协调，各参建单位之间的协调，还包括数据标准的协调和专业之间的协调，即借助即时BIM模型(修改具有可记录性)，在一个数据源基础上，可以大大减少矛盾和冲突的产生，这是BIM最重要的特点和在实践中发挥广泛作用的价值体现。

(5)优化性。BIM不仅可以解决信息本身的问题，同时，还具有自动关联功能和计算功能，能够最大限度缩短过程时间，支持有利于相关方自身需求方案的制订。

(6)可出图性。运用BIM技术，除了能够进行建筑平、立、剖及大样详图的输出外，还可以在碰撞报告的基础上，出经优化后的综合管线图、综合结构留洞图(预埋套管图)、构件加工图。

(7)一体化。BIM不仅包括几何信息、材料、结构、性能信息等设计阶段信息，还包括建造过程信息和运维管理信息等，这些信息可由不同参与方建立、提取、修改与完善，支撑对项目全寿命周期的管理。

3.5 创新应用

BIM技术在数字化发展方面的有效作用是显而易见的，成为水利工程新的蓬勃动力；BIM+GIS、BIM+VR/AR/MR、数字孪生等高新技术在水利工程中得到广泛应用；基于BIM的工程建设管理平台、工程数据中心，有效支撑工程建设管理、控制工程质量。创新应用在以下几个方面比较突出。

(1)数据库技术。数字化产品成为项目交付目标，项目所有构件的实体和功能特征都储存在数据库中，项目各参与方及具体人员与技术工具间信息交换障碍清除了，设计和施工更加协调。整个项目有一个“数字化备份”，为后期运营和维护提供安全、可靠保证。

(2)分布式模型。在分布式BIM环境下，建筑信息模型分阶段、分专业、分精度，通常由不同的单位负责制作，主要有设计模型、施工深化模型、建造(生产/制造/加工)模型、施工管理(ND)模型、运维模型。BIM数据库技术存储各个BIM智能对象的信息，根据需要将该数据特定的子集“公布”给分析工具，这是一个无缝、快速、高效的过程。

(3)工具与程序的结合创造了BIM的价值。BIM是一个功能强大的，综合了模型和分析功能的工具，拥有一体化、兼容性的程序。

(4)BIM技术应用的实施。BIM应用是全过程应用，而不能只应用于局部，否则各阶段的成果容易形成“信息孤岛”，需要从政府和业主出发，建立统一的政策指令和技术标准，做好行业顶层设计，以建设单位为核心对BIM应用进行统筹管理，加强项目各参与方的协作能力，推动BIM的全过程应用。族库的建立是构建模型的基础，利用BIM+互联网环境，建立水利工程族库管理平台，形成水利工程以族命名的统一标准，加大族在不同项目之间的适用性，实现项目级族库向企业族库跨越。

4 BIM技术在水利工程中的应用分析

4.1 规划与设计阶段的BIM应用

水利行业的BIM应用一开始就贯穿于工程的全生命周期。在规划设计阶段就要构建全生命周期管理模式和平台，提出全生命周期整体解决方案。水利工程设计施工一体化逐步形成新的模式，以数字化产品交付为目标，以正向数字化设计理念为原则，智能建造为主体，智能运维为根本，融合各参与方，多维数字化模型，全方位感知设备，智慧分析与决策的整体解决方案。

4.1.1 可视化、联动化、多专业协调设计

基于BIM软件的三维模型，能够准确出图，包括各工程的剖面图以及详图，提高设计工作效率。令人振奋的是BIM建模，具备联动功能，一处更改，所有模型、视图、剖面图及详图自动更新，减少设计修改带来的联动修改。众所周知，水电站设计中各专业设计冲突时有发生，BIM模型联动实时更新在减少碰撞冲突、设计变更方面的突出贡献不言而喻。另外再结合有限元计算，实现设计的系统分析，更高效率地实现设计的校核与优化。BIM的应用，不仅大大提高了效率，还可以有效避免不必要的错误[11]。下面系统介绍规划与设计阶段的BIM应用。

水利工程的规模大，一旦发生变更，带来的变更数据也是庞大的，全生命周期管理理念贯穿始终的优势比较明显。在规划设计阶段，根据基本资料，建立三维地形地质模型，然后多专业在线协同设计，这种协同有跨部门的也有专业间的，融合了大量的计算分析过程，项目管理层可以在后台在线进行设计进度管理，设置最终交付成果，如图1所示。

图1 3DE正向协同设计

4.1.2 标准化设计

水利工程全生命周期理念是建立BIM信息模型的基础，标准化信息分类是实现水利工程信息模型的关键，集成管理系统平台是实现全生命周期管理的方式。在水利工程BIM技术应用中，首先要构建标准体系，逐层分级实现标准化作业流程、规范化设计、多元化信息收集、常态化企业管理。在工程数据收集、共享、传递的基础上，形成工程数据中心(PDM)，如图2所示，为水利工程全生命周期管理提供数据基础和技术支持。在团体标准《水利水电工程设计模型交付标准》《水利水电工程设计信息模型存储标准》《水利水电工程信息模型分类和编码标准》等标准的基础上，完善并丰富企业级标准资源库，实现标准化设计，如图3所示。水利工程的BIM设计技术标准是实现设计施工一体化、多专业协同设计的关键。故建立通用和专用的三维建模标准，多专业协同设计技术标准及管理技术标准数字移交系统技术标准等是非常有必要的。

图2 BIM数据中心

图3 企业级资源库

4.1.3 水利工程BIM模型的构建

水利工程中搭建数字化地形BIM模型和水利工程建筑物BIM已是常态。BIM+GIS、AutoCAD Civil3D、三维扫描、无人机等技术，可以实现精准的三维水利枢纽布置、施工总体布置及规划、场内交通、渣场料场布置、生活区及办公区的营地布置；提供准确的土方开挖、运输和填筑施工图和工程量；提供准确的可视化施工导截流设计方案并实现数据关联。水工建筑物的BIM模型。参照建筑工程BIM模型精度，根据模型应用的阶段来确定水工建筑物模型的建模精度。全专业建模中，土建模型先行，利用Revit进行水工建筑物的土建建模，实现其参数化设计，完成水利枢纽总体布置。机电和金属结构模型在土建模型的基础上，利用Revit同时完成各自专业的设计。

4.1.4 无人机实景勘测与BIM结合

为了满足水利工程全生命周期的运维管理需求，可以利用无人机单镜头大重叠摄影与多角度倾斜摄影联合作业模式，为水利工程进行数据分析、策划设计、施工与安全质量管理等，采用影像匹配，彩色点云数据技术和三维网格优化算法，实现自动三维重建、纹理映射、连接点重构纹理和重建约束，快速建立高精度水利工程的实景三维模型，结合BIM技术为水利工程进行全生命周期管理提供技术支持。

4.1.5 多专业协同设计及三维出图

在水利工程BIM应用中，可以实现地形、土建、机电、金属结构等全专业三维协同设计，优化比选出最优的水利枢纽布置方案、施工总布置方案、厂房机电布置方案等数字化模型，从而实现数字化设计、校审、碰撞、分析、算量、工程出图、施工仿真、移交等系列全生命周期管理应用。

苏阿皮蒂水电站工程从可研阶段、初设阶段直到施工图阶段，模型在逐步地丰富和细化，图纸量达700多张，模型大小3.2G，经估算，设计效率至少提高40%。

4.1.6 数字移交

BIM应用是全过程的应用，而不能只应用于局部，否则各阶段的成果容易形成“信息孤岛”。以数字化BIM模型为基础，针对不同的需求对数字化模型进行二次建模，添加模型的功能、属性等信息，形成能够用于施工及生产管理的数字化产品，使承载在模型上的信息在水利工程的全生命周期中能发挥作用。BIM的全过程应用需要从政府和业主出发，以建设单位为核心对BIM应用进行统筹管理，加强项目各参与方的协作能力，从而推动BIM的全过程应用。

4.2 施工阶段的BIM应用

BIM技术下的全生命周期管理，改变了工程项目的重心，数字化交付模式大大减少了设计变更产生的系列负面效应，这使得项目的施工阶段有更多的精力做出科学合理的施工计划和施工组织方案，减少工期延误，材料浪费等问题。施工阶段的BIM技术应用可以从技术应用和管理应用两个角度来看，一是使用BIM技术对项目进行BIM施工深化设计、施工方案预演、模拟关键施工过程等，提高施工的规范性，降低返工风险，保证施工质量；二是以BIM模型为基础，加载相应的管理功能，实现进度管理、成本管理、质量管理、安全管理、竣工管理等。

4.3 运维管理阶段的BIM应用

水利工程在交付使用后的运维时间比较长，运维阶段占据全生命周期管理的绝大部分，运维工作在技术对接、协同管理方面难度比较大。BIM与GIS、无人机、物联网、大数据、水利专业模型等技术融合，实现数字化成果交付和一体化集成应用，给运维管理工作带来了无限的挑战和机遇。经过现场复核后的实际竣工模型是构建运维模型构件的基础，不但要注重模型的准确性还应注重模型的信息深度。搭建具有数据层、功能层和扩展应用层的系统平台是这部分的核心工作，运维系统平台可选择专业的运维平台，也可结合现有BIM软件集成数据库自主研发。所以BIM运维管理平台除了可以实现三维可视化以外，还可以显著提高运维管理的工作效率和质量。

5 结语

BIM技术是实现水利工程全生命周期管理的重要手段和有效方法，根据目前政府推动BIM发展的政策层面来讲，BIM技术的应用也将会大力运用到水利工程建设领域，历经技术密集、理念突破、工程实践的洗礼之后，“一个平台、一个模型、一个数据架构”的技术理念将成为主导，成为整个项目的目标。