水电工程B IM 模型交付及深度应用解决方案

刘建秀，苏文哲，陈 特，熊江陵

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.湖南省BIM 工程技术研究中心，湖南 长沙 410014）

引言

建筑信息模型（Building Information Model,简称BIM）是以三维模型为数据载体，能够随着工程全生命周期的发展而孪生共长的信息综合有机体，宜于结合时间和成本要素构成四维、五维的信息体，实现对工程进行完备、全面、一致的描述。近年来，BIM 技术在水电工程的设计、施工、运维阶段得到了快速发展[1，6，8，9]。因参与方、软件、管理维度等差异，各阶段对模型组织方式和信息深度的诉求是不一样的。跨阶段的数字化交付作为一个日渐突出的问题引起了业内广泛关注。常用的交付方式有基于平台的一体化交付[5-7]，上游阶段提供模型应用和数据集成平台，和模型一同交付；基于模型文件的交付，包含几何信息、属性信息和文档信息的文件式交付；还有基于二维图纸的交付，从模型中提取二维图纸，按照传统方式进行应用和管理。其中，基于平台的交付集成化程度高，但是一般很难实现与业主已有业务系统的功能集成；基于模型文件的交付，格式一般是通用的三维格式，例如IFC 格式，在水电领域常会存在信息表达不完整的情况。

由于水电工程领域的模型大多是非标准化的，且工程建设进度受地质和环境等影响比较大，交付需求尤其是模型的拆分和引用参照关系是很难在一开始就明确的。在模型交付应用之后，仍需对模型进行频繁拆分或重组[3-4]，多次更新之后，对信息的追本溯源带来极大困扰。此外，针对不同应用场景，例如造价估算，无法方便地按照造价专业的需求基于同一套模型进行造价场景构建。从编码、模型重组和交付引擎入手，提出支持模型交付及深度应用的解决方案，可以实现对模型的有效传递，在模型版本更新过程中保持对数据的有效跟踪。

1 数字化交付

数字化交付的核心内容包括三维模型、数据、文档及其关联关系，文档可以抽象为标识码作为模型的一类数据进行管理。根据《水利水电工程信息模型设计应用标准》[2]，水电工程信息模型应包括：a.模型单元几何信息及其表达精度；b. 模型单元属性信息及其信息深度；c. 模型单元的关联关系；d. 属性值的数据来源。在此研究模型几何和属性更新过程中的数据问题，实现以模型为中心的跨场景应用和数据跟踪。水电工程信息模型单元分级结构见表1。

基于模型的交付和应用需要满足表1 所示的模型单元分级应用需求。

1.1 可扩展的编码体系

在表1 中，构件级模型和零件级模型是有实体模型的，数据和模型可实现一一对应；而项目级和功能级模型对应工程的全局信息或空间信息，例如工程位置、装机容量等，一般会采用抽象模型或逻辑模型，将整个项目模型看做一个逻辑整体，承载全局信息。为了建立以模型为中心的数据有机体，提出的编码体系见图1。

图1 针对模型构件的编码体系

表1 水电工程信息模型单元分级

图1 中的模型可以表示物理模型，或是一个符号化的逻辑模型。对每个模型在不同的应用场景、阶段，分别设置场景识别码，例如设计编码PBS、施工编码WBS 等，每一个识别码对应一套数据信息。一般而言，模型在不同场景下，几何和工程信息的组织维度是不一样的。

图2 以模型A 为例，展示了随着工程阶段的进展，模型信息渐变生长的过程。其中，深色和透明色分别表示模型的几何和信息变化。模型以几何构件和编码体系为最小生成单元，在设计阶段赋予设计编码PA。在施工阶段，由于管理维度的差异，对模型A 进行了几何和属性的拆分，每一个子构件都继承原有的设计信息PA，并赋予新的施工编码WA1、WA2 和WA3；受施工进度的影响，A2 和A3 需合并施工，仍保留设计编码不变，合并施工编码。在运维阶段，需要对3 个构件A1、A2 和B 进行合并管理，由于3 个构件有不同的前期信息（设计信息PA 和PB，施工信息WA1、WA2 和WB），对模型进行逻辑合并为O，其中子构件的运维码都设置为O，对应同一套运维数据。在本编码体系下，构建了不同应用场景下的信息关联，可以方便地在任一阶段关联该模型的历史数据。

图2 不用应用场景下模型编码

除此之外，对于逻辑模型的数据组织方式，通过设置逻辑树来实现数据关联，每一个树节点可对应逻辑模型或实体模型。根据应用场景的差异，可以加载不同的逻辑编码树，实现基于同一套模型，输出适配差异化场景的数据体系。

1.2 模型拆分与重组

模型深度应用主要通过对模型进行重组来匹配管理和应用的维度，在该过程中需要保持模型和数据的一致性。编码体系可以解决模型上不同场景的数据跟踪问题，但是解决不了几何相关的变更，主要体现为对模型的拆分或重组，以及因为拆组而带来的信息继承、重构、更新，例如体积、面积、工程量的变化等。在处理拆分时，使用物理拆分；处理重组时，如果待处理的构件具备相同的非当前场景识别码，采用物理重组，否则采用逻辑重组。

图3 为MicroStation 软件上的模型编辑工具效果展示。设计阶段的模型有编码和衬砌2 个类别的信息，其中，编码类是数据关系的纽带，按照1.1 节中内容进行管理。衬砌类为设计属性，其中计量要求分组里的字段标记为需要与模型更新同步的属性。使用本研究开发的模型拆组工具配合拆组规则库，可以实现拆组后，保留原有阶段信息不变，并同步更新计量字段。

图3 模型拆分与重组的数据关系

1.3 BIM 轻量化引擎

影响BIM 模型深度应用的问题，除了错综复杂的数据关系，还有模型的表现方式和表达效率。模型的创建一般是与设计软件深度绑定，例如Bentley 公司的系列软件适用于大体量模型，多用于土木工程设计，Autodesk 公司的Revit 软件对标准化程度比较高的建筑领域具有很高的适配度。模型交付后，需要提供给参与各方使用，过度依赖设计软件的特性会限制其应用。本研究提供一种基于WebGL 技术的轻量化引擎[10]，可满足去平台化，在浏览器端运行，且支持对水电工程大体量模型的快速加载和流畅操作。引擎可作为交付产品独立运行，或嵌入其他业务系统中运行，应用可见第2 节。

2 电工程数字化交付应用案例

本节以某水电站扩机工程为例进行项目应用。该电站位于沅水干流中下游，主要建筑物包括岸塔式进水口，单洞单机引水隧洞、上游调压室、岸边式地面发电厂房，扩机工程装机容量50 MW(2×250 MW)。选择该工程主厂房的支墩模型为例进行介绍。

2.1 设计模型与工程数据的关联组织

在设计阶段，根据《水电工程BIM 应用标准 第1 部分：分类和编码标准》，工程对象的设计编码将由标准中的表10、表12 和表14 共同确定：

图4 的构件树目录中“[]”显示当前节点的编码。进行设计编码的数据处理流程为：在软件中打开构件树菜单，通过刷新按钮同步数据库，获取当前项目的设计树结构，各专业人员在专业内进行模型组织，选中某个节点，通过挂接或卸载绑定模型与数据的关系。可通过刷新按钮，同步本项目的所有专业数据树。

图4 尾水管层主厂房-设计结构树

2.2 模型深化应用

对于本例中的两个支墩(0032 和0033)，在施工阶段对其组合，施工编码均为15-21.0101.0501.011，见图5。

图5 尾水管层主厂房-施工结构树

图5 显示了带编码的施工分解结构。如果深化应用阶段存在模型的拆组，可按照1.2 节中内容进行处理。

2.3 数据跟踪

将上述结果显示在BIM 轻量化交付引擎中，见图6。

图6 中厂房专业的完整模型以透明模式显示，高亮为支墩模型，右侧信息面板显示其信息，有设计信息、工项信息和造价信息。

图6 厂房专业模型中支墩的数据信息

3 结论

基于BIM 模型的数字化交付目前尚处在探索阶段，需求和内容都处在不断更新和适应中。落实到具体项目，则是根据业主需求，协商具体实施方式，是一个开放的话题，本研究提供了一种灵活性较高且能解决数据跟踪问题的方法和成果，可应用于水电工程这种标准化程度较低领域的模型交付和深度应用，具有一定的推广价值。