我国水利工程中 BIM 应用现状及障碍研究

2017-11-07王明明陈代果西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳621010

绿色建筑 2017年1期

王明明，姚勇，陈代果（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010）

Application of BIM in China Water Project and its Obstacles

王明明，姚勇，陈代果（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010）

伴随全球制造业迈向工业4.0的步伐，建筑信息模型（BIM）正引领着建设行业的第二次革命，然而工程技术人员对BIM在水利工程中的应用情况及现存障碍尚认识不足。结合BIM技术在国内水利工程中的应用情况，对阿海水电站、南水北调中线工程等典型工程BIM应用情况进行比较分析，并对国内水利工程中应用的主流BIM软件进行分析，探讨BIM在国内水利工程中的主要应用障碍，从政策环境、技术环境、行业环境 3 个面为BIM的推广应用提出，相关对策与建议。

水利工程；BIM；应用现状；应用障碍

水利工程是我国国民经济和社会发展的重要物质基础。其在防洪、减灾等方面对国民经济的发展做出了重大的贡献，同时在发电、灌溉、生态等方面发挥着巨大作用。水利工程项目规模大、难度高、周期长，且大部分项目位于深山峡谷之中，地形地质条件复杂、空间有限；同时，项目施工作业涉及多专业、多环节、多利益方。这些都给项目的施工组织管理和施工过程的动态控制，带来了极大的挑战。据国家发改委报道，2016 年我国在建的重大水利工程投资规模保持在 8 000 亿元以上。然而目前传统的水利工程设计、施工、运维阶段的运作流程及管理模式存在缺陷，使水利工程行业生产效率的提高受到了很大的限制。另外，水利工程在全生命周期内设计效率低、各阶段信息流失严重、信息共享管理水平低等问题，已使传统管理模式无法适应客户及行业需求，新技术的引入、模式的改革势在必行。

BIM(Building Information Modeling) 是建设行业一种新的理念和技术。其思想源于 20 世纪 70 年代，由美国佐治亚理工大学教授 Chuck Eastman 教授提出。美国国家 BIM 标准将 BIM 定义为：“设施物理和功能特性的数字化表达”[1]。自 2002 年 BIM 概念进入中国以来，对 BIM 的应用及研究得到了快速发展，除了在建筑工程领域的应用，BIM 技术也已应用于公路、桥梁、地铁、水利等工程项目中。BIM 技术应用于水利工程领域后，被业内称为水利工程信息模型 (Hydro BIM) 或水利水电工程图形信息模型(HPIM，Hydropower Project Information Modeling)。我国 BIM 技术的发展仍处于初级阶段，在水利工程中的推广程度更是不够。基于此，本文对 BIM 技术在我国水利工程中的应用现状及障碍进行了调查研究，并提出了应对建议[2]。

1 我国水利工程领域 BIM 应用现状

BIM 是一项全新的理念和技术，必将成为全球建设行业未来的潮流。在欧美等发达国家，应用 BIM 项目的数量已经超过传统项目的数量。而我国起步较晚，当前的 BIM应用率尚不高。我国水利工程行业 BIM 技术的应用以设计阶段为主，而在施工阶段的应用鲜有报道，在运营阶段应用BIM 技术更是无从谈起。所以，BIM 技术在水利工程中的研究和探索势在必行且任重道远。

1.1 BIM 在国内水利工程典型项目中的应用分析

McGraw-Hill 公司将 BIM 定义为：“创建并利用数字模型对项目进行设计、建造及运营管理的过程”。BIM 技术的应用可以有效解决建设项目各阶段及阶段之间信息传递损失、沟通不畅等问题。我国对于 BIM 的研究及应用起步较晚，尚处于起步阶段，可查的水利工程 BIM 应用项目较少。现将近年来水利工程中应用 BIM 技术的典型案例汇总，如表1所示[3]。水利工程具有体型大、周期长、参与方众多、多专业协作、结构复杂、多地下工程等特点，BIM技术在水利工程中的应用可以发挥其最大价值和效益，解决周期长及参与方众多造成的信息传递损失、参与方多带来的协调工作量大等问题。BIM 技术在水利工程设计阶段的应用已初见成效，在施工过程的动态演示及信息查询方面也有所进展，同时也存在诸多问题[4,5]。

表1 我国近年典型水利工程 BIM 应用案例

1.2 BIM 在水利工程中的应用软件分析

理论和技术的应用都需要依赖于一定的工具。软件正是保证 BIM 技术得到推广应用的不可或缺的工具。BIM 在水利工程中的应用涉及不同的参与方、不同的专业和不同的阶段，会涉及众多的软件，绝不是一个或一类软件可以解决的。美国 Building SMART 联盟主席 Dana K. Smitnz断言：“依靠一个软件解决所有问题的时代已经一去不复返了”[6]。当前，BIM 软件以国外开发的软件为主流，国产 BIM 软件非常稀少，国内工程也主要应用国外的 BIM 软件。但是，国外软件不能完全符合中国的国情、使用习惯及规范，同时也给信息安全带来了隐患。下面分析国内市场上较有影响力的 BIM 软件，并介绍其在水利工程领域中的应用情况，从而更深层次地了解 BIM 在水利工程中的应用。

(1) Autodesk 系列。2002 年，Autodesk 公司收购Revit 公司后，提出了 Building Information Modeling (建筑信息模型)这一术语，旨在实现全方位"建筑工程生命周期管理"。Autodesk 公司的 Autodesk CAD 软件在过去 30余年中，已被建筑工程技术人员接受并应用于工程实践中，其 BIM 解决方案所包含的软件符合 CAD 的使用习惯，易被工程人员接受。

图1 为 Autodesk 产品在水利工程设计阶段的使用及其对应专业。设计阶段的水力参数、结构计算由其他专业软件辅助完成，施工进度管理中常配合 P3、Microsoft Project 实现。中国水电顾问集团下属的北京院和昆明院均引进了 Autodesk 的 BIM 产品。

图1 水利工程设计阶段所用BIM软件

(2) Bentley 系列。Bentley 产品在工厂设计和基础设施领域有无可争辩的优势。中国电建集团华东设计院自2004 年已引入 Bentley 产品，已在 30 余项大型工程中全面使用。

(3) Dassault 系列。达索公司为建筑行业提供了全流程 BIM 解决方案，涵盖建筑行业所涉及的项目全生命周期，可满足用户在各个阶段对 BIM 数据的处理需求。如：CATIA 软件提供智能化的树结构，对于实体或曲面对象，都可以采用变量和参数混合进行建模[7]。其应用到建设行业，无论是建模能力、表现能力和信息管理能力都比传统的建筑类软件有明显优势，但是与工程建设行业的项目特点和人员特点的对接问题则是其不足之处。中国水电顾问集团下属的成勘院及西北院均引入达索系列产品来实现三维协同设计。

(4) Nemetschek 系列。Nemetschek 公司自 2007年收购 Graphisoft 之后，ArchiCAD/AllPLAN/Vector Works 三个产品都被归到同一公司旗下。ArchiCAD 早已被国内工程设计人员熟悉，但其仅限用于建筑专业；AllPLAN 主要市场在德语区，VectorWorks 是其在美国市场使用的产品名称。目前尚无报道国内的水利工程中应用该系列产品。

综上所述，BIM 软件众多，但适用于国内水利工程领域的 BIM 软件尚不完善，亦不系统，国外软件的本地化程度较低，不能适应国内行业规范及工程人员的使用习惯。水利工程中的应用仅处于设计阶段，尚未实现水利工程信息化的全阶段贯通；在设计阶段“计算分析”、“规范检查”环节仍出现了“信息孤岛”现象。所以，如何统筹管理，实现BIM 在水利工程各阶段、各专业间的协同应用，是未来研究的重点[8]。

2 BIM 在国内水利工程中应用障碍分析

结合水利工程项目案例和已用 BIM 软件的分析，BIM在水利工程行业的应用主要存在以下障碍。

(1) 水利工程行业 BIM 技术应用的政策环境不成熟。从都江堰工程 2 000 多年的历史可见，水利工程是历史悠久的传统工程领域，水利工程领域技术的发展、更新较慢。尤其是在施工阶段，施工工艺传统、工程技术人员习惯于传统思维、施工效率低。我国水利工程行业体制不统一，缺乏完善的 BIM 应用标准、交付标准、应用模式、规范等；BIM应用缺乏相关的法律、法规及争议解决方案；水利工程行业从业工程技术人员及部分企业管理人员过于依赖传统建造方式，思维模式禁锢，尚不能接受 BIM 技术这样的新事物[9]。以上因素导致我国水利工程行业 BIM 推广并应用的政策环境不成熟。

(2) 水利工程行业 BIM 技术应用的技术环境不成熟。水利工程行业 BIM 技术的应用涉及不同单位、不同阶段，采用多种软件协同作业。当前国内采用的 BIM 软件都是国外产品，存在信息安全级别低、本地化程度不够、与计算分析软件的模型交互能力差、软件升级费用高等问题；水利工程通常规模巨大，运用 BIM 建模对计算机硬件要求极高，当前尚无通用的、可行的方式来解决此问题；水利工程行业应用 BIM 技术的合同模式、索赔模式尚不完善等因素导致水利工程行业 BIM 推广并应用的技术环境不成熟[10-11]。

(3) 水利工程行业 BIM 技术应用的行业环境不成熟。当前国内已有部分水利设计院采用 BIM 技术进行项目设计，但大多处于初始和探索阶段，技术熟练度不高、项目数量有限，致使 BIM 技术应用的投资收益得不到准确的统计；且行业内对 BIM 的应用价值尚无准确评估。当前，水利工程行业 BIM 技术主要用于设计阶段，施工阶段的 BIM 应用较少，且缺乏施工阶段 BIM 技术的应用模式；BIM 技术初期投入费用高、人才短缺、培训难度大、应用前期工作效率低，制约了 BIM 技术在水利工程行业的推广及应用[12]。因此，水利工程行业 BIM 技术应用的行业环境尚不成熟。

3 BIM 在水利工程中推广应用的建议

自 2002 年 BIM 引入我国以来，尽管国内 BIM 技术得到了迅速发展，在水利工程领域也有了较好的推广和实践，但 BIM 技术的全面推广和应用还存在着诸多的困难和挑战。为了推广 BIM 技术在水利工程中的应用，针对水利工程行业 BIM 应用中所凸显出的政策环境、技术环境、行业环境三方面问题，提出如下建议。

(1) 政策环境方面。BIM 属于新生事物，它的推广应用首先需要工程人员摒弃传统思维、认识 BIM 的价值，从而接受 BIM 理念。政府可结合国外发达国家 BIM 标准及国内建筑工程方面的 BIM 项目案例、水利工程的已有案例，来制定水利工程行业的 BIM 应用标准、模型交付标准及规范；可试点研究适合国内水利工程行业的 BIM 技术应用模式；可结合国内水利工程行业特点和习惯，制定相关法律、法规及争议解决方案；可在部分水利工程项目中试点全程应用 BIM 技术，并强制要求在限定日期和限定项目中应用BIM 技术，迫使行业从业人员了解 BIM、接受 BIM、学习并应用 BIM。

(2) 技术环境方面。政府和行业协会可鼓励企业、高校、科研院所对目前使用的 BIM 软件进行二次开发，以适应国内水利行业的规范及工程技术人员的使用习惯，并鼓励研发我国自主品牌的 BIM 软硬件产品；可借鉴国外将模型“化整为零”的思路，探索将水利工程模型“化整为零”的技术路线，以降低对计算机硬件的要求。水利主管部门可督促企业、协会、高校探索适合国内水利工程领域 BIM 应用的合同模式及索赔方案等。

(3) 行业环境方面。行业协会可收集较为完整的水利工程 BIM 案例，评估 BIM 应用价值，通过政府、行业协会、高校、科研院所在行业内进行宣传、推广，以消除工程人员的顾虑并激发他们对 BIM 的兴趣，让更多的从业人员认识并接受 BIM 技术；高校可借鉴国外 BIM 课程，结合国内项目案例，开设 BIM 相关课程，为行业储备后续 BIM 人才；水利工程的建设单位可在招标中强制要求施工阶段应用BIM技术，以促使施工单位人员学习 BIM 技术，促进 BIM 技术在水利工程施工阶段的应用。

4 结语

近年，BIM 技术在国内得到了快速发展，建筑业相关人员及企业、高校、科研院所对 BIM 都做了大量的研究和探索。但是，BIM 技术的应用仍然处于初级阶段，尤其在水利工程领域，有大量需要解决的技术和管理问题。Randy Deutsch 曾经说“BIM 是 10% 的技术问题加上90% 的社会文化问题”。目前大量的研究集中在技术问题层面，因此在后面的研究中，除了技术层面的研究外，更应该结合中国的文化习俗，对 BIM 技术在水利工程中的应用模式、合同模式等工程管理学方面的问题进行研究和探索。BIM 技术在大型复杂项目、地下空间项目、体型奇异项目中的应用更能发挥其潜在价值，而水利工程项目正符合这类特征；且水利工程运行周期通常达百年，能够体现 BIM在运营阶段的价值，所以，BIM 技术在水利工程领域的推广、应用将带来巨大的价值，市场前景广阔。

[1] National Institute of Building Sciences. National Building Information Modeling Standard[EB/OL].2007.

[2] 赵继伟,魏群,张国新,等.水利水电工程的图形信息模型研究[J].中国水利水电科学院学报, 2016,14(2):155-159．

[3] 林伟,路佳欣,程雷梓,等.BIM在小南海水电站施工组织设计中的应用[J].水电与新能源，2013,32(6):32-37．

[4] 苗倩．BIM技术在水利水电工程可视化仿真中的应用[J].水电能源科学, 2012,30(10): 139-142．

[5] 张俊,刘飞鹏,邱勇,等.泄流建筑物异型挑流鼻坎三维设计研究[J].水电能源科学,2015,33(7): 97-100．

[6] 杨娟,张星.建设项目信息集成模型与支撑技术标准[J].施工技术,2009,10(10):109-112．

[7] 钟登华,石志超,杜荣祥,等.基于CATIA的心墙堆石坝三维可视化交互系统[J].水利水电技术,2015, 46(6):16-20．

[8] 何清华,钱丽丽,段远峰,等.BIM在国内外应用的现状及障碍研究[J].工程管理学报,2012,26(1):12-16．

[9] 王仁超,李宁.基于BIM与IFC的混凝土坝施工仿真建模方法[J].水电能源科学,2013,31(6):131-134．

[10] 张连营,李彦伟,高源,等.BIM技术的应用障碍及对策分析[J].土木工程与管理学报,2013,30(3): 65-69．

[11] 王仁超,曹永雷.BIM在混凝土坝工程施工信息管理中的应用[J].长江科学院报,2013,30(12):118-121．

[12] 许炳,朱海龙.我国建筑业BIM应用现状及影响机理研究[J].建筑经济,2015,36(3):10-14．