BIM技术发展及其在水利工程中的应用

刘懿韬

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510642)

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)，是指通过计算机的三维数字模型，里面包含一个建设项目的整个寿命周期所有的工程信息，建设项目能通过这个模型作为一个平台，实现工程信息共享，提高工作效率，减少不必要的沟通和复杂的程序。

BIM概念最早起源于美国，20世纪70年代，Eastman教授提出了Building Description System，意在构建一个项目的可视化和量化性的系统，提高建筑行业的效益。随着科技的发展，各国开始注意到这个概念实现的可能性及其优势，已有多个国家结合各自的特点，制定相关政策，大力推广BIM技术，并在一些建设项目中成熟应用BIM技术，且取得较好效果。国内BIM技术相比于国外起步较晚，目前的应用研究还处初级阶段，但依然不乏BIM应用成熟的案例。

1 BIM发展及应用现状

新加坡在1982年就开始引进BIM技术，首创建筑业的自动化审批流程；2004年开发完成了集成建筑服务IBS系统，自2011年开始，要求所有政府施工项目都必须使用BIM模型。目前，新加坡建设局已制定了强制BIM电子审查制度，工程建设项目必须进行BIM成果提交审查[1]。

美国作为BIM概念的发源地，为全面推广和引导BIM作为建筑全生命期的管理技术，2003年，发布了国家三维-四维-建筑信息模型项目；2006年，陆军工程兵部队下属工程研究与发展中心制定并发布了未来15年的BIM发展路线规划；2007年，政府规定所有重要项目通过BIM进行空间规划[2]。目前，BIM已成为设计方和施工方获得政府工程项目的最基本要求，即投标单位必须向总建筑师办公室提交BIM执行计划，并要通过公共建筑服务局和总建筑师办公室的审核。

英国是国际上从政府角度对BIM应用推动力度最大的国家，成为了目前使用BIM最为广泛的国家之一。2011年，英国政府正式将BIM纳入国家建设战略，5月由内阁办公室提出政府建造政策后，与民间组织组成推动团队，规划英国从传统2D转型到BIM的推动进程；2013年3月，英国制定了影响全球BIM发展的PAS 1192- 2标准；2016年，英国政府规定所有英国政府的建设项目都须使用BIM[3]。目前，由于英国政府对于BIM的强制要求带给了建筑行业应用BIM巨大的推动力，超过60%的公司目前正在使用BIM，这比2011年提高近5倍。

北欧国家包括挪威、丹麦、瑞典和芬兰，早在2010年前后，欧洲已有接近一半的建筑师使用过BIM或者参与过BIM模型的创建，甚至达到了专家水平，这些国家是全球最先一批采用基于模型设计的国家，也在推动建筑信息技术的互用性和开放标准[4]。

北欧四国政府强制并未要求使用BIM，其发展主要是企业的自觉行为，由于北欧有着先进的建筑信息技术软件推动及当地寒冷气候因素，形成了强大预制化数据库，为BIM技术的迅速发展提供了基础。目前，北欧的整个建筑产业链内的协同水平非常高，基本实现了规划、设计、制造、施工等过程中的信息共享。

从国外BIM推广经验可以看出，除了北欧利用历史优势直接在市场推广外，大多数国家是由政府的公建项目作为试点，实施推广BIM技术；这是由于该技术的推广涉及建设各方，使用过程中硬件与软件投入巨大，对真正需要消费BIM数据的业主和使用BIM数据的用户而言，往往因为巨大的学习成本和复杂操作而无法真正使用。以往的二维图形时代以CAD为主流，而BIM技术不同，其数据格式繁杂，软件众多，软件间数据转换有缺陷，导致市场上没有统一的BIM数据管理平台，所以每个工程对BIM的使用都有差异性。

目前，水利行业大部分项目属于公建项目，由政府出资建设，项目的设计方和施工方大多属于国企、央企，资源丰富，实力雄厚，更加有能力在BIM技术方面投入资本。因此，将BIM技术与水利工程结合，是实现水利部提出“全面提升水利信息化水平，推动‘数字水利’向‘智慧水利’转变，以水利信息化、网络化和智能化带动水治理体系和治理能力现代化”的总体思路的重要环节，同时以国家项目作为试验先驱，可以为市场创造更多BIM应用的案例，探索出一条更为有效的BIM应用路线，推动我国BIM技术的发展和普及。

针对BIM应用的不成熟性及水利行业推行BIM的可行性，本文列举了国内外在BIM技术上应用较为成功的水利项目，分析总结这些工程中实现BIM的方法及应用深度，为读者在水利工程的BIM技术应用方面提供学习案例，同时为今后BIM应用和发展提供参考。

2 应用案例分析

2.1 乌东德水电站枢纽

工程由长江勘测规划设计研究院参与建设，工程的BIM应用基于CATIA平台进行，融入了该院的BIM标准体系，各专业的建模方式为全参数化建模。通过积累的模板库和骨架关联设计技术、协同技术与权限管理机制保证了上下游专业设计数据关联、一致和及时变更，提高了建模效率，同时BIM的应用解决了多专业的碰撞问题及复杂结构的工程量计算问题，提高了出图效率和方案优化速度[5]。项目BIM应用模式如图1所示。

图1 乌东德水电站枢纽BIM应用模式

2.2 漆水河倒虹改建工程

工程基于project wise(简称PW)协同平台，应用BIM技术完成工程的方案比选、模型创建、二维出图、工程量统计工作。针对工程局部复杂地形应用无人机获取三维实景地形，方案布置直接在实景地形上完成；基于BIM软件，应用VBA语言二次开发了图纸标注工具集，大幅缩短了图纸的标注时间[6]。同时，BIM技术的应用减少了因图纸不明而产生的施工错误，提高了设计质量，缩短了设计周期，得到工程各方的赞赏。项目BIM应用模式如图2所示。

图2 漆水河倒虹改建工程BIM应用模式

2.3 黑河黄藏寺水利枢纽

工程由黄河勘测规划设计有限公司参与建设，工程BIM应用基于CATIA平台，借助自主开发的软件平台插件和BIM施工管理平台，总结出一套适用于Ansys、FLAC3D及3DEC的模型简化方法和模型转换工具，实现了正向三维设计、信息集成交付及BIM施工期管理，初步打造出高度集成的设计施工一体化流程解决方案[8]。在此工程中，BIM的应用加强了设计单位和施工单位间的交底效率，有效减少了与施工企业的无效沟通，极大地提高了EPC的进度、安全、质量及成本控制能力。

本项目探索出了一套设计施工一体化的BIM应用模式，可继续移植到其他总承包项目中，提高生产效率。项目BIM应用模式如图3所示。

图3 黑河黄藏寺水利枢纽BIM应用模式

2.4 上海国际航运服务中心西船闸

此工程的BIM应用基于CATIA平台，通过BIM技术，结合3D打印技术，创建了首个3D打印且可拆卸模型，解决了项目中的前端输水廊道的模板安装和设计，达到了各方协同设计和管理的目的[9]。通过首创的PPIM系统及水工预埋件标准编码，优化了验收流程和方法，提高了预埋件埋设的精确度以及工程建造的准确度，减少了工程建设成本[10]。

BIM的应用提高了参建各方的沟通效率，增加了分部分项工程验收合格率，缩短了工程工期，较好地优化了船闸设计，解决了水工预埋件验收及复杂异形多曲面结构施工难题，并开发、建立了实时的船闸监控系统，实现了BIM技术在工程设计、施工及运维等阶段应用的新模式。项目BIM应用模式如图4所示。

图4 上海国际航运服务中心西船闸BIM应用模式

2.5 黑龙江省西南部某田间工程

此工程中使用Powercivil与BIM相结合，建立农田水利BIM三维模型，建筑物采用CATIA的参数化功能进行建模，通过Flow master输入相应参数，获得水面曲线，最后通过AR交付图纸。在工程运维阶段，开发了后期运行管理平台，实现了农田水利工程的信息化管理[10]。

此工程基于Bentely Powercivil平台的BIM应用模式贯通了工程设计到运维阶段，为农田水利方面对BIM全生命周期应用提供了参考。项目BIM应用模式如图5所示。

图5 农田水利BIM应用模式

3 BIM应用特点

通过对研究案例的整理和归纳发现，水利工程关于BIM的应用覆盖面广，从水电站、船闸再到农田水利都有BIM应用的实例，目前，水利工程方面BIM的应用模式有着以下特点：

(1)在BIM应用模式和引用深度上有所差别，但基本应用模式相同。主要步骤：①通过实测地质数据对三维地形建模；②在三维地形上进行方案比较布置(开挖方案等)；③对建筑物进行多专业协同三维建模；④结合有限元软件进行结构分析-利用软件导出钢筋图；⑤模型进行渲染获得漫游视频；⑥通过4D仿真软件进行施工组织；⑦施工阶段通过BIM数据库+(三维探测仪器获得复杂物件的安装信息)；⑧通过自身开发的后期运维平台，实现工程信息管理。

(2)BIM技术在水利工程设计阶段的应用成果，能避免二维图纸中出现的碰撞问题，可达到快速进行工程量和造价计算，快速获取施工图，实现漫游功能，优化设计方案，提高出图和技术交底效率的目的。

(3)通过无人机斜体摄影实景建模技术，3D打印技术，AR图纸交付，开发AR验收系统和过程后期运维管理平台，进一步优化水利工程中BIM全生命周期的应用，从只在设计阶段应用BIM技术逐渐转为在施工、后期运维阶段也能共享建筑模型信息的工作方式。

(4)BIM应用模式在不同工程间具有可移植性。一个工程的成功应用，可以提高之后工程的应用效率，同时工程的实施，又可以丰富BIM应用平台上的参数模板库，进一步加快建模效率，因此有必要联合成熟的BIM应用企业，在可接受范围内共享参数模型库，结合其可移植性的特点，进行BIM推广，创造出更多新的案例，共同探讨工程在BIM应用中的新问题，不断优化BIM应用模式。

(5)BIM的应用目前还存在的问题：①BIM软件功能不完善，需进行软件二次开发，如软件间转化数据丢失、后期运维平台，三维配筋软件等；②BIM在水利工程中的应用仍然在探索阶段，应用模式多样，缺少统一的标准体系；③各参建方对BIM的认识和实施能力各有长短，导致工程的BIM管理制度不匹配，应用效果大打折扣。

4 结语

目前，BIM在水利工程建设领域应用开始进入多维时代。随着云计算、大数据、物联网、移动化和人工智能的不断发展，BIM的应用模式不断被拓展，由设计阶段的虚拟现实技术向施工阶段的增强现实技术和运营阶段的混合现实技术转变。BIM结合地理信息系统、可视化和人工智能技术形成了新的数字化工程和新的产业，赋予了BIM应用的新价值。

在大数据和人工智能应用背景下，水利行业要实现智慧水利，需要大力地推行BIM应用，通过整合BIM应用过程中的信息资源，构建一个共性的基于水利行业标准数据格式的BIM数据管理平台，有规划、有步骤地应用和发展BIM，实现水利工程的跨越式发展。