基于BIM技术的水利水电工程三维协同设计

解凌飞，李 德

(湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064)

0 引 言

水利水电工程项目都需要针对特定的地形、水文、地质等方面的特点进行几乎全新的设计，通常情况下水电工程项目的设计和建造过程非常复杂，涉及部门和专业众多，生产组织机构庞大，协调困难，很难达到计划的精确管理。以常规的水电工程设计流程为例，在不同深度的设计阶段，都需要水工、地质、水文、水能、机电、金结、施工、土建甚至概预算等诸多专业间的往返提资和变更确认。其中任何一个专业数据精度和方案变更都会影响到相关的其他各专业，而传统的基于文件形式的资料互提系统容易出现差错和遗漏或设计变更通知不及时的情况，从而直接影响整个水电工程的设计质量和进度。其次，现行的生产组织形式在跨区域、跨部门、多专业的协作情况下效率偏低，项目设总需要通过各科室、专业负责人才能了解和掌握整个工程设计进度和运行的大体情况，不能根据项目情况变化及时做出调整和安排。特别是，由于方案设计数据缺乏统一关联和管理，进行多方案优化比选时工作量大而烦琐、重复劳动多、耗时长且校核难度大。

从某种意义上讲，传统设计的技术和流程在一定程度上制约了企业在水电业务上的发展。因此，近年来水利水电工程中三维设计也得到越来越多的认可和重视[1]，而BIM的出现使得工程项目中各专业之间的三维协同设计成为可能[2]。

本文以欧特克三维设计平台为例，简要论述了基于BIM的三维协同设计的优点、平台选择、BIM技术标准、协同设计模式、校审流程，并对水利水电工程各专业三维协同设计的要点进行概括说明。文中的三维协同设计方法已经成功运用到螺山泵站、鄂北调水、碾盘山水利水电枢纽等多个工程中，带来了明显的经济效益和社会效益。

1 基于BIM技术的三维协同设计实施模式

1.1 BIM与协同设计

BIM(Building Information Modeling)是建筑信息模型的总称，它是通过计算机图形学、数字信息化等关键技术建立起来的，包含了建筑工程全部信息数据的三维建筑模型。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。

三维协同设计准确地说应该是基于BIM三维模型设计的协同效应。根据BIM三维模型的特点，协同平台下各专业可从唯一的BIM三维模型中获取项目信息，从而保证了项目信息的连续性和成果的可积累性。BIM三维模型为设计的可视化、精准性提供基础平台，而协同效应则带来高效率、高质量。三维协同设计的出现为工程设计尤其是数字化工厂设计带来了新的设计方法和手段，对实现建筑的智能化也提供了基础条件。

1.2 三维协同设计的优点

三维协同设计实现了单点效率向整体效率的过渡，解决了沟通瓶颈和信息孤岛，实现了设计效率和质量相互促进提高的良性循环。

首先，三维协同设计实现了传统的专业间的配合从串行向并行的转变，实现了各专业间的协同和配合的实时同步，设计人员可以把大量耗费在传统设计流程下各专业间往返协调、会签等工作上的时间花在更高层次的设计优化和设计创新上，从而提高设计水平和产品质量。

其次，协同设计环境中，资料和设计数据具有唯一性和可追溯性，保证了各专业设计所需“原始数据”的及时有效，也保持了各设计阶段设计成果的连续性和可积累性，从而大大降低了设计的错误率，减少了设计修改的工作量，提高了设计效率。

此外，三维模型设计成果信息丰富多样但相对于二维剖面而言却简单明了，提高了专业配合的沟通效率和沟通质量，无形中进一步提高了设计质量和设计效率。

1.3 三维协同设计平台的选择

与机械行业和一般意义上的土木工程设计不同，水电行业的三维设计具有其独特性，简单地说有如下几点：

(1)涉及专业较多，需要多专业协同设计、并行设计，专业之间接口复杂，往返提资管理复杂；

(2)水电工程三维设计中涉及大量的企业知识的积累和重用；

(3)与地质专业息息相关，地质专业的精度和效率直接影响到整个三维协同设计的质量和效率；

(4)水电工程具有唯一性，除机电和金结专业外，其他专业标准化程度较低，绝大多数情况下难以标准化套图。

上述水电工程的特殊性对三维协同设计基础平台提出了较高的要求，主要体现在以下几个方面：必须与水电行业设计技术应用和发展相一致；必须具有良好的协同能力；必须能覆盖水电工程所有专业，支持专业模块的定制与开发；必须具有良好的数据兼容性；必须支持设计经验和企业标准的积累、重用和保护；必须具备易用性、普及性和可开发性。

目前国内水利水电行业采用的BIM三维协同平台主要有欧特克、Bentley、达索系统等，这些软件的 BIM技术解决方案各有特色。随着信息化的发展，没有一款软件可以解决各专业设计中的所有问题，上述协同平台均是由不同功能的软件构成，而设计人员在协同平台搭建的软件环境下并行工作。

1.4 BIM技术标准

清华大学软件学院BIM课题组参照美国NBIMS标准提出了中国国家BIM标准-CBIMS标准框架体系。目前为止，国家级的BIM标准共发布实施了四部：《建筑信息模型应用统一标准》[3]，《建筑信息模型施工应用标准》[4]，《建筑信息模型分类和编码标准》[5]，《建筑信息模型设计交付标准》[6]。陆续发布的国标还将有《制造工业工程设计信息模型应用标准》、《建筑信息模型存储标准》。

根据标准框架，我们可以把BIM标准体系分为三层[7]，第一层是作为最高标准的《建筑工程信息模型应用统一标准》，其次是基础数据标准，包括《建筑信息模型分类和编码标准》和《建筑工程信息模型存储标准》，第三层为执行标准，即《建筑工程设计信息模型交付标准》、《制造工业工程设计信息模型应用标准》、《建筑信息模型施工应用标准》。

在《中华人民共和国标准化法》中规定，以国家标准、行业标准、地方标准为依据，指导企业标准的实施。中国BIM标准体系应覆盖这4个层次，形成一个相互联系、相互融合却又不失层次性的一个系统框架体系。建筑、市政、交通、铁路等行业BIM应用起步较早，已经不同程序形成了行业标准和实施指南。为促进水利水电行业BIM应用，2016年10月中国水利水电勘测设计协会在北京成立中国水利水电BIM设计联盟，目前已经发布了《水利水电BIM 标准体系》[8]，BIM分类和编码标准、实施指南等陆续在编制中。

1.5 BIM三维协同设计模式

以欧特克三维设计为例，该平台上BIM三维协同设计由协同管理平台和设计平台组成(图1)。三维协同管理平台(Vault)负责协同设计的流程组织、角色分配、权限管理、模型和文档的管理与维护、数据安全性等方面的协同和管理。三维设计平台由满足各专业三维设计需求的软件客户端组成。其中Civil 3D负责三维地质建模、土石方工程设计等；Inentor负责水工、机电金等复杂模型设计；Revit负责建筑、结构和管路的设计；NavisWorks负责模型整合、浏览、校审、碰撞检测、施工模拟、动画制作；Infraworks负责早期规划设计、方案比选、大场景模型可视化。基于统一平台架构的协同设计系统，简化了协同流程，减少了数据入口，能有效避免差错和重复劳动，提高了设计效率。

基于BIM的三维协同设计平台要建立一套完整成熟的三维协同工作流程。首先，基于项目划分角色、权限、行为、关系及节点，明确各参与方及相互关系；其次，进行各方协同工作总策划，明确各方工作界面、信息沟通、建设阶段、专项应用等具体工作；再次，协调各方组织关系，严格依据各方协同工作策划开展工作，加强文件及工程变更等信息管理，规范变更程序；最后，依据工程项目策划阶段制定项目数字化交付规定，开展数据整理、文件归档及数据交付工作[9]。图1为基于欧特克平台的水利水电行业各专业间的三维协同设计流程。

图1 水利水电行业三维协同设计流程Fig.1 3-D collaborative design process for water resources and hydropower industry

水利水电工程设计一般都经过科研设计、初步设计、施工设计几个阶段。在这些过程中，外部相关专业提出的资料数据变化是难免的。在传统的CAD制图条件下，这种数据变化，可能需要重新布置和绘制结构相关图纸，但在三维协同设计条件下，无论外部专业数据参数如何变化，只要重新设定相关参数，可实现三维模型自动更新，相关二维图纸也自动更新，这大大提高了工作效率。

1.6 三维协同设计下的校审流程

BIM模型是各专业三维协同设计的产物，最终成果是虚拟的三维数字化模型，而现行设计标准与规范、提交成果的模式、贯标体系等都是建立在二维设计的基础上的，在这些体系尚未进行大幅改革之前，三维模型必然要以二维方式输出呈现。传统二维设计校审模式是结合贯标体系的要求，对设计成果进行审查与验证，校审对象是计算书、设计报告和二维设计图纸等内容。对于BIM 三维模型的整体化设计方式，需要调整校审模式才能适应这一变化[10]。

与传统校审内容不同的是，面向的对象是三维模型，只要模型本身正确，在出图、标注、工程量统计、计算分析、各专业间碰撞冲突等方面就具有内在逻辑的一致性，这将减轻大量烦琐的传统复核工作，从而能将精力和工作重心转移到对BIM模型的建立、完善与验证上。BIM 校审的重点内容是三维模型的完整性、合理性，以及专业内部和专业之间是否存在相互冲突碰撞的问题。

根据三维协同设计的特点，单专业的设计成果不需要改变原有的质量校审方法。当各专业设计工作达到一定程度时，对于协同平台上的多专业整合模型进行集中校审，并将通过校审修改的最终整体模型作为各专业出图的依据，各专业出图后再进行图纸的校核即可，无须审查和其他专业会签。

2 基于BIM技术的水利水电工程三维协同设计

2.1 测绘、地质专业三维协同设计

2.1.1 三维地形曲面制作。

测绘专业将无人机正射影像生成的具有地理影像信息的点云数据导入Civil 3D生成地形曲面，并上传至Vault协同平台。创建的三维地形曲面满足了下游专业在渠道设计、土方开挖、力学计算、可视化创建等工作上对曲面精度的要求。在InfraWorks中添加生成的地形曲面、配准卫星影像及原地面地物要素创建原始三维实景，然后再添加设计开挖曲面，水工、机电金及建筑景观专业三维模型，创建设计三维场景，用于项目的站址分析、初步概念设计、效果展示、方案比选以及后期的施工及运维管理。

2.1.2 BIM+GIS应用

结合GIS系统在模型管理、三维分析以及系统开发等方面的应用优势，可以将Inventor、Revit模型以及InfraWorks场景模型导入到GIS系统中，应用BIM +GIS技术开发出数字移交平台。这就把BIM模型和各类施工、建设管理和运维数据关联起来，实现了BIM模型与视频监控系统、水文监测系统、防洪调度系统等的信息共享。BIM +GIS打通了设计、施工、运维的全生命周期流程，提高了工程信息化质量，节省了工程投资，保障了工程工期，在具有大场景特点的水利水电项目中具有广泛的应用前景。

2.1.3 地质三维建模

地质专业可以通过移动终端进行地质外业数据的测量、收集、整理，再把采集到的地质信息直接导入Civil 3D中，并根据测绘专业生成的地形曲面，通过地质数据管理库自动建立各地层三维曲面和地质体模型，实现了下序专业设计人员直观、快速、准确地了解项目工程区域地质情况。该三维地质模型基于Civil 3D平台，可自动生成地质分析成果与报告报表，也可方便、快捷的完成地质体剖切出图(图2)，最后通过Vault平台与下序各专业进行协同。

图2 地质三维实体及二维剖面出图Fig.2 Geological three-dimensional entity and two-dimensional profile mapping

2.2 水工专业三维协同设计

水工专业承担主体建筑物的设计，也是其他设计专业的基础，BIM三维协同设计的主要任务有枢纽布置、基础开挖、建立三维实体模型、结构分析、与其他专业进行数据协同、二维出图(结构图和钢筋图)。

2.2.1 水工三维模型及工程量统计

水工专业建模方式多种多样，有些结构具有独特性，有些结构具有一定的共性，因此水工结构建模时要注意对结构的划分，并对具有共性的结构运用参数化草图和族库模板进行设计，模板建完后可以通过修改参数对结构进行快速修改，并且可在类似工程中重复运用，可大为减少重复建模所花费的时间。

BIM模型所见即所得，且自带属性信息，方便查询。Inventor、Revit建立的三维实体模型可通过特性查询实体体积。利用Civil 3D的放坡和道路装配功能，可实现基础开挖、回填以及渠道、道路等的设计工作，进而可以快速求出基础开挖、回填方量。

2.2.2 二维工程图

从可研到技施阶段均要出大量的二维结构图，传统CAD绘制的二维图之间缺少关联，易出错，且专业间的干涉不易查找，方案变更时可能要重新绘图。而参数化的BIM模型可直接剖切生成具有逻辑关联二维图，三维模型修改后二维图也相应更新，有效提高了设计效率，保证了设计质量。

Inventor和Revit中有工程图设计模块，通过“样式和标准编辑器”可以方便的定制符合设计要求的工程图样式，这样就能快速、便捷的生成符合行业标准的二维工程图。在BIM所出的二维剖面图的基础上增加三维轴侧图(图3)，使图纸表达更加直观，工程人员更容易理解设计人员的意图。

图3 基于BIM的三维建模及二维出图Fig.3 Three-dimensional modeling and two-dimensional drawing based on BIM 说明：①本图尺寸除桩号、标高以米计外，余均以厘米计；高程系统为黄海高程。②设计荷载等级：公路-Ⅱ级。③设计洪水位30.36 m，梁底控制高程为31.50 m。④桥面：预制梁架设完毕后现浇8 cm厚C50混凝土整平层，并在其上涂一层防水剂，最后施工C40混凝土桥面铺装。⑤附属设施：桥台处设置80型伸缩缝，桥面排水采用横向排水方式，铸铁泄水管。预埋在人行道板中。本图栏杆仅为示意。⑥下部构造：桥台为避免开挖量过大采用轻型桥台，桥墩采用圆形截面双柱式墩，墩柱直径110 cm，基础采用钻孔灌注桩，桩径120 cm。

2.2.3 枢纽整合布置

水电站前期设计主要是对各种方案进行比较，比如坝线比较、正常蓄水位比较、装机容量比较、机组台数比较、枢纽布置比较、坝型比较等。BIM三维协同设计能高效、真实地把这些方案归集在一起，并且以尽可能直观的方式来体现。在三维设计中最能体现枢纽布置设计精髓的就是骨架的搭建。枢纽整合之前，先由牵头专业沿枢纽轴线建立包含地理坐标信息的整体骨架，该骨架作为各专业三维设计整合的基础。同样，各专业为了方便建模也可以建立子骨架。各专业BIM模型设计完成后，由牵头专业负责把各专业的三维模型与整体骨架装配约束在一起，再与地质三维模型一起导入Navisworks进行枢纽整合、浏览、校审、碰撞检测、虚拟漫游(图4)。整合模型是一种轻量化的模型，它包含所有的BIM模型信息以及Navisworks特有的数据，如审阅、标注、测量等。

图4 水利水电工程枢纽整合图Fig.4 Consolidation chart of water conservancy and hydropower project hub

由于采用参数化设计，当各专业的三维模型的控制长度发生变化时，整合后的建筑物将根据整体骨架自动更新，而不需像常规二维设计那样进行索资、提资，有时还由于通知不及时而忘了根据新提资进行布置和修改，避免耗费大量的时间在资料流通的环节上，极大地节约了设计时间和提高了工作效率。

2.2.4 数值计算仿真

目前主流的BIM软件均与ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件实现了无缝对接。采用Inventor软件进行三维设计建模，然后一键导入ANSYS Workbench软件中进行划分有限元网格和计算分析(图5)，计算结果和模型数据再导入《水工三维配筋软件》进行配筋，配筋结果可以直接转化为二维CAD图纸。通过三维设计的方式，一次建模，由一套模型数据完成设计、分析和配筋的所有工作。这就实现了水电三维协同设计和三维钢筋图设计有机结合起来，避免了另起炉灶在其他软件中进行有限元计算费时费力的问题，极大简化了设计流程，体现了高效、集约的设计思路[11]。

图5 Inventor模型导入ANSYS Workbench进行有限元计算Fig.5 Inventor model is imported into ANSYS Workbench for finite element calculation

2.2.5 三维钢筋图

对水工设计来说，施工图阶段工作细、任务重，尤其是钢筋制图是一项十分费时费力的工作，几乎占设计总时间的60%以上。采用《水工三维配筋软件》可以导入BIM软件生成的.sat格式文件，用户通过在三维结构上创建钢筋模型，经过切取剖面，自动生成钢筋详图和信息表(图6)，满足施工详图阶段钢筋图的供图。当模型结构发生了修改时，不影响原来已布设的钢筋，只需修改因结构变动而需改变的钢筋。在对二维图作了编辑调整后，若因设计修改而需要在三维中修改钢筋，原二维图已作过的编辑调整位置可以被记录，避免了重复劳动，使整个软件性能达到了工程实用化水平。

图6 某泵房底板三维配筋及二维出图Fig.6 Three-dimensional reinforcement and two-Dimensional drawing of the bottom plate of a pumping house

在统一的协同设计平台和唯一的数据源下，设计人员可方便而准确的调用各专业设计完成的三维模型进行三维数值分析或配筋设计，同时数值分析的成果亦可反馈至数据库，指导三维配筋设计或三维模型的修正，实现最优化设计，实现了水利水电设计中三维模型设计、三维数值分析、三维配筋设计环节的高度集成和有机结合。

2.2.6 虚拟展示

利用BIM技术把场地周边的房屋建筑信息和场地信息全部提取，在InfraWorks中真实还原一个完整的周边建设场地模型。然后将整合后的整体枢纽导入InfraWorks与场地模型整合于一体，可实现建设方案的枢纽布置和多方案比选分析(图7)。结合VR技术，可以突破空间限制，三维可视化浏览工程布置情况，并能实现不同天气的场景切换，浏览模式多样。逼真展现工程的完建场景，通过人机交互进行场景漫游，使观看者有如身临其境，提高参与方对工程整体的认识。

图7 某泵站枢纽整体效果Fig.7 Overall effect of a pumping station hub

2.3 水机、金结、电气专业三维协同设计

2.3.1 专业模板库的积累

机电金专业的三维设计主要是在三维空间状态下布置已经定型、成熟的机电设备、管路零件以及其他部件。机电专业的特殊性决定了它不需要每一次都对设备进行三维建模，而是在项目中通过总结和归类，把不同类型、型号和功能的设备都建模录入到机电设备库中(图8)，在今后的设计使用过程中，只需根据设备的参数就可以方便的调用相应的设备模型并进行布置。机电金设备的参数化建模与入库在Revit软件的族库模块中完成，对模型进行参数化设计，创建与模型参数相关联的设计表格，定义零件类型、属性、编码等信息。Revit软件可以自动提取模型的属性参数，并以表格的形式显示图元信息，从而自动创建、输出各类构件、材质统计明细表。对于模型的任何修改，明细表将会自动更新。

图8 机电金专业模板库建立Fig.8 Establishment of professional template library of mechanical and electrical funds

2.3.2 与水工专业的协同

水机、电气、金结专业三维建模主要在Revit软件中实现，与水工专业的协同主要通过数据传递和骨架约束。当水工专业三维模型、专业骨架确定以后，生成adsk文件并链接到Revit中生成中心文件，并将生成的中心文件放置在Vault协同管理平台中。机电金专业将其副本下载到本地生成本地文件并进行设备及管线布置，最后通过与中心文件同步，水机、电气专业可以在布置管线设备时看到其他专业实时进度，在设计中最大程度避免线路碰撞，从而达到整体的协同，大幅提高了工作效率。

2.3.3 碰撞检测及校审

牵头专业通过Navisworks软件的碰撞检测功能(图9)，可以检查专业与专业间及专业内部的空间碰撞与干涉情况，从而趁早解决与水工、建筑等土建专业的冲突，实现精确预留预埋，使布置更优，减少返工。碰撞检测功能可对硬碰撞、最小间隙检查和净空进行设置，碰撞结果可生成检测报告。通过检测结果可以快速找出碰撞部位，相关专业点击碰撞部位后可返回Revit中进行修改更新。

图9 Navisworks中碰撞检测Fig.9 Collision detection in Navisworks

通过Navisworks的审阅菜单，校审人员可进行三维模型浏览、尺寸测量和碰撞结果预览，对问题部位进行红线批注、标注、注释，校审结果可实时反馈给设计人员。

2.4 施工专业三维协同设计

2.4.1 施工三维设计

施工专业在协同设计平台上引用测绘、地质、水工等专业的BIM模型，在Civil 3D中可以实现施工导流建筑物、施工道路、边坡开挖、土方平衡、料场开采、生产加工系统以及施工布置等相关设计[12]。Civil 3D自带的部件编辑器功能可以实现复杂模型创建，通过标签、样式定义可生成符合设计要求的二维剖面图。通过BIM的可视化和协同功能，在InfraWorks和Navisworks中可对地形、地貌、各专业模型、渣场、料场、道路、施工机械等汇总生成可视化的施工总布置，并进行三维漫游、4D施工模拟，进而实现了可视化的施工监督，方便各参建方了解施工过程中的技术工艺、工程造价、工程关键技术、工程重点环节等，优化了施工管理效率，提高了施工质量。

2.4.2 施工过程4D模拟

将各专业建立的BIM模型按施工控制节点进行划分并导入NavisWorks中，可以实现包含时间参数的4D施工过程和工艺模拟(图10)。根据任务分解关系，自动生成甘特图和4D施工过程动画。通过4D模拟可以充分展示设计意图，了解施工全貌和整体布局，掌握工程的施工过程，减少因技术错误和沟通不畅带来的协调问题。也可以定义机械设备和施工人员的各种动作，模拟多种施工方案的可操作性，及时发现施工中可能出现的问题，进而选择最优的施工方案，增强施工的安全性，减少返工现象。针对比较复杂的施工工艺、工程构件或难以二维表达的施工部位，利用4D施工模拟进行三维交底，从而保证施工质量[13]。

图10 某水利枢纽4D施工模拟Fig.10 4D construction simulation of a water conservancy project

NavisWorks中通过BIM三维模型和进度控制技术的信息录入，可以自行统计汇总，实现快速精确的成本核算、预算工程量动态查询与统计、限额领料与进度款支付自动管理等功能，从而达到以施工预算控制人力资源和物资消耗、造价信息实时跟踪等目的。

3 结 语

本文依托欧特克三维设计平台，讨论了基于BIM技术的三维协同设计实施模式，并对水利水电行业主要专业的三维协同设计要点进行了归纳总结，为水利水电行业中三维协同设计的推广提供借鉴。

(1)在基于BIM技术的三维协同设计架构内，通过不懈的探索和大胆的创新，可实现水利水电各专业三维模型设计、三维数值分析、三维配筋设计、4D施工模拟及虚拟展示等环节的高度集成和有机结合。在统一的协同设计平台和唯一的数据源下，运用BIM技术可以高效地完成设计、施工、运维全生命周期管理，可实现三维技术(包括三维设计、分析及虚拟现实技术)向水利水电业务各层面、各专业、各环节的渗透，极大地提高了水电工程设计进度和质量水平。

(2)基于BIM的三维协同是一种设计方法，更是一种“文化”，不仅需要先进的协同设计管理软件和设计方法，还需要与协同设计相适应的标准管理体系、生产管理流程、技术支撑标准和专业设计手册等企业管理环境的支持，以及强有力的、可持续创新的实施应用团队。

(3)BIM应用一方面要进行全专业间的三维协同设计，另一方面要深度挖掘BIM内在隐含的信息。将BIM与互联网、云计算、大数据、3D打印、VR/AR/MR技术以及3DGIS等结合在一起，使BIM技术平台有了更为广阔的市场。

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