基于 BIM 的水运工程三维数字化协同设计技术研究与应用

王长海 覃延春

摘要：文章应用BIM技术对三维数字化协同设计技术进行了研究，并以山秀船闸扩建工程项目为例，介绍BIM数字化协同设计解决方案在船闸工程中的应用，同时针对协同设计模式存在的问题，提出了改进和优化的建议。

关键词：船闸;三维;数字化;协同设计

文献标识码：U612.3-A-53-186-4

0 引言

随着计算机技术和工业互联网加快发展，智能制造工程深入实施，基础设施建设数字化的全面推进，数字技术在我国社会、经济发展中的重要性愈发突显。“数字中国”的建设是新时代国家信息化发展的新战略，关乎着民族、国家未来的发展，而数字基础设施建设又是“数字中国”建设的一个重要组成部分，是支撑“数字中国”建设的重要力量。

传统的二维CAD设计技术虽然也是数字化的设计，但其设计成果是扁平化的，读懂、弄通图纸需要专业的知识背景、专业的培训以及丰富的工程实践经验，其设计成果以电子文档或者纸质文档的形式存在，成果之间没有相互的关联和信息衔接。而以BIM技术为代表的工程数字化技术则具有可视化、参数化、信息化、自动算量、精确出图等特点，可极大提高设计质量和设计效率，设计成果可作为信息载体应用于工程全生命周期。

船闸工程结构复杂，设计涉及的专业多，专业间的协同、沟通困难。基于BIM的数字化技术已经在多个船闸工程中得到应用，提高了设计质量和效率。邕宁水利枢纽船闸工程根据二维设计成果建立了船闸BIM三维模型，并对模型进行了碰撞检查[1]。上海国际航运服务中心项目西船闸工程建设过程中采用3D打印技术研制船闸实体比例模型，并结合BIM三维模型对复杂多曲面异形空间进行了模板拆分、拼接、安装以及工程量统计等工作[2]。富春江船闸工程采用BIM建立了三维地形和土建模型，对模型进行了碰撞检查;利用模型体积复核结构混凝土工程量;利用Navisworks模拟施工方案工序的合理性[3-5]。濛里枢纽二线船闸在测量、勘察、设计三个阶段应用BIM技术，形成全阶段解决方案，并在建立BIM设计的标准化方面进行了尝试[6]。

上述船闸工程多数基于Autodesk平台进行了设计局部专业或者全阶段的协同应用，也解决了一些工程实际问题，但是还没有应用Bentley平台进行设计全过程协同应用的案例。本文以山秀船闸扩建工程为例，介绍BIM数字化协同设计解决方案在船闸工程中的应用，并对协同设计过程的机理和问题进行了分析。

1 三维数字化协同设计研究

1.1 项目数字化解决方案

本项目数字化解决方案以“一个平台、一个模型、一个数据架构”的理念为指导[7]，以Bentley公司的MicroStation平台为基础，以直接运行于MicroStation基础平台之上的各种专业三维设计软件为支撑，以三维协同设计软件ProjectWise为骨干，构建船闸工程数字化三维协同设计软件体系。解决方案如图1所示。

1.2 协同设计模式

船闸工程传统的二维设计没有真正意义上的协同设计，专业间的协同仅通过互提资料和专业会签来完成，专业间的工作开展是有顺序的、串行的[7]，任何一个专业出现问题都会返回至上一个环节进行处理，导致后序专业工作的停滞，因此设计效率非常低下。

在三维协同设计的模式下，专业间串行的工作方式转为并行，减少了专业校审和会签等待所需要的大量时间，而且更加注重团队之间协同的效率，强调的是各专业相互配合、相互帮助、相互支撐的过程，而不是割裂的某个人或者某个专业内部的效率。山秀船闸三维协同设计模式如图2所示。

三维数字化协同设计以ProjectWise Explorer为协同平台，工程所包含的8个专业均在平台下同时开展设计工作。项目目录结构下设模型总装，用于项目整体模型的装配和集成，各专业设置专业总装文件，专业总装文件经审查合格后进行发布，模型总装文件通过文件参考的方式将各专业总装文件参考进来进行总装配。采用参考的协同方式，既保证了设计的效率，也保证了硬件配置需求能在合理的范围之内。在同一个总装模型下，各专业对构件模型的调整都能立即反映在总装模型中，相关专业也能根据其他专业的变化直接调整自己专业的构件模型，实现设计同步。

2 山秀船闸三维数字化协同设计应用

2.1 项目概况

山秀水电站位于左江主干流下游河段，距崇左市扶绥县约14 km，距南宁市约90 km，是一座以发电为主，兼顾航运、灌溉等综合效益的水利水电工程。山秀船闸扩能工程是为适应目前左江水运发展的要求，拟在现有300吨级船闸的左岸按1 000吨级（兼顾2 000吨级）标准新建二线船闸。

2.2 三维设计会审

基于山秀船闸总装模型进行三维设计会审，各专业负责人与设计总工程师、技术总工一起对全专业的设计模型进行审核。在会审的过程中，直观地进行技术复核及设计问题审查，直接发现各专业设计的问题及专业间设计衔接和碰撞问题，有利于各专业基于同一平台讨论并提出能满足各方需求的解决方案。通过三维设计会审总共审核和发现设计问题十余项。

三维会审后，各专业根据会审的意见迅速修改和调整设计方案并最终固化形成阶段性的设计成果。三维协同会审解决了传统二维会签费时、周期长的缺点，提升了评审的效率，缩短了项目整体的设计周期。

2.3 模型出图应用

基于会审固化后的数字化模型，在MicorStation等软件中通过创建切面的方式，将三维结构在切面处的信息以二维平面图的形式提取出来，主要有几何结构切图、地质构造剖面切图、构件配筋切图等。抽图流程如下页图3所示。

三维数字化协同工作模式基本上是全三维的，最终形成相当于传统施工图深度的工程项目模型，并以模型为输出成果，而且可以利用三维模型剖切出所需的二维图纸，再对生成的二维图纸进行适当的加工（如文字、尺寸的标注）便可得到传统的工作成果。随着三维模型的修改和更新，从三维模型抽取的二维图形也会随之更新，设计的质量及效率方面的优势体现

尤为显著。项目越复杂和周期越长，三维数字化协同设计工作模式的优势会愈加明显。因此在多专业参与的大型复杂项目上采用数字化正向协同设计，将更能获取高质量、高效率的设计成果。模型质量是获得高质量工作成果的关键，更是BIM价值的真正基础，这也是采用BIM数字化设计模式的价值所在。

2.4 三维数字化配筋

传统的钢筋图绘制，技术含量相对较低，但是出图工作量却最大，且全部是靠人工一笔笔地画出来，需要耗费非常多的人力资源和时间[7]。使用三维配筋软件进行配筋，通过输入钢筋直径、间距等参数后，软件自动在配筋面上生成钢筋，可直观地修改锚固长度和方向、钢筋形状等，软件自动根据配筋面的形状、长度等信息，生成钢筋形式并计算钢筋数量，自动对钢筋进行编号和生成钢筋表、统计材料表等，通过切图，即可生成常规钢筋图。

应用三维配筋软件，可明显加快大体积、形状不规则水工构件的钢筋图绘制工作，将设计师从繁琐的钢筋绘制、统计工作中解脱出来，并且具有平剖面图对应、数量准确、方便修改等优点，可大幅度提高配筋设计的工作效率。三维配筋的效率比常规方法大大提高，例如常规配筋需要一周的时间，采用三维配筋软件，配筋和出图的时间可以缩短至2 d以内，越复杂的构件越能体现三维配筋软件的优越性。

2.5 BIM+GIS的数字化交付

通过无人机倾斜摄影技术获取项目周围影像数据，并基于Bentley公司的倾斜摄影数据处理软件CCC以及后期模型修饰软件Descartes生成3MX实景模型。通过GIS接口，可以一键将模型导入到Skyline中，实现BIM与GIS的无缝融合，利用影像数据、地形数据等真实环境及构建物模型等创建实景模型，直观地反映山秀船闸项目建成后与周边以及地形的融合情况。

GIS+BIM的模型数字化交付给项目业主带来了全新的交付体验。通过数字化模型，项目业主可以直观地审查设计方案的合理性，方便地查询设计构件信息。数字化的成果和交付方式得到了项目业主的一致好评。山秀船闸GIS+BIM数字化成果如图4所示。

2.6 应用小结

在没有二维设计图纸的情况下，山秀船闸工程各专业基于正向设计的思路开展协同设计，在设计过程中实时地审查模型，及时修改设计上的错漏碰缺。项目全专业在一个多月的时间内合作完成了设计建模工作，水工结构部分设计建模精度达到LOD300施工图要求，并且基于项目数字化模型进行了会审、出图、算量、配筋等工作。

通过三维数字化协同设计直观的表达方式，能轻易地发现传统设计方式不易发现的问题，如管道碰撞、模型衔接偏差、复杂结构表达缺失等。正向协同设计能保证各专业之间信息交流的直观性、及时性与准确性，极大提升设计工作效率。

3 三维数字化协同设计问题分析

三维数字化协同设计技术的应用，使船闸工程的设计模式由传统的串行变成为并行，船闸工程的设计效率也有了明显的变化。对船闸工程设计周期进行初步统计的结果如图5所示。

从项目的整体进度上看，采用了三维设计后，整个设计周期缩短了将近一半，主要得益于采用了并行的协同设计模式。在设计环节，各专业可以并行设计，可以进行实时的资料传递和信息共享，保证了设计方案的一致性和统一性;在会签会审环节，基于三维模型的自动碰撞检测，提高了检测的效率和准确率，而且集中会审的效率也比各专业之间的顺序会签效率高。因此，三维数字化协同设计的优势主要体现在项目的整体性上。

而从单一的专业应用角度分析，可以看到目前三维数字化协同设计存在的问题，如建模所花费的时间比常规的二维设计多很多，这也是为什么生产设计人员普遍反映三维设计不好用，没法进行正常的正向设计。究其原因主要还是专业应用软件的功能不完善，建模效率低下，也就造成了专业设计人员从局部的眼光看问题，对三维数字化协同设计的应用推广形成了一定的阻碍。

在本项目的三维数字化协同设计应用过程中，主要存在以下一些问题：

（1）地质软件建模成功率并不高，模型局部调整难度大，对大型模型开挖常需要分块进行，效率低。

（2）水工专业三维模型转二维图纸需要较多的时间。

（3）电气图库还不完善，电气负荷计算功能未能达到正向设计的目的。

（4）给排水專业缺少符合国家标准的模型库，软件的水力计算功能偏弱，需要传统的手段进行辅助。

（5）航道专业缺乏专业的填挖方工具软件。

从反馈的问题上看，主要集中在专业软件的功能上。因此要推动和发展数字化设计技术，必须依靠专业的软件公司和工程设计单位戮力合作，不断对专业软件的功能进行开发和完善，提高设计建模的效率。缩短专业建模的时间必将进一步缩短工程整体设计周期，给工程带来可观的经济效益。同时，工程设计人员也应该不断提升软件操作熟练度和应用技能，要以数字化的眼光从全局考虑工程问题，深刻认识到工程数字化的重要性和为工程建设行业带来的技术革新，积极、主动地在其他项目上探索性地开展三维数字化正向化设计工作。

4 结语

三维数字化技术是工程建设行业未来发展的方向，也是国家数字化产业发展的重要技术力量。在国家政策引导、市场竞争等因素的影响下，三维数字化技术必将得到越来越深入和广泛的应用[8]。

山秀船闸扩建工程三维数字化协同设计技术的成功应用，表明基于BIM的三维数字化技术对于船闸工程具有良好的适用性，可以为船闸工程各专业提供比较好的数字化解决方案和协同设计模式，能提高船闸工程的设计效率和质量，缩短设计周期。

参考文献

[1]黄 强，韦 铁.BIM技术在水利工程建设中的应用——以邕宁水利枢纽船闸工程为例[J].广西水利水电，2017（4）：42-45，49.

[2]赵 渊，吴鹏程，傅 瑜.上海国际航运服务中心西船闸工程BIM技术的实践与应用[J].港口科技，2014（11）：24-27.

[3]赵 渊.基于BIM+理论的船闸运维系统设计与开发[J].港口科技，2016（2）：32-35，44.

[4]王学锋，吴鹏程，赵 渊，等.基于BIM+理论的船闸工程建设新模式[J].水运工程，2015（12）：123-127.

[5]吴鹏程.基于BIM+理论的一种船闸综合体设计及工程应用[Z].上海中交水运设计研究有限公司，2015.

[6]刘江林，宋文涛，徐军辉，等.广东北江濛里枢纽二线船闸工程BIM解决方案[J].水运工程，2018（8）：135-139，149.

[7]陈 健.追梦——工程数字化技术研究及推广应用实践与思考[M].北京：中国水利水电出版社，2017.

[8]杨 斌，张 伟.BIM技术在宿迁市陆运河船闸工程的应用[J].江苏水利，2018（5）：49-53.

收稿日期：2021-03-05

基金项目：

2018年度交通运输行业重点科技项目“基于互联网+BIM的高速公路协同设计与施工管理一体化关键技术研究与应用”（编号：2018-MS1-029）

作者简介：

王长海（1983—），硕士，教授高级工程师，主要从事信息技术、地理信息及BIM技术研究与应用工作;

覃延春（1979—），硕士，高级工程师，主要从事水利、交通工程BIM技术研究与应用工作。