基于Bentley软件的BIM技术在水利工程数字化的应用研究

马 奔

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

当前，我国已经进入新发展阶段，数字化已成为行业发展水平的重要指标[1]。水利工程作为基础设施工程领域的重要分支，具有地形地质条件复杂、涉及专业多、建筑物类型复杂多样等特点[2]，运用BIM技术实现工程数字化应用，成为当前最有效的方式之一。

随着政府推动力度的不断加强，越来越多的工程企业及项目开始应用BIM技术来实现工程数字化。但在水利工程中，BIM技术的应用起步较晚，且行业规范标准滞后，这也导致不同企业或项目参与方在工程数字化交付的成果质量参差不齐。没有统一的规范应用流程及标准来指导实施，是导致企业在承接的每个工程数字化项目实施过程中增加随机不确定性、很难形成复利效应的重要因素,传统的设计院及施工企业在数字化转型升级过程中必须要消除这种因素。

本文基于Bentley系列软件，以某水闸工程三维数字化协同设计为基础实现BIM的应用研究为例，探讨水利工程在设计阶段实现数字化应用的标准化流程，形成企业级的数字化应用标准，助力工程企业产业数字化、网络化、智能化转型升级。

1 工程数字化与BIM技术

1.1 技术概述

BIM(Building Information Modeling)技术作为工程数字化表达的基础在工程行业中的应用已日趋成熟，对其概念性表述，本文不再赘述，可以明确BIM技术对于工程数字化的发展具有重要的作用和意义。工程数字化技术是在计算机、互联网计算基础上形成的一个新型图形技术、计算技术、网络技术和工程技术的结合[3]，也可理解为工程的数字化表达。随着计算机技术的发展，工程数字化技术将进入新的发展阶段，按照交付成果及技术支持类型可将其划分为图纸驱动阶段、模型驱动阶段、数据驱动阶段3个阶段，见图1。

图1 工程数字化发展阶段

在图纸驱动阶段，工程数字化的目的是利用CAD技术快速实现从手工制图向计算机辅助制图的转变；在模型驱动阶段，工程数字化技术围绕BIM(Building Information Modeling)技术，利用基于三维模型的协同设计，赋能传统交付方式，提升设计工作的效率和质量；在数据驱动阶段，工程行业逐步以工程数据为核心，不断被挖掘、整合和利用工程数据，提出数字孪生(Digital Twin)概念，工程行业整体迈向工程数字化产品交付与工程数字化运营阶段。

1.2 技术特点

BIM技术具有直观性、可计算性、可共享性、可管理性等特点[4]。采用BIM技术进行设计，可实现协同设计、实景建模、三维建模、错漏碰缺检查、管线及设备布置优化、工程量统计、三维出图、实景渲染等，提高项目各专业间的配合效率和质量。

数字化技术是创造一个除物理世界外的数字世界，对于工程数字化的技术特点是以应用场景需求为导向，建立一套完整的数字化解决方案，通过实践总结出“一个平台、一个模型、一个数据架构”的工程数字化特点[5]。

基于软件和平台的BIM技术是工程数字化重要的技术手段，通过BIM技术将工程实体按照不同的应用场景需求及规范标准进行拆分组合，在工程项目的规划、设计、建造、运维等阶段，用数字传递工程项目的几何信息及属性信息，实现对工程项目的虚拟建造，提升企业自身的设计、生产、管理效率，助力企业数字化转型升级。

2 基于Bentley软件的BIM技术应用流程

2.1 软件平台的选择

Bentley系列软件产品以其数字化创新能力和多专业协同高效适应性，成为工程数字化建设领域一个必要的工具和手段，Bentley系列软件是以Microstation为开发平台，涵盖了地质Geopak软件、建筑结构OpenBuildings Designer(OBD)软件、金属结构Microstation软件、水机OpenPlant软件、电气Substation软件、碰撞检测Navigator软件、动画渲染LumenRT、ContextCapture软件等，最为突出的特点是ProjectWise三维协同设计平台，使工程项目真正实现不同专业之间实时协作与配合。Bentley系列软件汇总见表1。

表1 Bentley系列软件汇总

2.2 基于Bentley软件模型创建流程

在三维模型设计开始前，需要建立一套全面且规范的Workspace(工作空间)与一个统一的Seed(种子)文件，对不同的材料、图层、线型格式等[6]加以定义，随后将根据项目所涉及专业主要包括测量、地质、水工、机电、建筑、金结、施工等，各专业统一在Projectwise平台中协同工作。总体推进路线见图2。

图2 BIM模型创建流程

2.3 BIM设计流程的构建

本着“一模到底”的原则，从设计阶段开始将模型设计中信息交换的及时性、传递的完整性及准确性作为重点，探索出协同高效的方法与流程。基于BIM技术的工程数字化的实施流程一般可分为3个阶段，即前期准备阶段、实施阶段、交付阶段,见图3。

图3 基于BIM的设计流程框架

前期准备阶段：首先，针对工程数字化项目设置项目组织架构，建立工作集并划分权限；其次，建立BIM实施的相关标准；最后，选定软件平台，包括统一各专业模板文件，统一定位轴网、建立好各专业分装文件及项目总装文件和参考关系。

项目实施阶段：传统的工程项目的实施包含设计、建造、竣工交付等，而对于工程数字化项目而言，在实施过程中，通常在设计阶段的主要工作是设计图纸校审、模型校审、深化设计、三维虚拟漫游等，模型在向下游传递时，通常以数字化应用场景为导向，深入挖掘BIM模型信息数据，使设计阶段产生的BIM模型数据价值最大化。

交付阶段：有别于传统项目交付的工程实体，在工程数字化项目中，一般是业主方为根据自身应用场景提出需求，设计方挖掘数据信息做应用。

3 工程应用情况

3.1 工程概况

选取的工程案例为兼有泄洪、排涝、通航和挡潮功能的水闸工程，闸孔规模为4孔×3 m+1孔×6 m，6 m孔兼顾通航，最大设计流量445.05 m3/s，建筑物等级为2级建筑物。

3.2 设计环境搭建

与传统二维设计不同，BIM协同设计基于统一的BIM模型数据源，保持数据良好的关联性与一致性，完成高度的数据共享，实现对信息的充分使用。基于ProjectWise平台的水闸项目协同设计平台(图4)，利用其强大的流程管理、权限管理及知识积累功能，以文件级协同方式，实现项目信息的集中存储与访问，从而增强信息的准确性和及时性，提高各参与方协同工作的效率。

图4 PW协同设计环境搭建

3.3 三维模型创建

在ProjectWise协同设计平台的基础上，以Bentley专业设计软件分专业建立地形、水工、水机、电气、金结、建筑、结构等专业模型，在此基础上进行模型总装。各专业模型见图5-图8。

图5 三维地质模型

图6 建筑专业模型创建

图7 水工结构专业模型创建

图8 模型总装

3.4 模型渲染

工程项目实景渲染采用Bentley系列软件LumenRT，对创建完成的三维模型进行渲染及漫游动画制作，见图9，实现了项目设计成果的可视化展示，向业主、施工单位直观展示设计理念和施工意图。水闸模型渲染效果见图10。

图9 三维场景动画漫游

图10 模型渲染成果

4 结 语

本文通过构建基于Bentley软件的BIM技术应用框架，充分发挥BIM技术在可视化、仿真性、协同性和一体化等方面的优势，结合工程实例，探索实现水利工程实现数字化应用的方法，并总结出在工程数字化方面Bentley软件具备以下优点：

1)PW协同设计平台为各专业提供了实时高效的设计环境。

2)Navigator软件轻量化的模型展示，满足设计校审流程及错漏碰缺检查。

3)实景渲染实现了设计可视化，在清楚表达设计意图、设计交底和提高沟通效率等方面发挥了良好的效果。

通过水利工程的数字化应用，构建水利智能业务应用体系，为推进水利治理体系和治理能力现代化、推动新阶段水利高质量发展提供新思路、新方法。