BIM技術(shù)發(fā)展及其在水利工程中的應(yīng)用

劉懿韜

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510642)

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)，是指通過(guò)計(jì)算機(jī)的三維數(shù)字模型，里面包含一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的整個(gè)壽命周期所有的工程信息，建設(shè)項(xiàng)目能通過(guò)這個(gè)模型作為一個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程信息共享，提高工作效率，減少不必要的溝通和復(fù)雜的程序。

BIM概念最早起源于美國(guó)，20世紀(jì)70年代，Eastman教授提出了Building Description System，意在構(gòu)建一個(gè)項(xiàng)目的可視化和量化性的系統(tǒng)，提高建筑行業(yè)的效益。隨著科技的發(fā)展，各國(guó)開(kāi)始注意到這個(gè)概念實(shí)現(xiàn)的可能性及其優(yōu)勢(shì)，已有多個(gè)國(guó)家結(jié)合各自的特點(diǎn)，制定相關(guān)政策，大力推廣BIM技術(shù)，并在一些建設(shè)項(xiàng)目中成熟應(yīng)用BIM技術(shù)，且取得較好效果。國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)相比于國(guó)外起步較晚，目前的應(yīng)用研究還處初級(jí)階段，但依然不乏BIM應(yīng)用成熟的案例。

1 BIM發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

新加坡在1982年就開(kāi)始引進(jìn)BIM技術(shù)，首創(chuàng)建筑業(yè)的自動(dòng)化審批流程；2004年開(kāi)發(fā)完成了集成建筑服務(wù)IBS系統(tǒng)，自2011年開(kāi)始，要求所有政府施工項(xiàng)目都必須使用BIM模型。目前，新加坡建設(shè)局已制定了強(qiáng)制BIM電子審查制度，工程建設(shè)項(xiàng)目必須進(jìn)行BIM成果提交審查[1]。

美國(guó)作為BIM概念的發(fā)源地，為全面推廣和引導(dǎo)BIM作為建筑全生命期的管理技術(shù)，2003年，發(fā)布了國(guó)家三維-四維-建筑信息模型項(xiàng)目；2006年，陸軍工程兵部隊(duì)下屬工程研究與發(fā)展中心制定并發(fā)布了未來(lái)15年的BIM發(fā)展路線規(guī)劃；2007年，政府規(guī)定所有重要項(xiàng)目通過(guò)BIM進(jìn)行空間規(guī)劃[2]。目前，BIM已成為設(shè)計(jì)方和施工方獲得政府工程項(xiàng)目的最基本要求，即投標(biāo)單位必須向總建筑師辦公室提交BIM執(zhí)行計(jì)劃，并要通過(guò)公共建筑服務(wù)局和總建筑師辦公室的審核。

英國(guó)是國(guó)際上從政府角度對(duì)BIM應(yīng)用推動(dòng)力度最大的國(guó)家，成為了目前使用BIM最為廣泛的國(guó)家之一。2011年，英國(guó)政府正式將BIM納入國(guó)家建設(shè)戰(zhàn)略，5月由內(nèi)閣辦公室提出政府建造政策后，與民間組織組成推動(dòng)團(tuán)隊(duì)，規(guī)劃英國(guó)從傳統(tǒng)2D轉(zhuǎn)型到BIM的推動(dòng)進(jìn)程；2013年3月，英國(guó)制定了影響全球BIM發(fā)展的PAS 1192- 2標(biāo)準(zhǔn)；2016年，英國(guó)政府規(guī)定所有英國(guó)政府的建設(shè)項(xiàng)目都須使用BIM[3]。目前，由于英國(guó)政府對(duì)于BIM的強(qiáng)制要求帶給了建筑行業(yè)應(yīng)用BIM巨大的推動(dòng)力，超過(guò)60%的公司目前正在使用BIM，這比2011年提高近5倍。

北歐國(guó)家包括挪威、丹麥、瑞典和芬蘭，早在2010年前后，歐洲已有接近一半的建筑師使用過(guò)BIM或者參與過(guò)BIM模型的創(chuàng)建，甚至達(dá)到了專(zhuān)家水平，這些國(guó)家是全球最先一批采用基于模型設(shè)計(jì)的國(guó)家，也在推動(dòng)建筑信息技術(shù)的互用性和開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)[4]。

北歐四國(guó)政府強(qiáng)制并未要求使用BIM，其發(fā)展主要是企業(yè)的自覺(jué)行為，由于北歐有著先進(jìn)的建筑信息技術(shù)軟件推動(dòng)及當(dāng)?shù)睾錃夂蛞蛩兀纬闪藦?qiáng)大預(yù)制化數(shù)據(jù)庫(kù)，為BIM技術(shù)的迅速發(fā)展提供了基礎(chǔ)。目前，北歐的整個(gè)建筑產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的協(xié)同水平非常高，基本實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、施工等過(guò)程中的信息共享。

從國(guó)外BIM推廣經(jīng)驗(yàn)可以看出，除了北歐利用歷史優(yōu)勢(shì)直接在市場(chǎng)推廣外，大多數(shù)國(guó)家是由政府的公建項(xiàng)目作為試點(diǎn)，實(shí)施推廣BIM技術(shù)；這是由于該技術(shù)的推廣涉及建設(shè)各方，使用過(guò)程中硬件與軟件投入巨大，對(duì)真正需要消費(fèi)BIM數(shù)據(jù)的業(yè)主和使用BIM數(shù)據(jù)的用戶而言，往往因?yàn)榫薮蟮膶W(xué)習(xí)成本和復(fù)雜操作而無(wú)法真正使用。以往的二維圖形時(shí)代以CAD為主流，而B(niǎo)IM技術(shù)不同，其數(shù)據(jù)格式繁雜，軟件眾多，軟件間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換有缺陷，導(dǎo)致市場(chǎng)上沒(méi)有統(tǒng)一的BIM數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，所以每個(gè)工程對(duì)BIM的使用都有差異性。

目前，水利行業(yè)大部分項(xiàng)目屬于公建項(xiàng)目，由政府出資建設(shè)，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方和施工方大多屬于國(guó)企、央企，資源豐富，實(shí)力雄厚，更加有能力在BIM技術(shù)方面投入資本。因此，將BIM技術(shù)與水利工程結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)水利部提出“全面提升水利信息化水平，推動(dòng)‘?dāng)?shù)字水利’向‘智慧水利’轉(zhuǎn)變，以水利信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化帶動(dòng)水治理體系和治理能力現(xiàn)代化”的總體思路的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)以國(guó)家項(xiàng)目作為試驗(yàn)先驅(qū)，可以為市場(chǎng)創(chuàng)造更多BIM應(yīng)用的案例，探索出一條更為有效的BIM應(yīng)用路線，推動(dòng)我國(guó)BIM技術(shù)的發(fā)展和普及。

針對(duì)BIM應(yīng)用的不成熟性及水利行業(yè)推行BIM的可行性，本文列舉了國(guó)內(nèi)外在BIM技術(shù)上應(yīng)用較為成功的水利項(xiàng)目，分析總結(jié)這些工程中實(shí)現(xiàn)BIM的方法及應(yīng)用深度，為讀者在水利工程的BIM技術(shù)應(yīng)用方面提供學(xué)習(xí)案例，同時(shí)為今后BIM應(yīng)用和發(fā)展提供參考。

2 應(yīng)用案例分析

2.1 烏東德水電站樞紐

工程由長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院參與建設(shè)，工程的BIM應(yīng)用基于CATIA平臺(tái)進(jìn)行，融入了該院的BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，各專(zhuān)業(yè)的建模方式為全參數(shù)化建模。通過(guò)積累的模板庫(kù)和骨架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)、協(xié)同技術(shù)與權(quán)限管理機(jī)制保證了上下游專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、一致和及時(shí)變更，提高了建模效率，同時(shí)BIM的應(yīng)用解決了多專(zhuān)業(yè)的碰撞問(wèn)題及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工程量計(jì)算問(wèn)題，提高了出圖效率和方案優(yōu)化速度[5]。項(xiàng)目BIM應(yīng)用模式如圖1所示。

圖1 烏東德水電站樞紐BIM應(yīng)用模式

2.2 漆水河倒虹改建工程

工程基于project wise(簡(jiǎn)稱PW)協(xié)同平臺(tái)，應(yīng)用BIM技術(shù)完成工程的方案比選、模型創(chuàng)建、二維出圖、工程量統(tǒng)計(jì)工作。針對(duì)工程局部復(fù)雜地形應(yīng)用無(wú)人機(jī)獲取三維實(shí)景地形，方案布置直接在實(shí)景地形上完成；基于BIM軟件，應(yīng)用VBA語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)了圖紙標(biāo)注工具集，大幅縮短了圖紙的標(biāo)注時(shí)間[6]。同時(shí)，BIM技術(shù)的應(yīng)用減少了因圖紙不明而產(chǎn)生的施工錯(cuò)誤，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期，得到工程各方的贊賞。項(xiàng)目BIM應(yīng)用模式如圖2所示。

圖2 漆水河倒虹改建工程BIM應(yīng)用模式

2.3 黑河黃藏寺水利樞紐

工程由黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司參與建設(shè)，工程BIM應(yīng)用基于CATIA平臺(tái)，借助自主開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)插件和BIM施工管理平臺(tái)，總結(jié)出一套適用于Ansys、FLAC3D及3DEC的模型簡(jiǎn)化方法和模型轉(zhuǎn)換工具，實(shí)現(xiàn)了正向三維設(shè)計(jì)、信息集成交付及BIM施工期管理，初步打造出高度集成的設(shè)計(jì)施工一體化流程解決方案[8]。在此工程中，BIM的應(yīng)用加強(qiáng)了設(shè)計(jì)單位和施工單位間的交底效率，有效減少了與施工企業(yè)的無(wú)效溝通，極大地提高了EPC的進(jìn)度、安全、質(zhì)量及成本控制能力。

本項(xiàng)目探索出了一套設(shè)計(jì)施工一體化的BIM應(yīng)用模式，可繼續(xù)移植到其他總承包項(xiàng)目中，提高生產(chǎn)效率。項(xiàng)目BIM應(yīng)用模式如圖3所示。

圖3 黑河黃藏寺水利樞紐BIM應(yīng)用模式

2.4 上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心西船閘

此工程的BIM應(yīng)用基于CATIA平臺(tái)，通過(guò)BIM技術(shù)，結(jié)合3D打印技術(shù)，創(chuàng)建了首個(gè)3D打印且可拆卸模型，解決了項(xiàng)目中的前端輸水廊道的模板安裝和設(shè)計(jì)，達(dá)到了各方協(xié)同設(shè)計(jì)和管理的目的[9]。通過(guò)首創(chuàng)的PPIM系統(tǒng)及水工預(yù)埋件標(biāo)準(zhǔn)編碼，優(yōu)化了驗(yàn)收流程和方法，提高了預(yù)埋件埋設(shè)的精確度以及工程建造的準(zhǔn)確度，減少了工程建設(shè)成本[10]。

BIM的應(yīng)用提高了參建各方的溝通效率，增加了分部分項(xiàng)工程驗(yàn)收合格率，縮短了工程工期，較好地優(yōu)化了船閘設(shè)計(jì)，解決了水工預(yù)埋件驗(yàn)收及復(fù)雜異形多曲面結(jié)構(gòu)施工難題，并開(kāi)發(fā)、建立了實(shí)時(shí)的船閘監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在工程設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維等階段應(yīng)用的新模式。項(xiàng)目BIM應(yīng)用模式如圖4所示。

圖4 上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心西船閘BIM應(yīng)用模式

2.5 黑龍江省西南部某田間工程

此工程中使用Powercivil與BIM相結(jié)合，建立農(nóng)田水利BIM三維模型，建筑物采用CATIA的參數(shù)化功能進(jìn)行建模，通過(guò)Flow master輸入相應(yīng)參數(shù)，獲得水面曲線，最后通過(guò)AR交付圖紙。在工程運(yùn)維階段，開(kāi)發(fā)了后期運(yùn)行管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田水利工程的信息化管理[10]。

此工程基于Bentely Powercivil平臺(tái)的BIM應(yīng)用模式貫通了工程設(shè)計(jì)到運(yùn)維階段，為農(nóng)田水利方面對(duì)BIM全生命周期應(yīng)用提供了參考。項(xiàng)目BIM應(yīng)用模式如圖5所示。

圖5 農(nóng)田水利BIM應(yīng)用模式

3 BIM應(yīng)用特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)研究案例的整理和歸納發(fā)現(xiàn)，水利工程關(guān)于BIM的應(yīng)用覆蓋面廣，從水電站、船閘再到農(nóng)田水利都有BIM應(yīng)用的實(shí)例，目前，水利工程方面BIM的應(yīng)用模式有著以下特點(diǎn)：

(1)在BIM應(yīng)用模式和引用深度上有所差別，但基本應(yīng)用模式相同。主要步驟：①通過(guò)實(shí)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)三維地形建模；②在三維地形上進(jìn)行方案比較布置(開(kāi)挖方案等)；③對(duì)建筑物進(jìn)行多專(zhuān)業(yè)協(xié)同三維建模；④結(jié)合有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析-利用軟件導(dǎo)出鋼筋圖；⑤模型進(jìn)行渲染獲得漫游視頻；⑥通過(guò)4D仿真軟件進(jìn)行施工組織；⑦施工階段通過(guò)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)+(三維探測(cè)儀器獲得復(fù)雜物件的安裝信息)；⑧通過(guò)自身開(kāi)發(fā)的后期運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程信息管理。

(2)BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用成果，能避免二維圖紙中出現(xiàn)的碰撞問(wèn)題，可達(dá)到快速進(jìn)行工程量和造價(jià)計(jì)算，快速獲取施工圖，實(shí)現(xiàn)漫游功能，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高出圖和技術(shù)交底效率的目的。

(3)通過(guò)無(wú)人機(jī)斜體攝影實(shí)景建模技術(shù)，3D打印技術(shù)，AR圖紙交付，開(kāi)發(fā)AR驗(yàn)收系統(tǒng)和過(guò)程后期運(yùn)維管理平臺(tái)，進(jìn)一步優(yōu)化水利工程中BIM全生命周期的應(yīng)用，從只在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)為在施工、后期運(yùn)維階段也能共享建筑模型信息的工作方式。

(4)BIM應(yīng)用模式在不同工程間具有可移植性。一個(gè)工程的成功應(yīng)用，可以提高之后工程的應(yīng)用效率，同時(shí)工程的實(shí)施，又可以豐富BIM應(yīng)用平臺(tái)上的參數(shù)模板庫(kù)，進(jìn)一步加快建模效率，因此有必要聯(lián)合成熟的BIM應(yīng)用企業(yè)，在可接受范圍內(nèi)共享參數(shù)模型庫(kù)，結(jié)合其可移植性的特點(diǎn)，進(jìn)行BIM推廣，創(chuàng)造出更多新的案例，共同探討工程在BIM應(yīng)用中的新問(wèn)題，不斷優(yōu)化BIM應(yīng)用模式。

(5)BIM的應(yīng)用目前還存在的問(wèn)題：①BIM軟件功能不完善，需進(jìn)行軟件二次開(kāi)發(fā)，如軟件間轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)丟失、后期運(yùn)維平臺(tái)，三維配筋軟件等；②BIM在水利工程中的應(yīng)用仍然在探索階段，應(yīng)用模式多樣，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系；③各參建方對(duì)BIM的認(rèn)識(shí)和實(shí)施能力各有長(zhǎng)短，導(dǎo)致工程的BIM管理制度不匹配，應(yīng)用效果大打折扣。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，BIM在水利工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用開(kāi)始進(jìn)入多維時(shí)代。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)化和人工智能的不斷發(fā)展，BIM的應(yīng)用模式不斷被拓展，由設(shè)計(jì)階段的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向施工階段的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)階段的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)轉(zhuǎn)變。BIM結(jié)合地理信息系統(tǒng)、可視化和人工智能技術(shù)形成了新的數(shù)字化工程和新的產(chǎn)業(yè)，賦予了BIM應(yīng)用的新價(jià)值。

在大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用背景下，水利行業(yè)要實(shí)現(xiàn)智慧水利，需要大力地推行BIM應(yīng)用，通過(guò)整合BIM應(yīng)用過(guò)程中的信息資源，構(gòu)建一個(gè)共性的基于水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的BIM數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，有規(guī)劃、有步驟地應(yīng)用和發(fā)展BIM，實(shí)現(xiàn)水利工程的跨越式發(fā)展。