BIM技术在水利工程建设中的应用

11.1 BIM的概述

BIM的全拼是Building Information Modeling，即：建筑信息模型。BIM 是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，BIM 是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。一个完善的信息模型，能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源，是对工程对象的完整描述，可被建设项目各参与方普遍使用。BIM 具有单一工程数据源，可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享。建筑信息模型同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法，这种方法支持建筑工程的集成管理环境，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率和大量减少风险。

1.2 BIM的来源

1975年，“BIM之父”——乔治亚理工大学的Chunk Eastman教授创建了BIM理念至今，BIM技术的研究经历了三大阶段：萌芽阶段、产生阶段和发展阶段。BIM理念的启蒙，受到了1973年全球石油危机的影响，美国全行业需要考虑提高行业效益的问题，1975年“BIM之父”Eastman教授在其研究的课题“Building Description System”中提出“a computer-based description of a building”，以便于实现建筑工程的可视化和量化分析，提高工程建设效率

1.3 BIM的特点

BIM的特点：1）可视化；2）协调性；3）模拟性；4）优化性；5）可出图性。

1.3.1 基于BIM 的工程设计

实现三维设计。能够根据3D 模型自动生成各种图形和文档，而且始终与模型逻辑相关，当模型发生变化时，与之关联的图形和文档将自动更新；设计过程中所创建的对象存在着内建的逻辑关联关系，当某个对象发生变化时，与之关联的对象随之变化。

实现不同专业设计之间的信息共享。各专业CAD系统可从信息模型中获取所需的设计参数和相关信息，不需要重复录入数据，避免数据冗余、歧义和错误。

实现各专业之间的协同设计。某个专业设计的对象被修改，其他专业设计中的该对象会随之更新。

实现虚拟设计和智能设计。实现设计碰撞检测、能耗分析、成本预测等。

1.3.2 基于BIM 的施工及管理

实现集成项目交付IPD（Integrated Project Delivery）管理。把项目主要参与方在设计阶段就集合在一起，着眼于项目的全生命期，利用BIM 技术进行虚拟设计、建造、维护及管理。

实现动态、集成和可视化的4D 施工管理。将建筑物及施工现场3D 模型与施工进度相链接，并与施工资源和场地布置信息集成一体，建立4D 施工信息模型。实现建设项目施工阶段工程进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的动态集成管理及施工过程的可视化模拟。

实现项目各参与方协同工作。项目各参与方信息共享，基于网络实现文档、图档和视档的提交、审核、审批及利用。项目各参与方通过网络协同工作，进行工程洽商、协调，实现施工质量、安全、成本和进度的管理和监控。

实现虚拟施工。在计算机上执行建造过程，虚拟模型可在实际建造之前对工程项目的功能及可建造性等潜在问题进行预测，包括施工方法实验、施工过程模拟及施工方案优化等。

22.1 BIM在水电工程施工总布置设计中的应用

BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达；是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

2.1.1总体规划

AutoCAD Civil 3D强大地形处理功能，可帮助实现工程三维枢纽方案布置以及立体施工规划，结合AIM快速直观的建模和分析功能，则可轻松、快速帮助布设施工场地规划，有效传递设计意图，并进行多方案比选。

2.1.2枢纽布置建模

枢纽布置、厂房机电等需由水工、机电、金属结构等专业按照相关规定建立基本模型与施工总布置进行联合布置。

（1）基础开挖处理

结合AutoCAD Civil 3D建立的三角网数字地面模型，在坝基开挖中建立开挖设计曲面，可帮助生成准确施工图和工程量。

（2）土建结构

水工专业利用Autodesk Revit Architecture进行大坝及厂房三维体型建模，实现坝体参数化设计，协同施工组织实现总体方案布置。

（3）机电及金属结构

机电及金属结构专业在土建BIM模型的基础上，利用Autodesk Revit MEP和Autodesk Revit Architecture同时进行设计工作，完成各自专业的设计，在三维施工总布置中则可以起到细化应用的目的。

2.1.3施工导流

导流建筑物如围堰、导流隧洞及闸阀设施等及相关布置由导截流专业按照规定进行三维建模设计，AutoCAD Civil 3D帮助建立准确的导流设计方案，AIM利用AutoCAD Civil 3D数据进行可视化布置设计，可实现数据关联与信息管理。

2.1.4场内交通

在AutoCAD Civil 3D强大的地形处理能力以及道路、边坡等设计功能的支撑下，通过装配模型可快速动态生成道路挖填曲面，可准确计算道路工程量，通过AIM可进行概念化直观表达。

2.1.5渣场与料场布置

在AutoCAD Civil 3D中，以数字地面模型为参照，可快速实现渣场、料场三维设计，并准确计算工程量，且通过AIM实现直观表达及智能信息管理。

2.1.6施工工厂

施工工厂模型包含场地模型和工厂三维模型，Autodesk Inventor帮助参数化定义造型复杂施工机械设备，联合AutoCAD Civil 3D可实现准确的施工设施部署，AIM则帮助三维布置与信息表达。

2.1.7营地布置

施工营地布置主要包含营地场地模型和营地建筑模型，其中营地建筑模型可通过AutoCAD Civil 3D进行二维规划，然后导入AIM进行三维信息化和可视化建模，可快速实现施工生产区、生活区等的布置，有效传递设计意图。

2.1.8施工总布置设计集成

BIM信息化建模过程中将设计信息与设计文件进行同步关联，可实现整体设计模型的碰撞检查、综合校审、漫游浏览与动画输出。其中，AIM将信息化与可视化进行完美整合，可以不仅提高了设计效率和设计质量，而且大大减少的不同专业之间协同和交流的成本。

2.1.9施工总布置面貌

在进行施工总布置三维一体信息化设计中，通过BIM模型的信息化集成，可实现工程整体模型的全面信息化和可视化，而且通过AIM的漫游功能可从坝体到整个施工区，快速全面了解项目建设的整体和细部面貌，并可输出高清效果展示图片及漫游制作视频文件。

2.2 BIM技术在水利工程造价中的应用

水利工程牵扯面广，投资大，专业性强，建筑结构形式复杂多样，尤其是水库、水电站、泵站工程，水工结构复杂、机电设备多、管线密集，传统的二维图纸设计方法，无法直观的从图纸上展示设计的实际效果，造成各专业之间打架碰撞，导致设计变更、工程量漏记或重计、投资浪费等现象出现。

采用基于BIM技术的三维设计和协同设计技术为有效的解决上述问题提供了机遇。通过基于BIM技术的设计软件，建立设计、施工、造价人员的协同工作平台，设计人员可以在不改变原来设计习惯的情况下，通过二维方法绘图，自动生成三维建筑模型，并为下游各专业提供含有BIM信息的布置条件图，增加专业沟通，实现了工程信息的紧密连接。

由于水利工程造价具有大额性、个别性、动态性、层次性、兼容性的特点，BIM技术在水利建设项目造价管理信息化方面有着传统技术不可比拟的优势：一是大大提高了造价工作的效率和准确性，通过BIM技术建立三维模型自动识别各类构件，快速抽调计算工程量，及时捕捉动态变化的结构设计，有效避免漏项和错算，提高清单计价工作的准确性；二是利用BIM技术的模型碰撞检查工具优化方案、消除工艺管线冲突，造价工程师可以与设计人员协同工作，从造价控制的角度对工艺和方案进行比选优化，可有效控制设计变更，降低工程投资。

BIM技术的出现，使工程造价管理与信息技术高度融合，必将引发工程造价的一次革命性变革。目前，国内部分水利水电勘测设计单位已引进三维设计平台，并利用BIM技术实现了协同设计，在提高水利工程造价的准确性和及时性方面进行了有益探索，值得借鉴。

2.3 BIM在水利建设中应用实例

2.3.1南水北调中线工程

在南水北调工程中，长江勘测规划设计研究院（简称长江设计院）将建筑信息模型 BIM 的理念引入其承建的南水北调中线工程的勘察设计工作中，并且由于 AutoCAD Civil 3D 良好的标准化、一致性和协调性，最终确定该软件为最佳解决方案。利用 Civil 3D 快速的完成勘察测绘、土方开挖、场地规划和道路建设等的三维建模、设计和分析等工作，提高设计效率，简化设计流程。其三维可视化模型细节精确，使工程三维里立围观一目了然。基于 BIM 理念的解决方案帮助南水北调项目的工程师和施工人员，在真正的施工之前，以数字化的方式看到施工过程，甚至整个使用周期中的各个阶段。该解决方案在项目各参与方之间实现信息共享，从而有效避免了可能产生的设计与施工、结构与材料之间的矛盾，避免了人力、资本和资源等不必要的浪费。

2.3.2云南金沙江阿海水电站

中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院在水电设计中也引入了 BIM 的概念。在云南金沙江阿海水电站的设计过程中，其水工专业部分利用 Autodesk Revit Architecture完成大坝及厂房的三维形体建模；利用 Autodesk Revit MEP软件平台，机电专业（包括水力机械、通风、电气一次、电气二次、金属结构等）建立完备的机电设备三维族库，最终完成整个水电站的 BIM设计工作。BIM 设计同时提供了多种高质量的施工设计产品，如工程施工图，PDF三维模型等。最后利用 Autodesk Navisworks软件平台制作漫游视频文件。

BIM的应用前景展望

33.1 协同设计与BIM技术的融合

目前我们所说的协同设计，很大程度上是指基于网络的一种设计沟通交流手段，以及设计流程的组织管理形式。而BIM（建筑信息化模型）的出现，则从另一角度带来了设计方法的革命，BIM技术与协同设计技术将成为互相依赖、密不可分的整体。协同是BIM的核心概念，同一构件元素，只需输入一次，各工种共享元素数据并于不同的专业角度操作该构件元素。从这个意义上说，协同已经不再是简单的文件参照。可以说BIM技术将为未来协同设计提供底层支撑，大幅提升协同设计的技术含量。因此，未来的协同设计，将不再是单纯意义上的设计交流、组织及管理手段，它将与BIM融合，成为设计手段本身的一部分。借助于BIM的技术优势，协同的范畴也将从单纯的设计阶段扩展到建筑全生命周期，需要设计、施工、运营、维护等各方的集体参与，因此具备了更广泛的意义，从而带来综合效率的大幅提升。

3.2 从二维设计到三维BIM设计

当前，2D图纸是我国建筑设计行业最终交付的设计成果，这是目前的行业惯例。因此，生产流程的组织与管理均围绕着2D图纸的形成来进行（客观地说，这是阻碍BIM技术广泛应用的一个重要原因）。

3D设计能够精确表达建筑的几何特征，相对于2D绘图，3D设计不存在几何表达障碍．对任意复杂的建筑造型均能准确表现。尽管3D是BIM设计的基础，但不是其全部。通过进一步将非几何信息集成到3D构件中，如材料特征、物理特征、力学参数、设计属性、价格参数、厂商信息等，使得建筑构件成为智能实体，3D模型升级为BIM模型。BIM模型可以通过图形运算并考虑专业出图规则自动获得2D图纸，并可以提取出其它的文档，如工程量统计表等，还可以将模型用于建筑能耗分析、日照分析、结构分析、照明分析、声学分析、客流物流分析等诸多方面。

3.3 BIM技术在水利水电工程中的强大优势

3.3.1设计方优势

（1）可视化交流：依托BIM软件进行三维建模，可以准确生成坝工程各部分剖面图，减少了传统二维设计中绘制剖面图的工作量，提高了设计工作效率。

（2）联动化设计：传统二维设计时，由于工作人员疏忽，容易导致错误。BIM建模之后，所有视图、剖面以及三维图具备联动功能，一处更改之后，其他自动更新，方便设计修改。

（3）多专业协调：水电站设计中各专业的最新设计成果实时反映在同一BIM上，错误碰撞、交叉干扰的问题显而易见。

（4）标准化设计：传统的二维设计'对工程设计人员空间想象力的要求很高，标准不统一。应用BIM，可以有效避免一些由于工程设计人员空间想象不正确而导致的错误

3.3.2施工方优势

（1）多维施工分析：通过BIM系列软件建模，进行三维施工工况演示，与施工进度结合进行四维模拟建设，通过与概预算结合进行五维成本核算分析。

（2）读图效率辅助：对于读图的施工人员，通过三维BIM，将大大提高读图效率和准确度。

（3）施工现场管理：BIM可有效支撑施工管理过程，针对技术探讨和简单协同进行可视化操作，自动计算工程量，有效减少工艺冲突。

3.3.3运营方优势

（1）运营信息集成：BIM可有效地集成设计、施工各个环节的信息，减少传统的施工竣工图整理的冗杂过程和避免竣工资料归档的人为错误，提高效率，优化管理。

（2）资产及空间管理：通过BIM，对资产及空间进行优质、高效的管理，可视化进程与监控系统有机结合，节省人力、物力。

（3）建筑加固改造：建筑运营过程中出现的病险加固和改造，可以直接通过BIM分析处理，减少工作量。

3.4 影响3D BIM普及的主要因素

（1）三维建模目前还未形成一套成熟的流程、标准化控制和质量管理体系，相关标准的建立工作亟待进行。

（2）在水利工程建设中，BIM理念仍然未深如，应用工程尚处在摸索起步阶段，对BIM系列软件的应用也不成熟，软件二次开发基本无人关注。

（3）BIM全生命周期管理投入成本高，平衡投资回报的各参与方合作理念和意识难于统一。

（4）BIM在施工及运营阶段成熟软件过少，直接影响到整个建设生命周期的管理。

（5）BIM技术从业人员对软件的使用把握不到位，影响工作效率和进度。

（6）BIM图库工作量大，工作流程尚处磨合期，出图仍然存在问题。

结语

BIM是基于全生命周期管理的数据库，在工程建设管理领域具有强大的优势。结合目前水利工程建设领域应用BIM的现状，未来通过政府政策层面的标准化先行、项目参与方层面的协同共享、软件开发企业的技术公关、项目参与企业的软件二次开发嵌入、BIM从业人员的深入培训等多种有效手段，充分发挥BIM在水利工程建设中的应用价值之后，水利工程建设领域的信息化建设必将迈上一个新的台阶。