摘要：BIM技術(shù)是對工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)，具有可視化、一體化、參數(shù)化等特性。利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢，可實現(xiàn)水利工程多專業(yè)配合、大量數(shù)據(jù)交互頻繁傳輸?shù)�，達(dá)到可視化決策、虛擬化設(shè)計、協(xié)同化建設(shè)、精細(xì)化管理、科學(xué)化運營。通過工程案例分析海外項目采用BIM技術(shù)現(xiàn)狀，探索海外項目采用BIM技術(shù)模式，為其他海外項目BIM技術(shù)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；海外水利水電工程；三維模型

水利水電工程涉及測繪、地質(zhì)、水工、機電及建筑等多個專業(yè)，項目實施過程中專業(yè)之間數(shù)據(jù)交互頻繁。傳統(tǒng)的設(shè)計模式中設(shè)計人員以圖紙為工作對象，成果易形成信息孤島，使專業(yè)間配合人為條塊化，設(shè)計流程具備明顯的串行特征。BIM技術(shù)是對工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)，通過創(chuàng)建并利用BIM，可創(chuàng)新水利工程規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)和運營維護(hù)的管理模式。BIM協(xié)同設(shè)計模式以協(xié)同平臺三維模型為對象，專業(yè)間工作內(nèi)容實現(xiàn)實時聯(lián)動，弱化了傳統(tǒng)設(shè)計流程中節(jié)點制約，形成了基于模型的并行工作流。同時，BIM協(xié)同設(shè)計的統(tǒng)一環(huán)境也確保了項目整體效率及設(shè)計質(zhì)量的提高。隨著“走出去”戰(zhàn)略的實施,我國水利水電企業(yè)紛紛走出國門,開始參與國際水利水電市場的競爭。但在海外工程項目設(shè)計實施管理過程中,我國企業(yè)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。將BIM技術(shù)應(yīng)用于海外水利水電工程的設(shè)計實施管理過程中，可有效提高項目設(shè)計實施效率、管理水平與國際競爭力。

一、我國水利水電工程中BIM應(yīng)用現(xiàn)狀

近年，隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)在水利水電工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣�；�于BIM技術(shù)的工程全生命周期管理逐漸成為行業(yè)共識，BIM技術(shù)以及由BIM技術(shù)衍生的GIM（地質(zhì)信息模型）、CIM（城市信息模型）逐漸成為數(shù)字中國建設(shè)的基礎(chǔ)底座，給BIM技術(shù)的應(yīng)用帶來了更加廣闊的市場前景。此外，全國各地陸續(xù)出臺BIM應(yīng)用政策，上海、廣東、浙江、湖南、海南、重慶等17個�。ㄖ陛犑校╆懤m(xù)推進(jìn)BIM技術(shù)應(yīng)用工作的指導(dǎo)意見及項目審查、招標(biāo)投標(biāo)管理、獎勵措施等配套政策。上海、湖南等地要求2020年實現(xiàn)政府投資新建項目90%以上全面應(yīng)用BIM技術(shù)。重慶要求2023—2024年實現(xiàn)新建大型水庫工程和調(diào)水工程全面開展BIM技術(shù)應(yīng)用、新建中型水庫工程普遍開展BIM技術(shù)應(yīng)用。各地涌現(xiàn)出一大批BIM技術(shù)在設(shè)計、施工、運維階段應(yīng)用的示范性工程，BIM技術(shù)應(yīng)用發(fā)展正在加速。目前，我國水利水電行業(yè)各級設(shè)計院均投入資源大力推進(jìn)BIM技術(shù)應(yīng)用。走在前列的設(shè)計院近年來陸續(xù)推出了有行業(yè)代表性的BIM應(yīng)用示范工程，BIM技術(shù)應(yīng)用也成為一些大中型水利工程設(shè)計投標(biāo)的必選項。近幾年海外、國內(nèi)部分業(yè)主在勘測設(shè)計項目成果提交方面均明確提出BIM數(shù)字化交付的要求，BIM技術(shù)應(yīng)用逐漸成為勘察設(shè)計企業(yè)進(jìn)入市場的門檻。

二、中水北方公司BIM技術(shù)發(fā)展情況

2012年，中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司（以下簡稱“中水北方公司”）正式組建BIM技術(shù)應(yīng)用團(tuán)隊。根據(jù)發(fā)展需求，2019年將其整合、提升為智慧水利事業(yè)部BIM仿真中心。經(jīng)過近10年的發(fā)展，中水北方公司已經(jīng)成為具有專業(yè)的仿真分析、可視化團(tuán)隊的BIM技術(shù)應(yīng)用先進(jìn)企業(yè)，擁有涵蓋水工、地質(zhì)、水機、金結(jié)、電一、電二、建筑、施工、測繪等水電工程全專業(yè)的BIM技術(shù)人員，并已成為國家水利水電BIM設(shè)計聯(lián)盟成員。公司BIM技術(shù)團(tuán)隊實踐經(jīng)驗豐富，獲得過多項國內(nèi)外BIM技術(shù)應(yīng)用獎項，具備為業(yè)主提供工程數(shù)字化咨詢、設(shè)計、實施等一體化服務(wù)能力。根據(jù)公司自身的發(fā)展理念，結(jié)合專業(yè)設(shè)計和工程應(yīng)用需求，建立了BIM技術(shù)應(yīng)用八大設(shè)計子模塊，形成具有公司特點的BIM技術(shù)應(yīng)用整體解決方案（如圖1）。

三、典型海外應(yīng)用案例分析

1.項目背景曼維萊水電站工程位于喀麥隆共和國南部瑪安省境內(nèi)緊鄰赤道幾內(nèi)亞的恩特姆河上，地處熱帶叢林地區(qū)，是一座大流量明渠引水式電站，工程主要任務(wù)為發(fā)電。電站采用引水徑流式開發(fā)，攔河壩長1.62km，最大壩高28.3m，正常蓄水高程392m，總庫容1.3億m3，電站總裝機容量211MW，工程規(guī)模為大（2）型。工程主要建筑物由首部擋水和泄水建筑物以及位于工程區(qū)左岸的引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等組成。工程于2012年12月開工建設(shè)，2016年8月16日下閘蓄水，2018年2月8日完成主體驗收。該工程先后榮獲中國勘察設(shè)計協(xié)會2019年度行業(yè)優(yōu)秀工程勘察與巖土工程一等獎、2020年“海河杯”天津市優(yōu)秀勘察設(shè)計市政公用工程——水利工程一等獎以及2019年“海河杯”天津市優(yōu)秀勘察設(shè)計工程勘察一等獎等多項省部級獎項，2021年該工程榮獲中國建設(shè)工程最高獎——中國建設(shè)工程“魯班獎”。在曼維萊水電站項目勘察設(shè)計初期，中水北方公司成立了針對此項目的BIM應(yīng)用團(tuán)隊，結(jié)合項目特點，BIM團(tuán)隊從地勘及地質(zhì)三維建模、工程建筑物的三維建模、基本BIM模型的計算分析、工程建筑物三維參數(shù)化建模、施工進(jìn)度仿真分析、三維設(shè)計出圖、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用等方面展開研究。2.地勘及地質(zhì)三維建模地勘數(shù)據(jù)及地質(zhì)信息的處理分析一直以來都是水利水電工程勘察設(shè)計中的重點與難點。曼維萊工程BIM設(shè)計團(tuán)隊利用地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)將原始測繪數(shù)據(jù)高精度擬合為三維地形圖，并將前期已有平面地質(zhì)剖面信息導(dǎo)入到三維模型空間中，形成高精度三維地質(zhì)模型（如圖2所示）。應(yīng)用BIM計算進(jìn)行地勘及地質(zhì)三維建模，不僅便于勘察數(shù)據(jù)的整合、校核前期地質(zhì)成果，而且大大提高了設(shè)計效率，設(shè)計成果更加直觀、更具針對性。此外，三維地質(zhì)模型還可以用于生成滿足現(xiàn)行水利水電工程制圖標(biāo)準(zhǔn)的平面圖、剖面圖、平切圖和鉆孔柱狀圖等。3.工程建筑物的三維建模應(yīng)用BIM三維建模技術(shù)，對工程總體布置及水工建筑物進(jìn)行三維建模（如圖3所示）。模型方便直觀的展示了工程的總體布置及各建筑物之間的相對關(guān)系，為工程設(shè)計和建設(shè)人員全面準(zhǔn)確了解工程提供了更加便利的手段。4.基本BIM模型的計算分析基于BIM三維模型，運用大型計算軟件對工程關(guān)鍵建筑物進(jìn)行有限元計算分析。設(shè)計人員可根據(jù)計算分析結(jié)果，調(diào)整細(xì)化工程結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到設(shè)計最優(yōu)目的。以曼維萊泄水建筑物為例，基于BIM技術(shù)建立泄水建筑物三維模型，運用Flow3d中CFD模塊，對泄水閘在上游水位393.8m時5個閘孔同時泄水時的水流形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，為泄水閘后續(xù)設(shè)計提供了充分的理論依據(jù)（如圖4所示）。5.三維參數(shù)化設(shè)計在BIM技術(shù)應(yīng)用初期，BIM技術(shù)的應(yīng)用通常是利用已設(shè)計完成的平面設(shè)計成果建立三維信息模型,這樣的逆向設(shè)計流程不僅對提高設(shè)計效率不利,更增加了設(shè)計人員的工作量。曼維萊項目BIM設(shè)計團(tuán)隊運用三維參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，逐步解決了“正向設(shè)計”問題。通過預(yù)先設(shè)定一組或多組對應(yīng)關(guān)系和約束關(guān)系，再通過關(guān)鍵參數(shù)集對實體進(jìn)行描述，實體其他參數(shù)通過對應(yīng)關(guān)系與約束關(guān)系得出，從而實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動，大幅度簡化實體模型的建立與修改過程，模型準(zhǔn)確率也大大提升。曼維萊項目部分三維參數(shù)化設(shè)計成果如圖5所示。6.施工進(jìn)度仿真分析利用BIM技術(shù)把三維信息模型與施工進(jìn)度計劃相鏈接，使施工系統(tǒng)各部分及其在進(jìn)度計劃中的相互關(guān)系通過形象直觀的圖形和動畫的形式表現(xiàn)出來，還可以實時動態(tài)查詢工程的三維可視化信息，提高工程管理的效率和質(zhì)量。7.三維設(shè)計出圖傳統(tǒng)二維設(shè)計圖紙存在著表達(dá)信息不夠直觀完整、工程量計算不夠準(zhǔn)確、不同專業(yè)圖紙“錯、漏、碰”等問題。基于三維建模技術(shù)，各專業(yè)在三維協(xié)同設(shè)計平臺上共同完成三維模型設(shè)計，生成三維設(shè)計圖紙。三維模型直觀、形象，避免了“錯、漏、碰”等問題，應(yīng)用模型計算工程量完整準(zhǔn)確。8.虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在BIM領(lǐng)域，使用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)演示單體建筑、空間規(guī)劃，可以讓人以不同的俯仰角度去審視其動感形象及其平面布局的特點。在本項目中也對VR技術(shù)的應(yīng)用做了嘗試，將廠房三維模型導(dǎo)入Unity3D中，建立左右眼攝像頭，通過Cardboard等程序?qū)崿F(xiàn)廠房內(nèi)部VR效果（如圖6所示）。9.小結(jié)BIM技術(shù)在喀麥隆曼維萊水利水電工程中的成功應(yīng)用，取得了良好的效果。在設(shè)計過程中，設(shè)計差錯減少了約95%，綜合設(shè)計效率提高了約40%，節(jié)約了專業(yè)間的配合時間和溝通成本；在施工過程中，BIM技術(shù)的應(yīng)用提高了現(xiàn)場設(shè)計交底、現(xiàn)場施工指導(dǎo)和設(shè)計聯(lián)絡(luò)會的溝通效率，提高了現(xiàn)場問題的處理效率，提高了工程服務(wù)質(zhì)量，有效節(jié)約了工程投資。BIM設(shè)計成果得到了項目參建各方的一致好評，結(jié)合曼維萊水電站所開展的“水電工程參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用”入圍2013年Be創(chuàng)新獎。此外，在巴基斯坦阿扎德帕坦工程的詳細(xì)設(shè)計中，應(yīng)用BIM技術(shù)的設(shè)計成果直觀準(zhǔn)確，獲得了項目業(yè)主的一致好評。項目設(shè)計人員根據(jù)業(yè)主需求，制定了針對此項目的設(shè)計、施工、運行全生命周期的BIM應(yīng)用策劃，積極推進(jìn)該項目的BIM全生命周期應(yīng)用進(jìn)程。

四、BIM技術(shù)在海外水利水電工程應(yīng)用中遇到的困難

BIM技術(shù)應(yīng)用受到制約。BIM技術(shù)在水利水電工程上的應(yīng)用還存在很多的制約條件，如合同規(guī)定、基礎(chǔ)資料的深度、業(yè)主要求、咨詢工程師的審查等，有的項目合同中要求采用二維設(shè)計，提供的成果必須為二維設(shè)計成果；有的基本資料深度不夠，例如地質(zhì)、地形資料，無法滿足建模要求；有的業(yè)主、咨詢工程師本身不具備BIM技術(shù)審查能力等。在BIM技術(shù)應(yīng)用初期，多數(shù)項目實施單位尚不接受三維圖紙作為施工圖紙，依然習(xí)慣于二維圖紙，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以把三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙，但這樣費時費力，等于二次出圖，并且還存在圖紙標(biāo)注、鋼筋圖繪制等困難。專業(yè)協(xié)同存在困難。一些項目設(shè)計本身不是一個設(shè)計單位承擔(dān)，土建設(shè)計與機電設(shè)計單位分屬兩個設(shè)計單位時，BIM的協(xié)同設(shè)計存在很大困難，協(xié)調(diào)也很困難。一些中小型項目，業(yè)主認(rèn)為沒必要采用BIM技術(shù)，而這些工程往往結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)模小、專業(yè)容易協(xié)調(diào)。綜上，BIM技術(shù)在水利水電工程項目中的應(yīng)用遇到了諸多問題與挑戰(zhàn)。但隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外一些大型水利水電工程或跨流域調(diào)水工程對BIM技術(shù)的應(yīng)用需求愈發(fā)強烈，工程參建各方逐漸意識到應(yīng)用BIM技術(shù)不但可以提高設(shè)計效率，提高工程建設(shè)管理水平，而且將BIM技術(shù)的應(yīng)用延伸至工程運行階段，可以更好的發(fā)揮工程經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約運維成本。

五、結(jié)語

目前，中水北方公司正在實施數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，其重要目標(biāo)之一是業(yè)務(wù)數(shù)字化，BIM技術(shù)與公司各相關(guān)業(yè)務(wù)的深度融合是業(yè)務(wù)數(shù)字化的重要組成部分，三維設(shè)計推進(jìn)需要與數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實施同步，集成應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，支撐公司各項業(yè)務(wù)的創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)BIM技術(shù)在工程設(shè)計、建造、運維等全生命周期工程數(shù)字化服務(wù)應(yīng)用，形成相關(guān)軟件產(chǎn)品，并開展相關(guān)業(yè)務(wù)，打造基于BIM的工程數(shù)字化技術(shù)品牌。中水北方公司將繼續(xù)擴展海外項目BIM技術(shù)應(yīng)用范圍，不斷深入應(yīng)用程度，運用BIM技術(shù)與勘察設(shè)計、智慧水利、工程總承包、全過程咨詢、監(jiān)測檢測等各項業(yè)務(wù)全面融合，形成企業(yè)設(shè)計技術(shù)管理等方面的優(yōu)勢產(chǎn)品，不斷拓寬海外市場。