三维设计在海外水利水电工程的应用

 摘要：BIM技术是对工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达，具有可视化、一体化、参数化等特性。利用BIM技术的优势，可实现水利工程多专业配合、大量数据交互频繁传输等，达到可视化决策、虚拟化设计、协同化建设、精细化管理、科学化运营。通过工程案例分析海外项目采用BIM技术现状，探索海外项目采用BIM技术模式，为其他海外项目BIM技术应用提供参考。

关键词：BIM技术；海外水利水电工程；三维模型

水利水电工程涉及测绘、地质、水工、机电及建筑等多个专业，项目实施过程中专业之间数据交互频繁。传统的设计模式中设计人员以图纸为工作对象，成果易形成信息孤岛，使专业间配合人为条块化，设计流程具备明显的串行特征。BIM技术是对工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达，通过创建并利用BIM，可创新水利工程规划设计、建设和运营维护的管理模式。BIM协同设计模式以协同平台三维模型为对象，专业间工作内容实现实时联动，弱化了传统设计流程中节点制约，形成了基于模型的并行工作流。同时，BIM协同设计的统一环境也确保了项目整体效率及设计质量的提高。随着“走出去”战略的实施,我国水利水电企业纷纷走出国门,开始参与国际水利水电市场的竞争。但在海外工程项目设计实施管理过程中,我国企业仍面临着诸多挑战。将BIM技术应用于海外水利水电工程的设计实施管理过程中，可有效提高项目设计实施效率、管理水平与国际竞争力。

一、我国水利水电工程中BIM应用现状

近年，随着信息化技术的不断发展，BIM技术在水利水电工程建设领域应用越来越广。基于BIM技术的工程全生命周期管理逐渐成为行业共识，BIM技术以及由BIM技术衍生的GIM（地质信息模型）、CIM（城市信息模型）逐渐成为数字中国建设的基础底座，给BIM技术的应用带来了更加广阔的市场前景。此外，全国各地陆续出台BIM应用政策，上海、广东、浙江、湖南、海南、重庆等17个省（直辖市）陆续推进BIM技术应用工作的指导意见及项目审查、招标投标管理、奖励措施等配套政策。上海、湖南等地要求2020年实现政府投资新建项目90%以上全面应用BIM技术。重庆要求2023—2024年实现新建大型水库工程和调水工程全面开展BIM技术应用、新建中型水库工程普遍开展BIM技术应用。各地涌现出一大批BIM技术在设计、施工、运维阶段应用的示范性工程，BIM技术应用发展正在加速。目前，我国水利水电行业各级设计院均投入资源大力推进BIM技术应用。走在前列的设计院近年来陆续推出了有行业代表性的BIM应用示范工程，BIM技术应用也成为一些大中型水利工程设计投标的必选项。近几年海外、国内部分业主在勘测设计项目成果提交方面均明确提出BIM数字化交付的要求，BIM技术应用逐渐成为勘察设计企业进入市场的门槛。

二、中水北方公司BIM技术发展情况

2012年，中水北方勘测设计研究有限责任公司（以下简称“中水北方公司”）正式组建BIM技术应用团队。根据发展需求，2019年将其整合、提升为智慧水利事业部BIM仿真中心。经过近10年的发展，中水北方公司已经成为具有专业的仿真分析、可视化团队的BIM技术应用先进企业，拥有涵盖水工、地质、水机、金结、电一、电二、建筑、施工、测绘等水电工程全专业的BIM技术人员，并已成为国家水利水电BIM设计联盟成员。公司BIM技术团队实践经验丰富，获得过多项国内外BIM技术应用奖项，具备为业主提供工程数字化咨询、设计、实施等一体化服务能力。根据公司自身的发展理念，结合专业设计和工程应用需求，建立了BIM技术应用八大设计子模块，形成具有公司特点的BIM技术应用整体解决方案（如图1）。

三、典型海外应用案例分析

1.项目背景曼维莱水电站工程位于喀麦隆共和国南部玛安省境内紧邻赤道几内亚的恩特姆河上，地处热带丛林地区，是一座大流量明渠引水式电站，工程主要任务为发电。电站采用引水径流式开发，拦河坝长1.62km，最大坝高28.3m，正常蓄水高程392m，总库容1.3亿m3，电站总装机容量211MW，工程规模为大（2）型。工程主要建筑物由首部挡水和泄水建筑物以及位于工程区左岸的引水发电系统建筑物等组成。工程于2012年12月开工建设，2016年8月16日下闸蓄水，2018年2月8日完成主体验收。该工程先后荣获中国勘察设计协会2019年度行业优秀工程勘察与岩土工程一等奖、2020年“海河杯”天津市优秀勘察设计市政公用工程——水利工程一等奖以及2019年“海河杯”天津市优秀勘察设计工程勘察一等奖等多项省部级奖项，2021年该工程荣获中国建设工程最高奖——中国建设工程“鲁班奖”。在曼维莱水电站项目勘察设计初期，中水北方公司成立了针对此项目的BIM应用团队，结合项目特点，BIM团队从地勘及地质三维建模、工程建筑物的三维建模、基本BIM模型的计算分析、工程建筑物三维参数化建模、施工进度仿真分析、三维设计出图、虚拟现实技术应用等方面展开研究。2.地勘及地质三维建模地勘数据及地质信息的处理分析一直以来都是水利水电工程勘察设计中的重点与难点。曼维莱工程BIM设计团队利用地质三维勘察设计系统将原始测绘数据高精度拟合为三维地形图，并将前期已有平面地质剖面信息导入到三维模型空间中，形成高精度三维地质模型（如图2所示）。应用BIM计算进行地勘及地质三维建模，不仅便于勘察数据的整合、校核前期地质成果，而且大大提高了设计效率，设计成果更加直观、更具针对性。此外，三维地质模型还可以用于生成满足现行水利水电工程制图标准的平面图、剖面图、平切图和钻孔柱状图等。3.工程建筑物的三维建模应用BIM三维建模技术，对工程总体布置及水工建筑物进行三维建模（如图3所示）。模型方便直观的展示了工程的总体布置及各建筑物之间的相对关系，为工程设计和建设人员全面准确了解工程提供了更加便利的手段。4.基本BIM模型的计算分析基于BIM三维模型，运用大型计算软件对工程关键建筑物进行有限元计算分析。设计人员可根据计算分析结果，调整细化工程结构，从而达到设计最优目的。以曼维莱泄水建筑物为例，基于BIM技术建立泄水建筑物三维模型，运用Flow3d中CFD模块，对泄水闸在上游水位393.8m时5个闸孔同时泄水时的水流形态进行了数值模拟，为泄水闸后续设计提供了充分的理论依据（如图4所示）。5.三维参数化设计在BIM技术应用初期，BIM技术的应用通常是利用已设计完成的平面设计成果建立三维信息模型,这样的逆向设计流程不仅对提高设计效率不利,更增加了设计人员的工作量。曼维莱项目BIM设计团队运用三维参数化设计技术，逐步解决了“正向设计”问题。通过预先设定一组或多组对应关系和约束关系，再通过关键参数集对实体进行描述，实体其他参数通过对应关系与约束关系得出，从而实现参数驱动，大幅度简化实体模型的建立与修改过程，模型准确率也大大提升。曼维莱项目部分三维参数化设计成果如图5所示。6.施工进度仿真分析利用BIM技术把三维信息模型与施工进度计划相链接，使施工系统各部分及其在进度计划中的相互关系通过形象直观的图形和动画的形式表现出来，还可以实时动态查询工程的三维可视化信息，提高工程管理的效率和质量。7.三维设计出图传统二维设计图纸存在着表达信息不够直观完整、工程量计算不够准确、不同专业图纸“错、漏、碰”等问题。基于三维建模技术，各专业在三维协同设计平台上共同完成三维模型设计，生成三维设计图纸。三维模型直观、形象，避免了“错、漏、碰”等问题，应用模型计算工程量完整准确。8.虚拟现实技术应用在BIM领域，使用虚拟现实（VR）技术演示单体建筑、空间规划，可以让人以不同的俯仰角度去审视其动感形象及其平面布局的特点。在本项目中也对VR技术的应用做了尝试，将厂房三维模型导入Unity3D中，建立左右眼摄像头，通过Cardboard等程序实现厂房内部VR效果（如图6所示）。9.小结BIM技术在喀麦隆曼维莱水利水电工程中的成功应用，取得了良好的效果。在设计过程中，设计差错减少了约95%，综合设计效率提高了约40%，节约了专业间的配合时间和沟通成本；在施工过程中，BIM技术的应用提高了现场设计交底、现场施工指导和设计联络会的沟通效率，提高了现场问题的处理效率，提高了工程服务质量，有效节约了工程投资。BIM设计成果得到了项目参建各方的一致好评，结合曼维莱水电站所开展的“水电工程参数化设计应用”入围2013年Be创新奖。此外，在巴基斯坦阿扎德帕坦工程的详细设计中，应用BIM技术的设计成果直观准确，获得了项目业主的一致好评。项目设计人员根据业主需求，制定了针对此项目的设计、施工、运行全生命周期的BIM应用策划，积极推进该项目的BIM全生命周期应用进程。

四、BIM技术在海外水利水电工程应用中遇到的困难

BIM技术应用受到制约。BIM技术在水利水电工程上的应用还存在很多的制约条件，如合同规定、基础资料的深度、业主要求、咨询工程师的审查等，有的项目合同中要求采用二维设计，提供的成果必须为二维设计成果；有的基本资料深度不够，例如地质、地形资料，无法满足建模要求；有的业主、咨询工程师本身不具备BIM技术审查能力等。在BIM技术应用初期，多数项目实施单位尚不接受三维图纸作为施工图纸，依然习惯于二维图纸，随着BIM技术的发展，现在可以把三维模型转化为二维图纸，但这样费时费力，等于二次出图，并且还存在图纸标注、钢筋图绘制等困难。专业协同存在困难。一些项目设计本身不是一个设计单位承担，土建设计与机电设计单位分属两个设计单位时，BIM的协同设计存在很大困难，协调也很困难。一些中小型项目，业主认为没必要采用BIM技术，而这些工程往往结构简单、规模小、专业容易协调。综上，BIM技术在水利水电工程项目中的应用遇到了诸多问题与挑战。但随着BIM技术的不断发展，国内外一些大型水利水电工程或跨流域调水工程对BIM技术的应用需求愈发强烈，工程参建各方逐渐意识到应用BIM技术不但可以提高设计效率，提高工程建设管理水平，而且将BIM技术的应用延伸至工程运行阶段，可以更好的发挥工程经济效益，节约运维成本。

五、结语

目前，中水北方公司正在实施数字化转型战略，其重要目标之一是业务数字化，BIM技术与公司各相关业务的深度融合是业务数字化的重要组成部分，三维设计推进需要与数字化转型的实施同步，集成应用物联网、5G、大数据、云计算、人工智能、虚拟现实等技术，支撑公司各项业务的创新发展，实现BIM技术在工程设计、建造、运维等全生命周期工程数字化服务应用，形成相关软件产品，并开展相关业务，打造基于BIM的工程数字化技术品牌。中水北方公司将继续扩展海外项目BIM技术应用范围，不断深入应用程度，运用BIM技术与勘察设计、智慧水利、工程总承包、全过程咨询、监测检测等各项业务全面融合，形成企业设计技术管理等方面的优势产品，不断拓宽海外市场。