“BIM+”跨界應(yīng)用開拓智慧水利

圖1～2 前坪水庫導(dǎo)航項(xiàng)目三維設(shè)計成果圖

水利工程設(shè)計是一個涵蓋多專業(yè)、跨越多階段的知識集成創(chuàng)新過程，BIM技術(shù)作為設(shè)計手段的第三次革命，具有設(shè)計高效率協(xié)同、設(shè)計資源高度共享和最大限度避免重復(fù)勞動等優(yōu)勢，BIM技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)在工程設(shè)計行業(yè)的應(yīng)用讓傳統(tǒng)水利遇到前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司以“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維和BIM的跨界應(yīng)用開拓水利創(chuàng)新之路，實(shí)現(xiàn)了水利工程設(shè)計的附加值，并取得了探索新盈利模式的階段性成果。本文結(jié)合技術(shù)探索和業(yè)務(wù)開拓，拋磚引玉，以期能給兄弟單位提供參考和借鑒。

三維初體驗(yàn)探索中前行

目前，國內(nèi)勘查設(shè)計行業(yè)正在由傳統(tǒng)的二維設(shè)計向三維協(xié)同設(shè)計邁進(jìn)，其中機(jī)械、電子、石油、電力及航天等行業(yè)已經(jīng)率先進(jìn)行了二維設(shè)計向三維協(xié)同設(shè)計的變革，設(shè)計效率、設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品市場競爭力都有較大的提升。水電行業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計研究工作起步于2003年左右，以水電顧問集團(tuán)下屬華東院、成勘院等為首的設(shè)計單位分別開展了基于Bentley等幾家公司的三維設(shè)計平臺應(yīng)用研究，經(jīng)過多年探索，從2008年左右開始嘗試應(yīng)用于部分水電工程項(xiàng)目的廠房和電站設(shè)計。

河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司（以下簡稱“河南省水利院”）從2010年左右開始關(guān)注三維協(xié)同設(shè)計。2011年年初到2012年11月份之間，經(jīng)過近兩年的外部調(diào)研、平臺選型、人員籌備等，于2012年底以前坪水庫工程試手三維協(xié)同設(shè)計。邁出三維協(xié)同設(shè)計的步子，既是市場的需要，也是設(shè)計院自身發(fā)展的需要。三維協(xié)同設(shè)計項(xiàng)目的啟動，既是必然，也有契機(jī)。

組織模式對三維協(xié)同設(shè)計的實(shí)施起決定作用，河南省水利院通過前期的考察和調(diào)研，在戰(zhàn)略層面對三維協(xié)同設(shè)計工作給以了高度重視，由專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)具體實(shí)施，在公司層面進(jìn)行了三維協(xié)同設(shè)計人員的公開選拔，脫離原崗位專門從事三維協(xié)同設(shè)計學(xué)習(xí)和試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施工作，并在被選拔人員的待遇、設(shè)計師等級評定方面予以一定的傾斜，保證參與三維設(shè)計人員積極性。在公司層面，由主管副總經(jīng)理主抓，高效解決需要公司協(xié)調(diào)的問題；主管技術(shù)總監(jiān)為技術(shù)總負(fù)責(zé)，在技術(shù)上總體把握和協(xié)調(diào)。

水庫工程對省級設(shè)計院而言，是所有專業(yè)最全的項(xiàng)目，通過一個全專業(yè)覆蓋的項(xiàng)目開展試點(diǎn)應(yīng)用既可以達(dá)到檢驗(yàn)三維協(xié)同設(shè)計軟件與工程設(shè)計的契合度，也可以達(dá)到熟悉軟件鍛煉隊伍的作用。河南省水利院采用正在進(jìn)行可研階段設(shè)計的前坪水庫工程作為導(dǎo)航項(xiàng)目，二維設(shè)計與三維設(shè)計并行工作。

三維設(shè)計團(tuán)隊夜以繼日，用42天完成了導(dǎo)航項(xiàng)目，項(xiàng)目成果包括水庫工程完整的三維數(shù)字信息模型，并利用模型剖切的全套的設(shè)計圖紙，以及對二維設(shè)計的項(xiàng)目優(yōu)化報告。

通過三維協(xié)同設(shè)計與二維設(shè)計的對比，三維設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)突顯。在可研階段二維設(shè)計成果受限于手段和工具，在工程布置方面無法如三維設(shè)計一樣進(jìn)行場地模型的開挖，在幾個重要建筑物進(jìn)口的布置上經(jīng)過開挖模型的組合，發(fā)現(xiàn)泄洪建筑物與輸水建筑物進(jìn)出口的布置相互影響比較大，進(jìn)行了優(yōu)化，既使工程布置合理又節(jié)省了開挖工程量，這是在二維設(shè)計中很難發(fā)現(xiàn)的。在工程量計算方面，利用三維設(shè)計的數(shù)字模型可以快速精確的計算工程量，與二維設(shè)計有差異的地方經(jīng)過詳細(xì)核實(shí)，最終還是采用了三維設(shè)計的計算結(jié)果。

經(jīng)過導(dǎo)航項(xiàng)目的試手，達(dá)到了測試軟件、鍛煉隊伍的目的，同時也為進(jìn)一步開展三維設(shè)計推廣BIM技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

渡過短暫迷茫試問路在何方

河南省水利院經(jīng)歷過三維設(shè)計處女作的激勵之后，也和其它單位一樣有過一個短暫的迷茫期，導(dǎo)航項(xiàng)目之后，三維協(xié)同設(shè)計如何推廣實(shí)施，與原有二維設(shè)計體系如何銜接？是直接全面推廣還是循序漸進(jìn)？省級水利設(shè)計院的項(xiàng)目類型多、體量小、設(shè)計周期短，不能完全復(fù)制導(dǎo)航項(xiàng)目模式，此外，導(dǎo)航項(xiàng)目的學(xué)習(xí)畢竟只是開端，相對還比較粗淺，在短短42天內(nèi)嘗試應(yīng)用的三維設(shè)計平臺軟件還需要消化吸收。面對這些困惑和難題，公司領(lǐng)導(dǎo)提出先做好三維設(shè)計推廣計劃，結(jié)合規(guī)劃有續(xù)開展應(yīng)用與研究，探索全面推廣所面臨的制約問題。

找準(zhǔn)定位并在導(dǎo)航項(xiàng)目團(tuán)隊基礎(chǔ)上成立了集生產(chǎn)、科研、管理于一體的專職機(jī)構(gòu)——數(shù)字工程中心，結(jié)合生產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行三維設(shè)計的相關(guān)科研探索，再將科研成果指導(dǎo)生產(chǎn)，在良性循環(huán)中梳理全面推廣的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。同時提出了三維協(xié)同設(shè)計的發(fā)展規(guī)劃：一年打基礎(chǔ)，兩到三年技術(shù)基本成熟，四到五年逐步推廣，并且在生產(chǎn)過程中與各生產(chǎn)院的重點(diǎn)項(xiàng)目相結(jié)合，在全員推廣前培育BIM技術(shù)氛圍。

從2012年12月開始導(dǎo)航項(xiàng)目到2013年年初制定三維設(shè)計推廣規(guī)劃后，以數(shù)字工程中心為首，陸續(xù)開展了省級水利設(shè)計院業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的各類型項(xiàng)目。

圖3～4 北川河治理工程三維模型生成的典型效果圖

圖5～6 陜西寶雞峽灌區(qū)漆水河渡槽改建工程三維設(shè)計成果

圖7～8 尼日利亞制水工程、路橋工程三維設(shè)計成果

圖9～10 沙河渡槽工程三維設(shè)計及施工仿真成果

圖11 河南省水利院三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)文件

圖 12～13

2013年4月開始承接山西省呂梁北川河治理工程，從可研階段開始12座水閘的三維設(shè)計，模型一旦建好，后期沒有大的變化，施工圖階段直接利用前期模型進(jìn)行三維配筋，鋼筋圖能夠自動生成。由于采用了三維技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查，后續(xù)施工過程中基本沒有因?yàn)閳D紙質(zhì)量問題發(fā)生的變更，保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

2013年8月，河南省水利院又承接了陜西寶雞峽灌區(qū)漆水河渡槽改建工程。該項(xiàng)目從可研階段開始全部三維設(shè)計，在可研階段方案比選過程中借助于三維設(shè)計的優(yōu)勢在很短時間內(nèi)提交結(jié)合不同施工方案、不同跨度、不同斷面型式的八種比選方案，與二維設(shè)計相比充分利用了有限的設(shè)計同期，贏得業(yè)主的高度認(rèn)可，也使初步設(shè)計順利通過批復(fù)。

2013年10月，河南省水利院還把三維協(xié)同設(shè)計業(yè)務(wù)推廣到了海外，在尼日利亞進(jìn)行了LOKOJIA制水廠的工程設(shè)計、Argongu的道路設(shè)計。

2013年開展了綜合規(guī)模世界第一的沙河渡槽工程三維設(shè)計，利用三維模型進(jìn)行了施工仿真模擬，在施工領(lǐng)域進(jìn)行了嘗試，并借助于三維工程設(shè)計及施工仿真創(chuàng)新成果獲得2013年度全球基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)新特別榮譽(yù)獎。

成功案例驅(qū)動著一個又一個新項(xiàng)目的誕生。三維協(xié)同設(shè)計在業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的典型應(yīng)用積累了技術(shù)，破解了瓶頸，為后期全員推廣奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。伴隨著典型項(xiàng)目的成功應(yīng)用，在積累著三維設(shè)計技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時，也相應(yīng)開展了河南省水利院的企業(yè)三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計環(huán)境的定制，并開始全員推廣和培訓(xùn)。經(jīng)過近三年的逐步積累和推廣，目前全院三維設(shè)計培訓(xùn)率已達(dá)92%。

圖14～15

圖16～17

需求導(dǎo)向，多元BIM創(chuàng)新應(yīng)用

河南省水利院經(jīng)過多年三維協(xié)同設(shè)計的探索和研究，在取得技術(shù)積累同時也總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)深入挖掘BIM技術(shù)的深度應(yīng)用，提出了跨平臺技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的整體解決方案。以三維設(shè)計平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合地理信息GIS平臺、洪水分析平臺、地形制作平臺以及Unreal Engine三維開發(fā)平臺的聯(lián)合應(yīng)用，完成從前期工程三維設(shè)計到后期運(yùn)維管理各階段的工作，充分發(fā)揮三維協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢，并在實(shí)際項(xiàng)目工程中取得了較好的效果和效益。

遙感及無人機(jī)技術(shù)助力工程設(shè)計。以尼日利亞菲利亞公路項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目由于處于前期立項(xiàng)階段，受制于當(dāng)?shù)刂伟矖l件，無法收集或進(jìn)場收集地形地質(zhì)資料，為使業(yè)主對工程充分了解，促進(jìn)工程實(shí)施，設(shè)計團(tuán)隊通過聯(lián)合GIS地理信息平臺、地形制作平臺以及以三維協(xié)同設(shè)計平臺共同完成了工程的前期三維協(xié)同設(shè)計。

（1）采用GIS技術(shù)，利用航拍影像圖生成低精度地形等高線和DEM高程灰度圖。

（2）采用地形制作平臺，以低精度DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，逐步將低精度地形雕刻成包含河流、沖溝、雨水沖刷與侵蝕痕跡的高精度逼真地形，供三維協(xié)同設(shè)計平臺使用。

（3）利用MicroStation為核心的三維協(xié)同設(shè)計平臺進(jìn)行工程三維設(shè)計，建立公路、跨河橋梁、居民房屋等地面附屬物的精確三維模型。

在該項(xiàng)目中，河南省水利院通過采用多平臺聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了缺乏信息條件下的工程設(shè)計，滿足了工程早期設(shè)計階段各方面的要求。

采用無人機(jī)技術(shù)完成三維建模。寶雞峽灌區(qū)漆水河渡槽在進(jìn)行施工圖設(shè)計時，由于進(jìn)出口處地形地質(zhì)條件復(fù)雜，與前期設(shè)計相比，地形條件變化較大，為滿足工程設(shè)計和布置需要，采用了無人機(jī)三維實(shí)景建模技術(shù)，與三維設(shè)計平臺進(jìn)行聯(lián)合使用完成了渡槽進(jìn)出口和工路橋梁的布置與設(shè)計。

在洪水風(fēng)險分析洪災(zāi)損失評估中，通過無人機(jī)航拍后再與相關(guān)軟件進(jìn)行三維實(shí)景建模，準(zhǔn)確掌握了洪水模擬淹沒區(qū)的地形地物和社會經(jīng)濟(jì)情況。相比采用平面地形圖評估的傳統(tǒng)方法更為精準(zhǔn)，同時也節(jié)省了大量實(shí)地調(diào)查的人力和時間。

跨平臺技術(shù)提升防洪調(diào)度水平。編制洪水風(fēng)險圖是貫徹落實(shí)新時期中央水利工作方針，實(shí)施洪水風(fēng)險管理，最大程度減輕洪澇災(zāi)害的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作。河南省水利院在承擔(dān)2013～2015年度全國重點(diǎn)地區(qū)防洪風(fēng)險圖編制工作時，綜合運(yùn)用水利專業(yè)技術(shù)、GIS技術(shù)、BIM技術(shù)、二三維可視化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)IT技術(shù)等跨平臺技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，解決了項(xiàng)目編制過程中的諸多難題。在資料收集整理、模型構(gòu)建、成果展示、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等方面進(jìn)行創(chuàng)新，獲得了各界專家的一致好評。

實(shí)例1：前坪水庫工程設(shè)計及其潰壩的跨平臺應(yīng)用：

（1）采用三維設(shè)計平臺得到各建筑物精確三維信息模型。

（2）以工程三維模型為參考，再進(jìn)行場地的三維開挖，包括各建筑物地基開挖和河道治理擴(kuò)挖，得到開挖后的地形場景。

圖18～19無人機(jī)三維實(shí)景建模在工程設(shè)計中的應(yīng)用

圖21～22水庫三維設(shè)計模型及場地開挖模型

圖 23～24

圖20在洪水風(fēng)險分析項(xiàng)目中應(yīng)用的三維實(shí)景模型

（3）根據(jù)開挖后的場地模型，利用洪水分析軟件對DEM地形數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格和高程插值。

（4）采用水文學(xué)及河流動力學(xué)平臺構(gòu)建潰壩洪水分析計算模型，得到各時刻洪水要素，包括水深、流速、水位等。

（5）將三維設(shè)計模型、開挖后的場地模型以及洪水計算結(jié)果在整合起來，制作前坪水庫三維潰堤洪水模擬場景，實(shí)現(xiàn)洪水的動態(tài)演進(jìn)。

圖25～26

圖27采用跨平臺技術(shù)開發(fā)的開封市洪水風(fēng)險圖應(yīng)用系統(tǒng)

圖28～29水利工程信息化管理系統(tǒng)平臺網(wǎng)絡(luò)端、移動端系統(tǒng)平臺

圖30～31

通過以上跨平臺技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，反映了BIM技術(shù)跨平臺聯(lián)合應(yīng)用的優(yōu)勢，也使河南省水利院在三維協(xié)同設(shè)計中的優(yōu)勢凸顯，不拘泥于一種軟件、一個平臺、一種方法，取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢，同時在各個階段發(fā)揮三維設(shè)計成果的最大利用價值，也借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的跨平臺核心技術(shù)，并以此技術(shù)為依托開展了水利工程從前期設(shè)計到施工建設(shè)和后期運(yùn)行維護(hù)等工程全生命周期服務(wù)。同時利用該技術(shù)開展智慧水利業(yè)務(wù)，目前已初見成效，正在進(jìn)行項(xiàng)目有在建前坪水庫、出山店水庫建設(shè)期信息化管理系統(tǒng)、開封市城市洪水風(fēng)險管理系統(tǒng)、鄭州市智慧水務(wù)綜合信息管理系統(tǒng)以及四川省水利工程產(chǎn)權(quán)三維可視化管理平臺等。

科技興企路漫漫，仍將上下而求索

政府推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推動經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，為水利水電勘測設(shè)計行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新提供了發(fā)展空間。面對外部環(huán)境、政策環(huán)境和市場環(huán)境的改變，勘測設(shè)計單位需要進(jìn)行自我改革與創(chuàng)新，改革原有的業(yè)務(wù)模式、人資資源、組織架構(gòu)，從而完成向現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的轉(zhuǎn)化。河南省水利院以“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維和BIM的跨界應(yīng)用進(jìn)行水利技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了水利工程設(shè)計的附加值，并取得了探索新盈利模式的階段性成果。在探索和實(shí)施“BIM+水利”創(chuàng)新戰(zhàn)略的同時，也認(rèn)識到對目前的階段成果不能固步自封，還要清醒的認(rèn)識到自身的不足。

在實(shí)施“BIM+水利”智慧水利創(chuàng)新戰(zhàn)略的同時，河南省水利院人才隊伍的建設(shè)任重道遠(yuǎn)，特別是復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)絕非一日之功。此外，BIM技術(shù)在公司內(nèi)部全面推廣與應(yīng)用是一個長期系統(tǒng)工程，不是一蹴而就可以完成的，與之相應(yīng)的質(zhì)量、生產(chǎn)管理、考核制度等仍需要不斷完善。在進(jìn)行企業(yè)業(yè)務(wù)向智慧水利轉(zhuǎn)型的過程中，如何為業(yè)主提供人性化的服務(wù)，完成企業(yè)向現(xiàn)代服務(wù)的轉(zhuǎn)化，將服務(wù)也做為一種產(chǎn)品，挖掘潛在業(yè)主需求，為業(yè)主提供多元化的解決方案，都是未來創(chuàng)新路上需要不斷探索的。