水電工程數(shù)字移交技術(shù)研究

李 謐， 周恒宇，沈國焱

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

信息化作為工程建設(shè)領(lǐng)域變革的重要驅(qū)動力，引領(lǐng)著建設(shè)行業(yè)向數(shù)字化、智能化發(fā)展。水電工程勘測設(shè)計企業(yè)采用數(shù)字化設(shè)計提高設(shè)計質(zhì)量與效率，施工企業(yè)采用數(shù)字化仿真模擬提高施工過程的可靠性與安全性，在此過程中形成了眾多的數(shù)字化產(chǎn)品。與傳統(tǒng)二維設(shè)計單一的圖檔管理不同，數(shù)字化時代的成果形式豐富，以BIM模型為基礎(chǔ)，數(shù)字化模型及產(chǎn)品流轉(zhuǎn)于水電工程的全生命周期，水電工程信息化數(shù)字化發(fā)展的重點已由新建變?yōu)檎?，由單一變?yōu)閰f(xié)同，由分散變?yōu)榧蒣1]。如何交付數(shù)字產(chǎn)品，如何對交付的數(shù)字產(chǎn)品及其相關(guān)成果進行管理，如何實現(xiàn)基于數(shù)字成果的集成協(xié)同應用，減少傳統(tǒng)交付方式導致的錯誤，節(jié)約成本、提高質(zhì)量和效益，這都成為水電工程數(shù)字化建設(shè)中的重要課題。本文就研究水電工程數(shù)字移交平臺的研發(fā)難點及建設(shè)重點進行闡述。

1 水電工程數(shù)字移交現(xiàn)狀

數(shù)字化技術(shù)的應用使水電工程的設(shè)計模式、交付模式發(fā)生了變化，也使復雜的空間對象有了更直觀更形象的表達方式[2]。BIM以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了工程項目各種相關(guān)信息[3]，最終形成的工程數(shù)據(jù)模型是對工程項目設(shè)施實體與功能性的數(shù)字化表達[4]。水電工程數(shù)字產(chǎn)品以BIM模型為基礎(chǔ)，作為水電工程全生命周期信息的載體，使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交付中的信息孤島眾多、信息不對稱、信息傳遞無序、無效工作眾多等問題有了解決方案。設(shè)計與建造過程中的三維可視化應用也為電站運維階段中可視化管理、數(shù)據(jù)接入、信息交互、信息表達及分析奠定了基礎(chǔ)[5]。隨著應用的不斷加深，數(shù)字化交付的需求不斷增加，目前水電工程數(shù)字交付水平參差不齊，主要包括以下幾方面：

(1)根據(jù)《水利水電勘測設(shè)計行業(yè)BIM技術(shù)應用》調(diào)研報告，水利水電行業(yè)BIM軟件主要圍繞國外三大平臺廠商，分別是Autodesk、Bentley和Dassault[6]。這些平臺均有針對自身BIM軟件的輕量化數(shù)字交付工具，如：Navisworks、Bentley Navigator、3DVIA Composer，然而交付工具僅解決BIM模型交付，具備一定的文檔、屬性掛接功能，是文件級的輸出，輸出成果分散，集成的信息較單一。

(2)基于BIM的協(xié)同及文檔管理平臺，如ProjectWise、Vault，雖能進行協(xié)同設(shè)計與文檔管理，但其工作流程需要基于設(shè)計、施工、運維等不同階段的應用需求進行開發(fā)定制，操作的自由度較低、靈活度較弱。由于缺乏對模型結(jié)構(gòu)、屬性信息、編碼等關(guān)聯(lián)管理，不能滿足數(shù)字交付的應用需求。

(3)水電工程規(guī)模龐大，工程設(shè)計復雜，參與專業(yè)眾多，無法通過某一BIM軟件或平臺完成設(shè)計工作。不同軟件的產(chǎn)品需要進行數(shù)據(jù)交換，造成數(shù)據(jù)量成倍數(shù)增加，屬性丟失；眾多的應用軟件造成數(shù)據(jù)格式多樣，綜合應用的效率降低，數(shù)據(jù)管理難度增加，且Autodesk、Bentley、Dassault等平臺承載的圖形數(shù)據(jù)在多次轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)換丟失、圖形失真等問題。

(4)由于缺乏集成管理，數(shù)字化產(chǎn)品與報告、圖檔等文件集成度較低，無法滿足數(shù)字交付全信息、全過程的需求及目標。

(5)企業(yè)各信息化系統(tǒng)大多是相對獨立的，由于企業(yè)負責的工程項目往往位于不同的地點，各參與人員也處在不同環(huán)境中[7]，數(shù)據(jù)分散、重復，數(shù)據(jù)共享性較差，數(shù)據(jù)互通性也較差。

(6)水電工程諸多勘測及設(shè)計信息保密性較強，在數(shù)字移交的過程中對數(shù)據(jù)安全性的要求更高，傳統(tǒng)文件式的管理過程很難做到數(shù)據(jù)安全及加密保護，存在較大的隱患。

2 水電工程數(shù)字移交平臺研發(fā)關(guān)鍵點

通過上述分析，總結(jié)水電工程數(shù)字移交平臺研發(fā)的關(guān)鍵點，以便指導數(shù)字移交平臺開發(fā)和進行水電工程數(shù)字移交及管理。水電工程數(shù)字移交平臺是以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，以打通數(shù)據(jù)交換壁壘為研發(fā)重點，以可視化管理為平臺特點，通過數(shù)字化集成手段，結(jié)合項目管理工作流程、不同階段、角色的應用需求，解決水電工程交付數(shù)據(jù)的全生命周期管理問題，滿足輕量化、標準化、結(jié)構(gòu)化、集成性、可擴展性、可追溯性、安全性的工作目標。

(1)可視化。水電工程數(shù)字移交各階段成果以BIM模型作為數(shù)據(jù)載體與各方溝通協(xié)作的基礎(chǔ)。

(2)標準化。數(shù)字移交平臺需兼容各類BIM數(shù)據(jù)，平臺接入的數(shù)據(jù)格式標準化，減少由于BIM數(shù)據(jù)格式眾多、數(shù)據(jù)傳輸量大帶來的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)兼容性等問題。

(3)輕量化。包括數(shù)據(jù)輕量化及使用輕量化[8]，數(shù)據(jù)交換后接入移交平臺將對BIM數(shù)據(jù)進行大幅度的壓縮和優(yōu)化，同時數(shù)字移交的應用也應簡便輕量，易于操作。

(4)結(jié)構(gòu)化。通過結(jié)構(gòu)樹形式組織，根據(jù)一定劃分規(guī)則(功能、類型、區(qū)域等)將BIM模型進行分類組織及編碼，即結(jié)構(gòu)化的模型數(shù)據(jù)作為數(shù)字移交集成各類數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)。

(5)集成性。數(shù)字移交平臺將以BIM模型為基礎(chǔ)，集成水電工程全生命周期中的各類數(shù)據(jù)，包含圖紙、工程資料、運維信息等。由于集成的數(shù)據(jù)量大，要求對集成的數(shù)據(jù)進行集中、分類存儲管理及編碼管理，保證移交平臺穩(wěn)定可靠。

(6)可擴展性。針對移交過程中不同的業(yè)務(wù)流程及功能需求，平臺可基于基礎(chǔ)架構(gòu)進行功能擴展與定制開發(fā)，具備較大的靈活性，能較好地適應業(yè)務(wù)和應用的變化和擴容。

(7)可追溯性。基于數(shù)字移交平臺實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的過程管理，即：通過數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程及交互過程進行追溯及管理，實現(xiàn)實時查詢、統(tǒng)計及分析的全信息化、全過程管理。

(8)安全性。數(shù)字移交平臺的BIM數(shù)據(jù)為通過源模型轉(zhuǎn)換后的輕量化模型，其中，勘測數(shù)據(jù)、內(nèi)部詳細結(jié)構(gòu)均進行了簡化處理，同時平臺建立安全機制，對集成的數(shù)據(jù)進行加密，保障傳遞過程的數(shù)據(jù)安全。

3 水電工程數(shù)字移交平臺研發(fā)

根據(jù)上述研究的水電工程數(shù)字移交平臺研發(fā)的關(guān)鍵點，進行數(shù)字移交平臺研發(fā)，主要包括移交平臺功能架構(gòu)及功能要點。

3.1 數(shù)字移交平臺架構(gòu)

水電工程數(shù)字移交平臺以BIM模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理及業(yè)務(wù)協(xié)同，其功能架構(gòu)包含基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應用層、用戶層，平臺功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 移交平臺功能架構(gòu)

(1)基礎(chǔ)層。包含系統(tǒng)服務(wù)器、文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)服務(wù)器。

(2)數(shù)據(jù)層。提供各種數(shù)據(jù)(BIM模型、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)等)的存儲服務(wù)，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。

(3)服務(wù)層。提供各種主要的服務(wù)，主要有流程引擎，搜索引擎，報表分析引擎，圖形引擎，數(shù)據(jù)交換引擎等。

(4)業(yè)務(wù)應用層。實現(xiàn)應用邏輯及各類業(yè)務(wù)功能，包括數(shù)據(jù)BIM模型管理、數(shù)據(jù)管理、BIM數(shù)據(jù)交換、流程管理、屬性管理、編碼管理、質(zhì)量管理等十余項模塊。

3.2 數(shù)字移交平臺功能

水電工程數(shù)字移交平臺主要包含以下功能要點。

3.2.1 可視化操作

對導入到平臺的模型進行瀏覽、剖切、漫游、屬性查看、測量及批注等基礎(chǔ)三維可視化操作，見圖2?？梢暬僮鞑⒉荒軐δＰ瓦M行編輯，僅能進行基于模型的附加操作，并保存當前操作的視圖及操作結(jié)果。

圖2 BIM模型視點

3.2.2 BIM模型轉(zhuǎn)換及模型輕量化

平臺支持如前所述水電工程行業(yè)BIM設(shè)計應用常用的三大平臺軟件的數(shù)據(jù)交換，并對導入平臺的數(shù)據(jù)進行輕量化壓縮。

(1)各設(shè)計平臺的模型經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一。

(2)對導入平臺的模型進行輕量化壓縮，壓縮比可達80%以上。

(3)對超過500 M的模型，或模型構(gòu)件數(shù)量超過一定量級的源模型，進行自動拆分導入。

(4)對轉(zhuǎn)入的模型構(gòu)件自動進行唯一標識編碼。

(5)在瀏覽過程中對模型的顯示加載方式進行優(yōu)化處理。

3.2.3 BIM模型組織

導入的BIM模型根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行結(jié)構(gòu)樹的組織與管理。

(1)進行模型結(jié)構(gòu)樹的創(chuàng)建，對于相似結(jié)構(gòu)可創(chuàng)建模板，應用模板快速創(chuàng)建結(jié)構(gòu)樹，BIM模型結(jié)構(gòu)樹見圖3。

(2)結(jié)構(gòu)樹可與導入的BIM模型一致，也可對導入的模型按照應用需求、劃分規(guī)則，進行分類組織與管理。

(3)對結(jié)構(gòu)樹進行自動或手動編碼。

圖3 BIM模型結(jié)構(gòu)樹

3.2.4 數(shù)據(jù)集成

基于BIM模型完成數(shù)據(jù)的集成，屬性的編輯或新建，文檔關(guān)聯(lián)見圖4。

(1)分類設(shè)置BIM模型屬性字段，導入后可讀入并對應寫入模型自帶屬性或新錄入、修改屬性等。

(2)將圖檔數(shù)據(jù)按照BIM結(jié)構(gòu)樹進行掛接，或按照業(yè)務(wù)需求進行分類管理。

(3)實現(xiàn)圖檔數(shù)據(jù)不同維度的查詢與統(tǒng)計。

3.2.5 流程管理

根據(jù)業(yè)務(wù)需求、人員權(quán)限進行工作流程的設(shè)定，包括審批、協(xié)同溝通等。

(1)定制工作流程模板，進行標準化管理。

(2)實時追蹤流程，基于平臺進行在線溝通、工作協(xié)同。

3.2.6 平臺接口

平臺采用標準的WebApi技術(shù)構(gòu)建REST-ful接口服務(wù)，提供各類數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)讀取與接入服務(wù)。

(1)定制各種GET服務(wù)接口，用于其他系統(tǒng)獲取平臺開放的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

(2)定制各種POST服務(wù)接口，用于集成其他系統(tǒng)管理的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2.7 移動APP

水電工程數(shù)字移交平臺不僅支持B/S的部署，也支持手機移動端的部署，將BIM技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合， 幫助項目人員實時、 有效、 直觀地查詢BIM信息并進行協(xié)同合作。通過移動APP可以快速進行流程處理、圖檔查詢、問題跟蹤、協(xié)同溝通等應用，促進項目快速開展，節(jié)約成本，有效提高工程參建各方的溝通效率。

4 水電工程數(shù)字移交平臺應用價值

通過水電工程數(shù)字移交平臺對模型、文檔及數(shù)據(jù)的管理，構(gòu)建起項目模型、工程文檔、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，進行項目全過程以及各參與方的綜合集成管理。

數(shù)字移交平臺的模型經(jīng)過輕量化處理將不同設(shè)計平臺、軟件的工程模型整合在一起，便于集中管理，有效避免因格式多樣及數(shù)據(jù)來源多樣造成的模型缺失、數(shù)據(jù)混亂，保證水電工程模型的整體性及數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一性。不同的用戶、角色根據(jù)需求進行結(jié)構(gòu)樹的重新組織與管理，以模型管理、可視化會商為目標，滿足水電工程各階段對模型的功能需求。模型與文檔、編碼進行集成關(guān)聯(lián)，在移交平臺中進行模型、文檔的管理，包括版本管理、編碼管理等，實時進行查詢與統(tǒng)計，形成數(shù)據(jù)中心，有效避免傳統(tǒng)文件式管理造成的移交數(shù)據(jù)分散，工作效率低等問題。不同階段、不同角色基于同一平臺、同一數(shù)據(jù)源進行溝通協(xié)作，并基于模型進行可視化的會商管理，加強了各參與方之間的信息共享、交流和協(xié)同工作，促進工程項目管理向高效的集成化方向發(fā)展。

5 結(jié) 語

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展與BIM技術(shù)的深入應用，水電工程數(shù)字化產(chǎn)品不斷累積，水電工程數(shù)字移交的應用需求不斷加深，數(shù)字產(chǎn)品更加多樣化，數(shù)字交付的應用范圍及不斷加大，數(shù)據(jù)的多樣性、復雜性逐漸增加。水電工程數(shù)字移交技術(shù)研究將在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)集成等方面進行優(yōu)化。水電工程數(shù)字移交平臺開發(fā)將是一個不斷完善與優(yōu)化的過程，最終形成覆蓋全生命周期的工程數(shù)據(jù)平臺，促進水電工程管理向高效的數(shù)字化、集成化方向發(fā)展。