水利工程BIM技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用芻議

徐 鵬，孫文博,馮恬恬,李家華,錢原銘

(1.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

1974年,卡耐基梅隆大學(xué)的查爾斯·伊斯曼教授創(chuàng)建了BIM概念即模型-建筑描述系統(tǒng)(構(gòu)建一個(gè)由計(jì)算機(jī)繪制的建筑物的平臺(tái),來(lái)實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目各步驟的可見(jiàn)化,從而大幅度增加工程的效率)[1]。建筑信息模型BIM(building information modeling)，是一種實(shí)現(xiàn)信息共享的三維模型，其包含了建設(shè)項(xiàng)目中策劃、運(yùn)行和維護(hù)的生命周期過(guò)程的全部工程信息。不同的工程技術(shù)人員可以通過(guò)使用該三維模型來(lái)對(duì)建設(shè)項(xiàng)目作出正確的處理方案，實(shí)現(xiàn)各團(tuán)體之間的數(shù)據(jù)信息交互,提高施工效率[2]。通過(guò)使用BIM技術(shù)，以工程數(shù)字化作為核心的工程全生命周期管理，能夠?yàn)樗袠I(yè)的創(chuàng)新提供機(jī)會(huì)[3]。

1 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 可視化

BIM提供可視化特征,將人們從圖紙上的平面視圖帶到一個(gè)三維立體的建筑物上來(lái),提升構(gòu)件與構(gòu)件之間的交互性。水利工程是由無(wú)數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單或復(fù)雜的構(gòu)件組合成的大型工程，通過(guò)BIM的可視化，可以讓非專業(yè)人員理解建筑物設(shè)計(jì),更好地協(xié)調(diào)自己的本職工作[4]。

1.2 協(xié)調(diào)性

水利工程的設(shè)計(jì)與建造流程復(fù)雜,涉及專業(yè)繁多,如電工,建筑等。BIM技術(shù)能讓不同單位,不同職務(wù)的人員實(shí)現(xiàn)交流合作,能避免因交流方面引起的問(wèn)題[5]。

1.3 模擬性

BIM能通過(guò)對(duì)已建模型分析,模擬出水利施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法完成的操作。例如:臨時(shí)疏散模擬,施工階段模擬(三維模型+項(xiàng)目進(jìn)度)，減少施工中不必要的成本，縮短工時(shí)。

1.4 優(yōu)化性

BIM能對(duì)水利工程項(xiàng)目進(jìn)行更好的優(yōu)化，當(dāng)工程復(fù)雜到一定的程度，人為的優(yōu)化可能已無(wú)法滿足項(xiàng)目的需求。而B(niǎo)IM可以通過(guò)其配套的優(yōu)化軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，從而降低失事的風(fēng)險(xiǎn)。

2 BIM技術(shù)的發(fā)展

2.1 國(guó)外發(fā)展

一些發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于水利等基礎(chǔ)設(shè)施的需求已接近飽和，因此BIM在國(guó)外水利行業(yè)的應(yīng)用并不多。但是國(guó)外BIM技術(shù)的發(fā)展及其相關(guān)的法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)已相當(dāng)成熟，仍值得我們借鑒。

2.1.1 美國(guó)

美國(guó)對(duì)BIM的研究與應(yīng)用起步最早，至今美國(guó)BIM在建筑工程的應(yīng)用早已位列世界前沿。美國(guó)分別在2007年、2012年、2015年以IFC為標(biāo)準(zhǔn)制定了[6]NBIMS-USV1,NBIMS-USV2，NBIMS-USV3。美國(guó)BIM標(biāo)準(zhǔn)中一大亮點(diǎn)就是集結(jié)了整個(gè)工程項(xiàng)目的各個(gè)參與方和施工方，將其按照相同標(biāo)準(zhǔn)簽訂所需合同，共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)損失，在某些方面也可以稱為是經(jīng)濟(jì)利益的再分配[7]。從2009年開(kāi)始，美國(guó)就要求各州，凡是預(yù)算超500萬(wàn)以上的公共建設(shè)項(xiàng)目，都強(qiáng)制要求使用BIM。

BIM技術(shù)在美國(guó)軍方工程中的應(yīng)用也早有一段歷史。在2006年10月，陸軍工程兵部隊(duì)下屬工程研究與發(fā)展中心擬定了對(duì)未來(lái)BIM發(fā)展的十五年規(guī)劃，并在規(guī)劃中許諾未來(lái)的所有軍事化設(shè)施或建筑項(xiàng)目都將使用BIM[8]。

2.1.2 英國(guó)

2011年英國(guó)發(fā)布“government construction strategy”,其中特別強(qiáng)調(diào),至2016年,政府要求將全部文件以信息化方式管理,并表示會(huì)以政府的力量來(lái)協(xié)調(diào)英國(guó)建筑行業(yè)對(duì)BIM的使用。為在2016年實(shí)現(xiàn)全面協(xié)同的3D·BIM目標(biāo)(BIM Level 2)，英國(guó)政府將BS1192系列(基于二維和三維技術(shù)的建設(shè)信息協(xié)同標(biāo)準(zhǔn))等BIM標(biāo)準(zhǔn)提供全部免費(fèi)下載，現(xiàn)如今英國(guó)在BIM方面的應(yīng)用已成為世界頂尖水平[9]。

2.1.3 澳大利亞

BIM在澳大利亞的應(yīng)用發(fā)展不同于其他國(guó)家(美國(guó)的自下而上的模式——由BIM廠商進(jìn)行推廣，英國(guó)的自上而下模式——政府頒布法令推廣BIM)，澳大利亞更適合說(shuō)是由其中間機(jī)構(gòu)配合政府發(fā)展出來(lái)的。中間機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)推動(dòng)，然后由國(guó)家推出相應(yīng)的政策，從而推進(jìn)BIM在澳大利亞的發(fā)展[10]。

2.1.4 新加坡

2010年,新加坡為促進(jìn)國(guó)民更多地應(yīng)用BIM,加快新加坡BIM發(fā)展,設(shè)立了一個(gè)總值為600萬(wàn)的BIM項(xiàng)目,對(duì)任何企業(yè)都持開(kāi)放狀態(tài)。2012年,新加坡發(fā)布的BIM標(biāo)準(zhǔn)指南中,新加坡建設(shè)局自2013年起嚴(yán)令各公司遞交建筑、結(jié)構(gòu)與機(jī)電等BIM模型。直至2015年每個(gè)超過(guò)5 000 m2建筑面積的工程都需要按照規(guī)定先構(gòu)建BIM模型再進(jìn)行施工，并且需強(qiáng)制提交模型。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展

2005年,中國(guó)在北京成立國(guó)際協(xié)作聯(lián)盟 (industry alliance for interoperability, IAI)分部,從此中國(guó)開(kāi)始參與制定國(guó)際BIM標(biāo)準(zhǔn)。之后,中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院根據(jù)我國(guó)國(guó)情制作出適用于中國(guó)需要的BIM標(biāo)準(zhǔn)，而IFC(industry foundation classes)作為三維建筑信息交換標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中國(guó)制定標(biāo)準(zhǔn)起到了關(guān)鍵作用。近些年國(guó)內(nèi)關(guān)于BIM的具體政策及相關(guān)內(nèi)容情況表(見(jiàn)表1)。

表1 國(guó)內(nèi)BIM政策

在水利行業(yè)，中國(guó)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)自發(fā)組織的水利水電BIM設(shè)計(jì)聯(lián)盟結(jié)合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)制定了中國(guó)自己的水利水電標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)了BIM在水利行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)[11]。

2.2.1 香港

自2006年以來(lái),香港房屋署做出了適合自己的BIM標(biāo)準(zhǔn),并設(shè)立信息數(shù)據(jù)庫(kù)等,為用戶與用戶之間的交流構(gòu)造了適宜氛圍[12]。

2.2.2 上海

上海是國(guó)內(nèi)最早使用BIM技術(shù)的城市之一，無(wú)論是世博會(huì)，上海夢(mèng)中心項(xiàng)目，還是上海迪士尼都體現(xiàn)了BIM技術(shù)在上海建筑的普及[13]。上海舉辦了各類BIM技術(shù)論壇、峰會(huì)，還開(kāi)展了BIM技術(shù)應(yīng)用大賽等一系列活動(dòng)。2018年上海BIM投資項(xiàng)目數(shù)量達(dá)822個(gè)，總投資超6 000多億，這也進(jìn)一步的推廣了BIM技術(shù)[14]。

3 BIM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

3.1 BIM+3D打印

BIM技術(shù)把建筑模型從二維圖紙轉(zhuǎn)移到了三維模型上，而成熟的3D打印技術(shù)讓BIM與3D打印的結(jié)合成為了可能。以BIM三維數(shù)字模型為核心，通過(guò)3D打印出實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了虛擬到現(xiàn)實(shí)的實(shí)體轉(zhuǎn)換[15]。通過(guò)將BIM模型拆分打印，可模擬出施工順序，配合Navisworks的施工模擬更加便于施工方的理解[16]。

3.2 BIM+無(wú)人機(jī)

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量能夠較為精確地得出地形數(shù)據(jù)，再配合無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)，可以得到施工地形的三維實(shí)景模型[17]。但目前掌握三維實(shí)景模型的單位，大多將三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維平面數(shù)據(jù)再進(jìn)行使用，但這樣對(duì)三維實(shí)景模型的利用率不高[18]。BIM與無(wú)人機(jī)的結(jié)合，能夠?qū)⒁苿?dòng)監(jiān)控設(shè)備與數(shù)字虛擬平臺(tái)有效利用到工程監(jiān)理之中[19]。配合無(wú)人機(jī)在空中的攝像，施工方能夠通過(guò)BIM平臺(tái)觀測(cè)到施工的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，能夠通過(guò)不同的視覺(jué)角度來(lái)發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的施工問(wèn)題，也能夠解決無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間旁站監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

3.3 BIM+VR

VR虛擬現(xiàn)實(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)、電子信息與仿真技術(shù)的結(jié)合將原本虛擬的環(huán)境帶給人們一種真實(shí)的感受。BIM模型在展示效果上有些許的不足，驗(yàn)收人員或甲方難以通過(guò)BIM模型理解設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念，而VR可以增強(qiáng)BIM的展示效果[20]。BIM+VR將工程模型從可見(jiàn)不可觸轉(zhuǎn)變成了可見(jiàn)可觸[21]。結(jié)合Navisorks的三維漫游，我們可以利用VR技術(shù)做到實(shí)體參觀，監(jiān)測(cè)。

3.4 BIM+人工智能

人工智能是用于模擬及延伸人智能的新型技術(shù)，將BIM技術(shù)與人工智能相結(jié)合通過(guò)BIM技術(shù)與人工智能構(gòu)建綜合治理平臺(tái)，將建筑信息模型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與融合，借助人工智能充分發(fā)揮BIM優(yōu)化性的特點(diǎn)，能夠高效篩選出最優(yōu)方案，縮短項(xiàng)目的工期，提高項(xiàng)目的質(zhì)量[22]。

3.5 BIM+智慧化

智慧水利是云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)在水利工程中的綜合應(yīng)用。如果將BIM技術(shù)與智慧水利進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)智慧水利平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、無(wú)死角的視頻監(jiān)管以及施工場(chǎng)地多方管控[23]。

4 BIM在水利工程中的應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)階段

通過(guò)BIM技術(shù)，可以將水利工程二維圖紙轉(zhuǎn)化為參數(shù)化的三維模型(見(jiàn)圖1)。利用數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，設(shè)計(jì)師可利用自己優(yōu)勢(shì)行業(yè)對(duì)該模型進(jìn)行修改。為滿足工程需要，越是大型的水利工程有著越高的要求,利用BIM碰撞檢測(cè)等能夠極大地縮短校核時(shí)間，只需在碰撞檢測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)校核，這樣，就避免設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤影響施工結(jié)果[24]。

圖1 水工建筑模型

4.2 施工階段

在施工階段，通過(guò)使用navisworks在模型上進(jìn)行虛擬施工模擬，操作者只需設(shè)置工程計(jì)劃，便可觀察到各個(gè)工程進(jìn)度，施工者可以根據(jù)施工模擬來(lái)實(shí)施下一步工作，也可以在這基礎(chǔ)上進(jìn)行造價(jià)預(yù)算模擬來(lái)達(dá)到對(duì)成本的控制[25]。Navisworks還具有三維漫游功能，方便施工班組了解管線走向[26]。由于BIM技術(shù)具有交互性，施工方與設(shè)計(jì)方能夠有著更直接的聯(lián)系，每一次改動(dòng)，或施工上理解的差異都能及時(shí)交涉，也在極大程度上防止了因施工方對(duì)設(shè)計(jì)圖紙誤讀而產(chǎn)生耽擱。

4.3 運(yùn)維階段

運(yùn)維階段(運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段)是整個(gè)工程周期中最漫長(zhǎng)的部分，也是全生命周期的最終階段。而B(niǎo)IM技術(shù)在運(yùn)維階段應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)在可溯源性，即在進(jìn)行構(gòu)造水工模型時(shí)，模型的各個(gè)構(gòu)建的材質(zhì)都可標(biāo)明。當(dāng)出現(xiàn)因零件而產(chǎn)生的問(wèn)題時(shí)，便可翻查模型找到問(wèn)題所在，防止問(wèn)題惡化。在建模期間的各種材料數(shù)據(jù)都有記錄，通過(guò)查看建筑物全方面信息，可以使工作人員更好地監(jiān)測(cè)水工建筑的使用狀態(tài)，做到定期維護(hù)[27]，還可通過(guò)BIM模型整合水利工程監(jiān)控系統(tǒng)，將各工作狀態(tài)信息體現(xiàn)在BIM模型中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能監(jiān)控[28]。

5 BIM應(yīng)用案例

5.1 上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心西船閘

圖2所示的該項(xiàng)目通過(guò)CATIA平臺(tái)建立出數(shù)字模型，首創(chuàng)可拆卸式3D打印實(shí)體模型，成功地將數(shù)字模型與實(shí)體模型結(jié)合，使各項(xiàng)目參與方能夠更加清晰直觀地理解船閘結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目又通過(guò)開(kāi)發(fā)的預(yù)埋件、預(yù)留孔洞驗(yàn)收管理系統(tǒng)(PPIM系統(tǒng))，圍繞預(yù)埋件，將項(xiàng)目各負(fù)責(zé)人以工作流的方式進(jìn)行管理。再結(jié)合預(yù)埋件二維碼，通過(guò)二維碼獲取預(yù)埋件信息，快速精確地完成驗(yàn)收，提高驗(yàn)收效率[28]。該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)BIM的應(yīng)用與PPIM系統(tǒng)的研發(fā)極大地縮短了工期，同時(shí)，建模期間的數(shù)據(jù)又為日后船閘運(yùn)維階段提供了便利，降低了成本。

圖2 上海國(guó)際航運(yùn)中心西船閘應(yīng)用模式圖

5.2 新疆喀拉托別水電站

該項(xiàng)目將autodesk公司的civil 3D、revit、navisworks等軟件作為主要工具，按照不同專業(yè)分配任務(wù)，再通過(guò)autodesk 360與vault結(jié)合實(shí)現(xiàn)信息交互。通過(guò)navisworks進(jìn)行的碰撞模擬與施工模擬使得設(shè)計(jì)方與施工方等工程負(fù)責(zé)人對(duì)工程有了更清晰地認(rèn)識(shí)，縮短了工期。Civil 3D在一定程度上能夠較為精確的繪制出布設(shè)的地形，結(jié)合infraworks 360將構(gòu)建好的模型進(jìn)行布置，通過(guò)3D Maxs等軟件進(jìn)行渲染，結(jié)合動(dòng)畫效果使得參與人員有更加直觀的感受，該項(xiàng)目的BIM應(yīng)用模式(見(jiàn)圖3)。

圖3 新疆喀拉托別水電站應(yīng)用模式圖

5.3 云南瀾滄江黃登水電站

云南瀾滄江黃登水電站工程由昆明院參與建設(shè)，該項(xiàng)目將revit structure、revit architecture、inventor等軟件作為主要工具，根據(jù)軟件不同功能，對(duì)任務(wù)進(jìn)行分配。由civil 3D地形處理功能配合AIM(autodesk infrastructure modeler)為樞紐布置、基坑開(kāi)挖、場(chǎng)內(nèi)交通等步驟提供了強(qiáng)有力的保障。借助AIM能夠?qū)⒍鄠€(gè)設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)流程整合入三維模型中，模型的每個(gè)個(gè)體都可以進(jìn)行獨(dú)立地修改，有效地避免了重復(fù)工作，從而節(jié)約了時(shí)間，減少了成本[29],該項(xiàng)目的BIM應(yīng)用模式(見(jiàn)圖4)。

圖4 云南瀾滄江黃登水電站應(yīng)用模式圖

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今BIM技術(shù)應(yīng)用不僅是一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，也是管理水利工程行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略層面的問(wèn)題。從當(dāng)前水利行業(yè)發(fā)展的態(tài)勢(shì)分析來(lái)看，BIM技術(shù)有很大的發(fā)展空間，并終將成為水利行業(yè)發(fā)展的有力工具。BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，除了現(xiàn)有軟件的迭代更新以外，建議從培養(yǎng)與儲(chǔ)備從業(yè)人才、制定行業(yè)BIM規(guī)范、改善和變革新的管理模式等方面著手，以加快行業(yè)內(nèi)BIM應(yīng)用的速度。同時(shí)，應(yīng)有效地實(shí)現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將BIM技術(shù)與人工智能等新興技術(shù)相結(jié)合，以更好地促進(jìn)水利行業(yè)的發(fā)展。