文_宋承平（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，工程師）

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是指利用3D數(shù)字模型，將有關(guān)工程項(xiàng)目中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效集成，并進(jìn)行數(shù)字化處理。BIM技術(shù)可以為項(xiàng)目生命周期管理、數(shù)字水利樞紐建設(shè)、水利樞紐運(yùn)營(yíng)提供解決方案，為運(yùn)營(yíng)管理部門創(chuàng)造價(jià)值，為設(shè)計(jì)產(chǎn)品延長(zhǎng)服務(wù)周期，提高生產(chǎn)力，助力企業(yè)成長(zhǎng)。為了使BIM技術(shù)運(yùn)用更加穩(wěn)定、健康，必須根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，制訂符合其發(fā)展要求的方案，并逐步完善相關(guān)的質(zhì)量管理制度。

一、BIM應(yīng)用程序模塊簡(jiǎn)介

目前，BIM技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，比如Autodesk（歐特克）公司的BIM軟件，主要包括CAD（Computer Aided Design，即利用計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程設(shè)計(jì)工作）工程設(shè)計(jì)、Civil 3D（根據(jù)專業(yè)需要進(jìn)行專門定制的計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)及圖形設(shè)備，是業(yè)界認(rèn)可的土木工程道路與土石方解決的軟件包）地形處理、Revit（歐特克公司一套系列軟件的名稱，是為建筑信息模型構(gòu)建的，可幫助建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)質(zhì)量更好、能效更高的建筑的軟件）建筑結(jié)構(gòu)建模、AIM（高級(jí)集成模塊）快速表現(xiàn)、Navisworks（可視化和仿真）建筑仿真等模塊。

CAD模塊集成了以Auto CAD為代表的CAD系統(tǒng)，以及各種機(jī)電產(chǎn)品的CAD軟件。在該系統(tǒng)中，二維模塊可以通過(guò)超鏈接的方式，將Auto CAD的工程設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行編輯和存儲(chǔ)。二維模型是BIM設(shè)計(jì)的最后一步，因?yàn)?D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣布置、施工組織布置都需要用平面圖紙來(lái)完成。

3D模塊主要是由Autodesk公司開發(fā)的Inventor（三維可視化實(shí)體模擬軟件）等軟件組成，并與IGS（根據(jù)IGES標(biāo)準(zhǔn)生成的文件，主要用于不同三維軟件系統(tǒng)的文件轉(zhuǎn)換）等常用的3D模型文件兼容。Civil 3D軟件能夠根據(jù)傳統(tǒng)的點(diǎn)、折線等測(cè)量資料建立曲面。同時(shí)，利用版圖工具生成地塊模型，并且這些模型間存在著過(guò)渡關(guān)系，也就是說(shuō)，當(dāng)某個(gè)地塊發(fā)生改變時(shí)，其鄰近的地塊與其過(guò)渡地帶也會(huì)發(fā)生變化。在BIM中動(dòng)態(tài)效果、施工進(jìn)度用動(dòng)畫顯示，采用Navisworks或3D Max（3D Studio Max，是基于PC系統(tǒng)的3D建模渲染和制作軟件）等軟件，可以達(dá)到良好的視覺(jué)效果。

在我國(guó)社會(huì)科技快速發(fā)展的同時(shí)，建筑行業(yè)也實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)手繪到計(jì)算機(jī)輔助的技術(shù)革新，CAD的出現(xiàn)使手工繪圖變?yōu)殡娔X繪圖，這不僅提高了繪圖的質(zhì)量，也促進(jìn)了建筑信息的快速傳播。BIM技術(shù)的快速應(yīng)用可以使二維平面圖轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體圖，通過(guò)對(duì)建筑物的有關(guān)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)化收集，實(shí)現(xiàn)資源的快速共享，也能夠?yàn)闆Q策者提供準(zhǔn)確可靠的信息參考（見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)CAD技術(shù)與BIM技術(shù)對(duì)比

二、BIM技術(shù)在水利水電項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)

（一）設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

首先，通過(guò)BIM軟件建立起的3D模型，可以精確地生成和顯示大壩的各個(gè)截面，大大降低傳統(tǒng)的平面圖繪制工作量，提高工程的工作效率和質(zhì)量。其次是互動(dòng)設(shè)計(jì)功能，當(dāng)采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法進(jìn)行水利水電工程的設(shè)計(jì)施工時(shí)，往往會(huì)因?yàn)楣ぷ魅藛T的疏忽大意而導(dǎo)致設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，很容易影響工程質(zhì)量。通過(guò)BIM技術(shù)，可以將所有的視圖、剖面、3D圖連接在一起，不僅可以大大地提高施工的效率和質(zhì)量，還可以降低設(shè)計(jì)者的工作負(fù)擔(dān)。此外，在實(shí)際工程中應(yīng)用BIM技術(shù)，可以提高設(shè)計(jì)者對(duì)空間的把控能力，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的可能性。

（二）施工優(yōu)勢(shì)

在水利水電設(shè)施施工過(guò)程中，可以使用BIM技術(shù)進(jìn)行多維度分析，通過(guò)BIM軟件建立工程模型，展示工程的3D施工狀態(tài)，并與施工進(jìn)度相結(jié)合，利用BIM技術(shù)進(jìn)行四維的施工模擬，同時(shí)也可以利用BIM技術(shù)進(jìn)行工程造價(jià)的五維化和分析。通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)，施工人員可以對(duì)建筑設(shè)計(jì)圖有更直觀、更深入的理解，提高閱讀設(shè)計(jì)圖的效率和質(zhì)量。通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)水利水電施工現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)單協(xié)作，并有效提高施工現(xiàn)場(chǎng)的管理水平，減少施工作業(yè)中的錯(cuò)誤，提高施工的效率和質(zhì)量。

在BIM輕量化應(yīng)用中，通過(guò)設(shè)計(jì)輕量化可以確保整個(gè)設(shè)計(jì)方案綠色、節(jié)能、環(huán)保。在初步設(shè)計(jì)、施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和管線綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)中，利用BIM技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)施工模擬，通過(guò)可視化功能對(duì)整個(gè)施工流程進(jìn)行深入的分析理解與應(yīng)用。根據(jù)招投標(biāo)時(shí)展示的圖形算量碰撞檢查技術(shù)，應(yīng)用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢查碰撞。

在工程項(xiàng)目咨詢中，通過(guò)BIM技術(shù)輕量化應(yīng)用可以全面提高工程咨詢的可行性，還能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)招標(biāo)代理公司提供重要的幫助。BIM技術(shù)應(yīng)用的理論非常成熟，可以根據(jù)施工方案和進(jìn)度加以完善，更好地實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目成本控制，廣聯(lián)達(dá)公司的BIM 5D軟件具有只需將BIM軟件模擬和項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入到軟件中就可以初步建模的特點(diǎn)。該軟件與BIM算量軟件結(jié)合可以保障造價(jià)控制效果全面提高，且因BIM模型與工程項(xiàng)目竣工實(shí)體完全一致，并對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的信息進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，可為承包方進(jìn)行竣工結(jié)算提供準(zhǔn)確的價(jià)格參考，實(shí)現(xiàn)結(jié)算手續(xù)的快速辦理。建設(shè)單位應(yīng)用BIM輕量化技術(shù)可以直觀地看見建筑項(xiàng)目總體的規(guī)劃環(huán)境、建筑造型、平面立面展示，避免出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)變更。工程項(xiàng)目預(yù)算超支的情況非常普遍，工程咨詢單位通過(guò)在3D模型基礎(chǔ)上加入進(jìn)度和造價(jià)等相關(guān)信息，可以幫助業(yè)主快速了解施工進(jìn)度，避免出現(xiàn)工程量預(yù)估超額的情況，進(jìn)而起到良好的造價(jià)控制效果。

（三）應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在以前的工程項(xiàng)目中，由于施工過(guò)程的復(fù)雜，容易導(dǎo)致施工效率和質(zhì)量受到影響。在此基礎(chǔ)上，BIM技術(shù)可以對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工等各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和整理，提高資料的處理效率。采用BIM技術(shù)，可以將可視化過(guò)程和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，達(dá)到節(jié)約人力、物力和財(cái)力的目的。BIM技術(shù)不僅可以構(gòu)建多維模型，還能夠?qū)崿F(xiàn)全過(guò)程的技術(shù)管理，通過(guò)模型信息層面的構(gòu)建可以保證每一個(gè)構(gòu)件都形成完善的工程信息，包括物理信息、功能信息、施工信息等，這些信息具有明確的關(guān)聯(lián)性，可以對(duì)信息進(jìn)行快速的統(tǒng)計(jì)分類與處理，并且自動(dòng)生成文檔以及圖片，保證信息的管理內(nèi)容更加多元化，而且在三維模型信息中，隨著信息的不斷修改和完善，各種信息都能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化處理，保證了信息的完整性和有序性。BIM技術(shù)實(shí)際應(yīng)用具有可視化、參數(shù)化、協(xié)調(diào)性、模擬性、可出圖性等特點(diǎn)，根據(jù)參考資料構(gòu)建立體三維模型，可以保障模型所見即所得，針對(duì)一些模型進(jìn)行可視化的展示，形成三維模型參數(shù)，通過(guò)構(gòu)建三維模型參數(shù)，在PC端就能夠進(jìn)行多專業(yè)跨角度的參數(shù)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)“一處修改，處處修改”，減少項(xiàng)目的沖突，還能對(duì)整個(gè)三維模型進(jìn)行物理模擬和展示，添加時(shí)間和成本維度，實(shí)現(xiàn)最終的成本化管理。

水利水電工程中會(huì)涉及橋梁的設(shè)計(jì)和施工，其重點(diǎn)是對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析和有限元模擬，為了保障整個(gè)橋梁的安全性和穩(wěn)定性，在橋梁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)，可以通過(guò)BIM軟件進(jìn)行處理。例如在前期規(guī)劃階段，可以利用BIM可視化功能對(duì)橋梁施工的復(fù)雜地形地貌進(jìn)行還原，還可以將建設(shè)環(huán)境參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，針對(duì)不同建設(shè)方案進(jìn)行交通仿真模擬，提高方案決策的科學(xué)性與合理性，而且在設(shè)計(jì)階段通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)原則和方法將設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行參數(shù)化模型表達(dá)，可以使方案直接以三維模型呈現(xiàn)，通過(guò)修改參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)模型更新。BIM技術(shù)具有強(qiáng)大的參數(shù)功能，盡管不同軟件的參數(shù)化方法不同，但都可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建信息的自動(dòng)化存儲(chǔ)和管理。在施工階段通過(guò)參數(shù)模型化設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用虛擬施工來(lái)判斷最終的施工仿真模擬效果，通過(guò)在三維模型中加入時(shí)間參數(shù)，可以建立動(dòng)態(tài)施工模型，做出科學(xué)高效的進(jìn)度預(yù)測(cè)。對(duì)于水利水電工程中的橋梁施工而言，由于其施工環(huán)境過(guò)于復(fù)雜惡劣，通過(guò)提前進(jìn)行施工模擬，不僅能夠提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行全面分析與優(yōu)化，而且還可以協(xié)調(diào)施工機(jī)械與人員的進(jìn)場(chǎng)時(shí)間。在運(yùn)維養(yǎng)護(hù)階段，利用BIM結(jié)合點(diǎn)云掃描、無(wú)人機(jī)傾斜攝影等相關(guān)技術(shù)，能夠極大提高信息采集和整理的效率，有效減少環(huán)境條件的制約，節(jié)省人力、物力、財(cái)力。在BIM運(yùn)維平臺(tái)可以使用視頻的形式對(duì)橋梁設(shè)備的具體使用狀況進(jìn)行自動(dòng)維護(hù)與處理，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息傳入到平臺(tái)進(jìn)行直觀展示，全面提高橋梁維護(hù)的整體效率。

三、BIM技術(shù)在水利水電可視化仿真中的應(yīng)用

（一）水利水電工程施工導(dǎo)流三維動(dòng)態(tài)可視化仿真方法研究

在水利水電工程的設(shè)計(jì)與管理中，往往要運(yùn)用大量的資料、圖表等。例如大壩地區(qū)的水文、地形、地貌、地質(zhì)資料和樞紐設(shè)計(jì)、施工場(chǎng)地布置和施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)等各種資料。如何有效、快速地獲取和管理復(fù)雜的信息，是提高工程設(shè)計(jì)效率和管理的重要內(nèi)容。施工導(dǎo)流的方案設(shè)計(jì)是工程組織設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)過(guò)程十分煩瑣，無(wú)法進(jìn)行直觀的比較。因此，在水利水電工程的導(dǎo)流設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)BIM的可視化仿真技術(shù)，能夠形象、直觀地反映出其實(shí)際應(yīng)用效果，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（二）利用BIM可視化仿真展示混凝土壩施工過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)過(guò)程

由于施工現(xiàn)場(chǎng)受到溫度、應(yīng)力、澆筑機(jī)械設(shè)備的配置、澆筑能力等諸多因素的影響，施工過(guò)程采用了分段澆筑混凝土壩的方式。然而，混凝土大壩的澆筑量龐大，往往需要數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)噸的混凝土，再加上混凝土大壩的施工限制太多，所以人工澆注順序和進(jìn)度的安排都比較困難。目前，在水利水電建設(shè)中，混凝土澆筑施工根據(jù)每個(gè)月增加的澆筑層數(shù)和混凝土澆筑強(qiáng)度等參數(shù)，采用了基于經(jīng)驗(yàn)的類推方法。然而，由于缺乏對(duì)大壩工程進(jìn)行量化分析的技術(shù)，不能準(zhǔn)確地判定各個(gè)階段的施工進(jìn)度，以及混凝土壩的抬高過(guò)程能否滿足大壩建設(shè)的需要。隨著計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展，如今可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)地仿真模擬大壩的施工過(guò)程。通過(guò)對(duì)混凝土工程的各種施工方案進(jìn)行仿真模擬對(duì)比，并進(jìn)行數(shù)值比較，可得出科學(xué)、合理、準(zhǔn)確的施工進(jìn)度規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上，將多種可能對(duì)灌漿過(guò)程產(chǎn)生影響的可變參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)中，構(gòu)建出一個(gè)基于此模型的水庫(kù)大壩仿真計(jì)算程序，再利用該軟件進(jìn)行水利水電項(xiàng)目的仿真建造，輸入可實(shí)現(xiàn)的機(jī)械配合方案和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，即可得到最優(yōu)機(jī)械利用率。在相應(yīng)的施工方案中，設(shè)定每月混凝土澆筑強(qiáng)度，即可掌握具體的施工進(jìn)度。

（三）可視化建模研究

構(gòu)建一個(gè)能直觀、準(zhǔn)確地展示工程建設(shè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的3D數(shù)字模型，是對(duì)水利水電工程動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化查詢與分析的重要條件。該數(shù)字模型應(yīng)該具有一定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的信息，比如施工場(chǎng)地的地形地貌、施工建筑物、施工設(shè)備的位置、材料的運(yùn)輸路線等。通過(guò)Navisworks軟件及其他建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水利水電工程的可視化仿真。水利建設(shè)施工工藝的好壞，將直接關(guān)系到水利建設(shè)的效益與效果。

（四）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真與施工進(jìn)度管理

BIM系統(tǒng)還整合了Navisworks、3D Max等動(dòng)態(tài)仿真和動(dòng)畫繪制軟件，Navisworks可以將CAD、Civil 3D、Revit等軟件創(chuàng)建的建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備、地形、施工設(shè)備等進(jìn)行建模，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真。同時(shí)導(dǎo)入工程項(xiàng)目的輸出資料，可以將力學(xué)分析數(shù)據(jù)、土方計(jì)算數(shù)據(jù)、AIM全周期的施工布局?jǐn)?shù)據(jù)輸入該系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的3D形態(tài)、具體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、土方作業(yè)數(shù)據(jù)的查詢。在反映施工進(jìn)度成本、工期效果、工程量的同時(shí)，也可以綜合考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果，但建議將分析結(jié)果分開保存，以免給系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)大的運(yùn)行壓力。

（五）BIM技術(shù)在可視化信息查詢中的具體應(yīng)用

BIM技術(shù)在可視化信息檢索中的具體應(yīng)用，有關(guān)施工單位可以通過(guò)“查找項(xiàng)目”的功能，對(duì)水利水電工程的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的查詢，確定相應(yīng)圖形的屬性，或通過(guò)BIM技術(shù)的“API”和“NET”功能進(jìn)行二次開發(fā)，獲取工程施工的各種仿真數(shù)據(jù)，例如工程強(qiáng)度、工程各分項(xiàng)的施工情況等。建筑公司還可以利用“年、月、日”的方法，對(duì)某一時(shí)期的水利水電建設(shè)項(xiàng)目的強(qiáng)度、外觀等信息進(jìn)行查詢。在查詢的時(shí)候，會(huì)將仿真信息以各種顏色的圖形直觀地呈現(xiàn)在用戶的面前，方便用戶的理解。另外，技術(shù)人員通過(guò)BIM技術(shù)構(gòu)建動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，創(chuàng)建具備繼承能力的新插件并設(shè)置相應(yīng)屬性，最后將DLL文件保存在軟件安裝包里即可構(gòu)建模塊，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化查詢。

（六）BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)仿真中的具體應(yīng)用

BIM相關(guān)軟件中的Revit軟件可以用于水利水電的結(jié)構(gòu)加固、布局、設(shè)備的建模等方面，達(dá)到高效的3D建模效果，并且將建筑的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)融合到3D模型中，增加其逼真度，可以更好地反映工程的實(shí)際情況。在水利水電工程中應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)已有的工程3D模型，對(duì)不同的鋼筋進(jìn)行選型，并將其資料數(shù)據(jù)化后轉(zhuǎn)換成3D仿真模式，為以后的施工過(guò)程提供依據(jù)（見表1）。

表1 BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)仿真中應(yīng)配備的模擬系統(tǒng)

（七）BIM技術(shù)在水利水電工程施工監(jiān)控中的具體應(yīng)用

施工單位可以利用BIM技術(shù)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的可視化和安全管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目建設(shè)的全過(guò)程，有效地收集、整理施工資料，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行仿真模擬，讓有關(guān)工作人員能夠從多個(gè)角度觀察和分析，使其對(duì)項(xiàng)目的整體情況有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，掌握整個(gè)施工進(jìn)度和施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的潛在危險(xiǎn)并進(jìn)行預(yù)警處理，有效規(guī)避相關(guān)施工風(fēng)險(xiǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)在水利水電項(xiàng)目的可視化仿真中的運(yùn)用，可以促進(jìn)水利水電工程從設(shè)計(jì)到施工各方面工作質(zhì)量的提高，保證水利工程的施工質(zhì)量。BIM技術(shù)是現(xiàn)代建筑技術(shù)的重要革命，能夠?yàn)榻ㄖ袠I(yè)的發(fā)展提供重要支持。參數(shù)化設(shè)計(jì)可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)及專用CAD系統(tǒng)開發(fā)方面都具有較大的應(yīng)用價(jià)值。因此，有關(guān)施工單位應(yīng)更加重視BIM技術(shù)，充分、深入地理解BIM技術(shù)及其有關(guān)的可視化仿真技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況提高BIM技術(shù)的使用效果。