“BIM+”跨界應用開拓智慧水利

圖1～2 前坪水庫導航項目三維設計成果圖

水利工程設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)作為設計手段的第三次革命，具有設計高效率協(xié)同、設計資源高度共享和最大限度避免重復勞動等優(yōu)勢，BIM技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)在工程設計行業(yè)的應用讓傳統(tǒng)水利遇到前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。河南省水利勘測設計研究有限公司以“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維和BIM的跨界應用開拓水利創(chuàng)新之路，實現(xiàn)了水利工程設計的附加值，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。

三維初體驗探索中前行

目前，國內(nèi)勘查設計行業(yè)正在由傳統(tǒng)的二維設計向三維協(xié)同設計邁進，其中機械、電子、石油、電力及航天等行業(yè)已經(jīng)率先進行了二維設計向三維協(xié)同設計的變革，設計效率、設計產(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)同設計研究工作起步于2003年左右，以水電顧問集團下屬華東院、成勘院等為首的設計單位分別開展了基于Bentley等幾家公司的三維設計平臺應用研究，經(jīng)過多年探索，從2008年左右開始嘗試應用于部分水電工程項目的廠房和電站設計。

河南省水利勘測設計研究有限公司（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)同設計。邁出三維協(xié)同設計的步子，既是市場的需要，也是設計院自身發(fā)展的需要。三維協(xié)同設計項目的啟動，既是必然，也有契機。

組織模式對三維協(xié)同設計的實施起決定作用，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)同設計工作給以了高度重視，由專門機構(gòu)負責具體實施，在公司層面進行了三維協(xié)同設計人員的公開選拔，脫離原崗位專門從事三維協(xié)同設計學習和試點項目實施工作，并在被選拔人員的待遇、設計師等級評定方面予以一定的傾斜，保證參與三維設計人員積極性。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)總負責，在技術(shù)上總體把握和協(xié)調(diào)。

水庫工程對省級設計院而言，是所有專業(yè)最全的項目，通過一個全專業(yè)覆蓋的項目開展試點應用既可以達到檢驗三維協(xié)同設計軟件與工程設計的契合度，也可以達到熟悉軟件鍛煉隊伍的作用。河南省水利院采用正在進行可研階段設計的前坪水庫工程作為導航項目，二維設計與三維設計并行工作。

三維設計團隊夜以繼日，用42天完成了導航項目，項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計圖紙，以及對二維設計的項目優(yōu)化報告。

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

經(jīng)過導航項目的試手，達到了測試軟件、鍛煉隊伍的目的，同時也為進一步開展三維設計推廣BIM技術(shù)奠定了基礎。

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，導航項目之后，三維協(xié)同設計如何推廣實施，與原有二維設計體系如何銜接？是直接全面推廣還是循序漸進？省級水利設計院的項目類型多、體量小、設計周期短，不能完全復制導航項目模式，此外，導航項目的學習畢竟只是開端，相對還比較粗淺，在短短42天內(nèi)嘗試應用的三維設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)導提出先做好三維設計推廣計劃，結(jié)合規(guī)劃有續(xù)開展應用與研究，探索全面推廣所面臨的制約問題。

找準定位并在導航項目團隊基礎上成立了集生產(chǎn)、科研、管理于一體的專職機構(gòu)——數(shù)字工程中心，結(jié)合生產(chǎn)項目進行三維設計的相關(guān)科研探索，再將科研成果指導生產(chǎn)，在良性循環(huán)中梳理全面推廣的技術(shù)和經(jīng)驗。同時提出了三維協(xié)同設計的發(fā)展規(guī)劃：一年打基礎，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)院的重點項目相結(jié)合，在全員推廣前培育BIM技術(shù)氛圍。

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

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計成果

圖7～8 尼日利亞制水工程、路橋工程三維設計成果

圖9～10 沙河渡槽工程三維設計及施工仿真成果

圖11 河南省水利院三維設計標準文件

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)進行碰撞檢查，后續(xù)施工過程中基本沒有因為圖紙質(zhì)量問題發(fā)生的變更，保證了項目的順利實施。

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。該項目從可研階段開始全部三維設計，在可研階段方案比選過程中借助于三維設計的優(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，與二維設計相比充分利用了有限的設計同期，贏得業(yè)主的高度認可，也使初步設計順利通過批復。

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

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

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

圖14～15

圖16～17

需求導向，多元BIM創(chuàng)新應用

河南省水利院經(jīng)過多年三維協(xié)同設計的探索和研究，在取得技術(shù)積累同時也總結(jié)經(jīng)驗，繼續(xù)深入挖掘BIM技術(shù)的深度應用，提出了跨平臺技術(shù)聯(lián)合應用的整體解決方案。以三維設計平臺為基礎，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)合應用，完成從前期工程三維設計到后期運維管理各階段的工作，充分發(fā)揮三維協(xié)同設計的優(yōu)勢，并在實際項目工程中取得了較好的效果和效益。

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

（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，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)同設計平臺使用。

（3）利用MicroStation為核心的三維協(xié)同設計平臺進行工程三維設計，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。

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

采用無人機技術(shù)完成三維建模。寶雞峽灌區(qū)漆水河渡槽在進行施工圖設計時，由于進出口處地形地質(zhì)條件復雜，與前期設計相比，地形條件變化較大，為滿足工程設計和布置需要，采用了無人機三維實景建模技術(shù)，與三維設計平臺進行聯(lián)合使用完成了渡槽進出口和工路橋梁的布置與設計。

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

跨平臺技術(shù)提升防洪調(diào)度水平。編制洪水風險圖是貫徹落實新時期中央水利工作方針，實施洪水風險管理，最大程度減輕洪澇災害的一項重要基礎性工作。河南省水利院在承擔2013～2015年度全國重點地區(qū)防洪風險圖編制工作時，綜合運用水利專業(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)合應用，解決了項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、應用系統(tǒng)開發(fā)等方面進行創(chuàng)新，獲得了各界專家的一致好評。

實例1：前坪水庫工程設計及其潰壩的跨平臺應用：

（1）采用三維設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，再進行場地的三維開挖，包括各建筑物地基開挖和河道治理擴挖，得到開挖后的地形場景。

圖18～19無人機三維實景建模在工程設計中的應用

圖21～22水庫三維設計模型及場地開挖模型

圖 23～24

圖20在洪水風險分析項目中應用的三維實景模型

（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)進行網(wǎng)格和高程插值。

（4）采用水文學及河流動力學平臺構(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，實現(xiàn)洪水的動態(tài)演進。

圖25～26

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

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

圖30～31

通過以上跨平臺技術(shù)聯(lián)合應用，反映了BIM技術(shù)跨平臺聯(lián)合應用的優(yōu)勢，也使河南省水利院在三維協(xié)同設計中的優(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計到施工建設和后期運行維護等工程全生命周期服務。同時利用該技術(shù)開展智慧水利業(yè)務，目前已初見成效，正在進行項目有在建前坪水庫、出山店水庫建設期信息化管理系統(tǒng)、開封市城市洪水風險管理系統(tǒng)、鄭州市智慧水務綜合信息管理系統(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

政府推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級，為水利水電勘測設計行業(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，勘測設計單位需要進行自我改革與創(chuàng)新，改革原有的業(yè)務模式、人資資源、組織架構(gòu)，從而完成向現(xiàn)代服務業(yè)的轉(zhuǎn)化。河南省水利院以“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維和BIM的跨界應用進行水利技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)了水利工程設計的附加值，并取得了探索新盈利模式的階段性成果。在探索和實施“BIM+水利”創(chuàng)新戰(zhàn)略的同時，也認識到對目前的階段成果不能固步自封，還要清醒的認識到自身的不足。

在實施“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任重道遠，特別是復合型創(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，與之相應的質(zhì)量、生產(chǎn)管理、考核制度等仍需要不斷完善。在進行企業(yè)業(yè)務向智慧水利轉(zhuǎn)型的過程中，如何為業(yè)主提供人性化的服務，完成企業(yè)向現(xiàn)代服務的轉(zhuǎn)化，將服務也做為一種產(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。