三維技術與BIM在水利設計行業的應用現狀與發展探索

李向東，霍莉莉，劉艷娟

（青海省水利水電勘測設計研究院，青海 西寧 810000）

三維技術與BIM在水利設計行業的應用現狀與發展探索

李向東，霍莉莉，劉艷娟

（青海省水利水電勘測設計研究院，青海 西寧 810000）

自國內先后引入三維設計和BIM（建筑信息模型）概念以來，隨著軟件技術進步，近年三維設計和BIM已成為水利設計行業設計和信息化的主要議題。行業內通過逐步探索應用，取得了一定的成果，但主要仍停留在個別單位等局部范圍，總體缺乏技術標準和發展規劃。文中通過分析現狀問題，探索出結合行業自身情況，相對務實的發展之路。

三維設計；BIM；水利設計；現狀；探索

1 三維設計的必然性

回顧20世紀，以AutoCAD為代表的CAD類工具的出現，以及以PKPM、Ansys等為代表的CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助分析）在水利設計行業的普及應用，極大地提高了水利設計行業制圖、修改、計算分析效率，促進了水利設計行業的整體技術水平，為近20年水利水電工程大發展提供了必要的技術支持。然而，隨著水利水電工程建設近20年的跨越式發展，水利水電建設項目逐漸飽和，設計行業之間的競爭也越來越激烈。近期及未來工程規模、形態和功能越來越復雜，同時建設方對工程的設計質量、周期、內容要求也逐步提高。未來高度復雜化的工程建設項目，如仍然以AutoCAD為主要手段、以二維平面工程圖紙為核心的設計模式將遠遠不能滿足要求，也不具有市場競爭力。

近年來，隨著科學技術的不斷進步發展和水利行業設計工作的市場化，項目建設方和主管審查部門對項目設計質量、精度的要求越來越高，同時工程的設計周期卻不斷壓縮，工程設計的整個周期內，項目建設方和主管審查部門往往全程參與，這就需要設計工作針對不同專業角度提供真實的、直觀的，且包含足夠技術參數的方案形象。傳統的二維設計和項目信息展示手段，存在設計理念方案展示抽象、識圖專業要求高、設計理念展現扁平、修改周期長等諸多缺點，顯然越來越不能適應市場的需求。這就需要尋找更為先進快捷的技術手段和理念來順應時代的發展，昭示著繼第一次“甩圖版”設計革命后的第二次設計行業革命的到來。隨著科學技術的發展和相應軟件的進步，近年來三維設計相關的理念和應用軟件層出不窮，推動了設計行業的發展。先進的三維協同設計及相關仿真技術可有效提高工程設計的質量、效率和水平，同時優化設計流程、提高設計信息的共享和展示程度，從而全面提高設計行業的科技實力和綜合競爭力，順應時代發展。

2 水利設計行業三維設計開展現狀

進入新世紀以來，隨著三維技術的發展，水利設計行業個別單位企業也在順應時代發展，逐步探索和開展了相關技術的應用，也取得了一定的成果。但大多受資金和投入影響仍掙扎在二維圖紙和三維模型設計之間進行思路轉換的階段，在三維協同設計及仿真技術方面依然落后，至于真正能達到BIM設計和信息化的單位企業鳳毛麟角，且大多集中在具有行政主管職能和科技攻關任務的部級大型設計單位。

目前市場上能針對水利設計行業相對成熟的主流三維設計工具主要有Autodesk三維與BIM設計系列軟件、法國達索飛機公司的Catia、Bentley的Architecture系列、Graphisoft的ArchiCAD等。據不完全統計現應用較多的主要是Autodesk系列、Catia和Bentley，其中Autodesk系列因其二維CAD軟件的延續性和相對豐富的產品線，在國內水利設計行業占據主要市場份額，尤其受中小型設計單位歡迎，推廣也相對快速普及，具有一定代表性。以上軟件及軟件集大都于2000年后進入中國，前期主要以三維模型設計被業內逐漸認識和接受，數年后先后引入了BIM概念并在國內推廣。前期主要在建筑設計領域開展較早，隨著水利行業設計需要，近十來年也在水利設計行業得到了長足的發展。

以水規總院、昆明院、黃委院等為代表的大型綜合甲級設計單位，較早的開展了三維設計和BIM應用，并取得了較大成績，部分基本具備了脫離二維，做到了全階段三維設計和BIM應用。但以省級設計院為代表的大多數勘察設計單位，依然沒能真正意義上的實現三維設計，更談不上BIM應用，其中部分單位雖然開展數年但受資金和態度等因素影響，仍然停留在“二維設計、三維展示”的初級階段。其他中小設計單位和企業更是發展緩慢，更多的存在于個人愛好學習階段。

分析近年來之所以三維設計沒能全面發展和普及的原因，發現這與其推廣和應用的過程有關。通常前期受市場導向影響設計單位相對積極性較高，通過購置軟件邀請相關軟件廠商為設計人員進行軟件培訓和BIM技術理念的闡述，通過軟件培訓，向設計人員傳達新穎的設計思想及技術、解決方案，提高了勘測設計人員業務技能和三維設計素養。然而隨著應用的逐步深入，設計及協同難度的加大，加之現階段又缺乏相應技術標準，設計單位的意志和人員的熱情受到打擊，積極性隨之下降。同時，受資金和人員投入壓力影響，雖然三維設計前期有一定的推進，但始終沒有實際匹敵于二維傳統設計的應用成果，沒有形成有效的生產力，往往隨著工程設計任務的工期和傳統思維的影響，三維設計工作胎死腹中，最終大都基本處于停滯狀態。對此我們無可厚非，畢竟對于新技術的開拓從來都不是大家齊頭并進的，不是所有設計單位都有能力投入和堅持的。畢竟在三維設計沒有真正成熟的初期探索階段，存在較大風險，三維設計在模型建立和成果產出的過程中存在不確定性，我們不能預測其中間存在的問題，在三維成果沒有最終成型前，如果失敗或者工期延誤，對于設計成果無法提取，這相對于二維設計就存在巨大的不確定性。也將無法體現三維可視化設計中，解決二維設計存在的各專業錯、漏、碰等問題，能夠快速進行方案對比，提出各種工程量計算結果，從而降低設計成本，提高設計質量和工作效率的優越性。同時，受審圖人員和相關指導設計專家的影響，設計過程不能有效的得到監督和把控，這是制約其發展誘因。

水利行業三維設計和BIM應用是未來行業發展的必然，但是三維設計的開展不僅需要相關技術人才的培養，同時也受管理階層意志和資金的影響，探索能夠適用不同單位資金和技術力量的發展方法，是水利行業三維設計推進的關鍵。

3 水利設計行業三維設計發展探索

通過研究分析現階段國內三維設計和BIM的開展情況，結合行業設計單位技術力量和資金的實際狀況，認為現階段三維設計發展應結合自身狀況量力而行。對于已經卓有成效的設計單位，應利用已建成立的水利水電BIM設計聯盟和基金平臺積極推廣和指導行業BIM發展，抓緊制定相關技術和發展標準，為我國水利行業三維設計和BIM應用的全面普及貢獻力量。對于中小型設計單位，由于受資金和技術實力的影響，不可能過多的投入開展，但也應積極參與借鑒成功經驗探索適合的發展之路。

3.1 三維發展模式

根據近年來大部分水利設計單位三維發展現狀和規律，認為現階段較為有代表的模式大致應經歷以下幾個階段，三維效果圖、三維動畫展示、三維設計出圖和BIM協同設計四個發展過程。該種發展模式的好處在于，能在每個階段得到相應的設計成果，防止一味追求過高的設計預期導致設計始終不能有效落地，挫傷設計者和觀者的積極性，穩扎穩打逐步體現出其設計的魅力和適用性。

三維設計直接出圖乃至BIM協同設計雖然是三維設計的最終目標，但是現階段沒有成熟的發展經驗和標準，盲目的追高勢必造成大量的人力和財力開支，且存在設計成果的不確定性。現階段從三維模型的建立到三維效果圖甚至三維動畫的展示，是大多設計單位三維發展的捷徑。近期三維設計的突破點應落足于三維效果圖設計，并逐步開發工程設計三維視頻動畫，在以上兩項工作的推廣帶動下，結合逐漸成熟的市場經驗和標準最終實現三維設計出圖和BIM協同設計。

（1）三維效果圖

這里所說的效果圖不等同于現有市場上利用3Dmax、Maya、Photoshop等軟件制作的單純形象展示成果，該三維效果圖是通過三維協同設計相關軟件，基于水利工程實際設計所構建的精準的建筑物及地形模型，通過對基本模型單元的組合得到的符合工程實際和精度要求的三維真實場景。該過程本身即是BIM設計的基礎工作，是未來BIM協同的技術儲備。

如今基本的水利工程三維模型建立已經較為容易達成。然而，如何將該成果從擱置的電腦硬盤提取出來有效展示，一直是制約三維發展和推廣的瓶頸，三維效果圖是三維設計成果實現較快落地的捷徑。首先在工程設計初期和項目匯報過程中，三維效果圖能夠較好的展示工程的設計思路和理念，同時，又可以提升工程設計和匯報的設計水準，使業主和評審專家領導更加直觀的理解項目。

（2）項目三維視頻

在三維效果圖逐步應用的助力下，通過進一步視頻生成軟件的銜接，設計單位時下可較為快速的實現項目三維動畫展示的落地，后期加入解說配音和文字，可以實現項目匯報的自動化和可視化。他的實現將改變以往簡單枯燥的平面匯報形象，對設計單位項目匯報和展示提供幫助。至關重要的是設計項目視頻場景的搭建，意味著單元模型的組合，通過相應結果的反饋，可實現多專業成果協調、碰撞分析、建筑物分析，最大限度地發現模型中存在的各系統間“錯”、“漏”、“碰”等問題，方便調整模型，反饋指導設計，使設計更合理對多專業協同成果的優化意義重大。

三維視頻的關鍵在于實際地形的處理，過于真實精細意味著大量的投入和漫長的周期，對此可根據成果的對象和目標分類設計，如圖1。

（3）三維設計出圖和BIM協同設計

BIM是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，通過建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化，協調性，模擬性，優化性和可出圖性五大特點。10年前就有人預言 BIM是繼“甩圖板”后的第二次設計變革；然而，今日只有極少數設計院才僅僅開始BIM設計，大多仍然以二維設計為主。可見其發展的不易。

結合設計單位實際，三維設計出圖是BIM協同設計實現前攻克的重點，根據現有掌握的知識和軟件手段，實現它基本不存在技術障礙，主要難點在于標準的制定和應用的推廣，這有賴于水利設計行業龍頭單位的帶動，可有針對性的借鑒學習逐步推進。

圖1 三維視頻分類流程圖

3.2 三維設計項目管理

水利行業三維設計項目的管理也是三維設計推動進程中的關鍵。要想處在時代變革的潮頭關鍵在于轉變思想，提高認識，采取什么樣的態度與措施。針對三維設計存在發展不平衡、不協調、部門重視不夠、專業合作不緊密等問題，設計單位宜成立專門的三維設計推廣專門部門，制定發展規劃和發展目標，逐步攻克相關技術難點，負責設計成果的推廣和應用培訓。

4 結語

BIM協同設計，是數字化革命的必然，是水利設計行業發展必須要面對、經歷的鴻溝，同時也是水利傳統企業蛻變的機遇。特別是中小設計單位受技術資金、技術和管理條件限制，雖然困難重重，但應結合自身情況合理規劃打好 基礎，依托水利水電BIM設計聯盟緊跟發展。本文對水利行業三維發展現狀進行了初步的分析研究，認為采取相對務實的，以三維效果圖和視頻技術為突破，通過必要的技術和三維思維意識積累逐步實現三維出圖，最終全面開展BIM信息化設計的發展模式，是水利行業三維設計發展的關鍵。希望以上探索研究對水利設計行業提供借鑒意義。

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1672-2469（2017）10-0141-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.040

2017-05-15

李向東（1981年-），男，高級工程師。