BIM技術在提高水利水電工程建設現代化水平中的探討

劉志明，劉 輝

（水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120）

1 我國水利水電工程建設發展現狀與挑戰

1.1 發展概況

水利是國民經濟社會發展的重要基礎，不僅直接關系防洪安全、供水安全、糧食安全，還關系到經濟安全、生態安全、國家安全。據水利部《2016年全國水利發展統計公報》顯示（見表1），2016年水利建設完成投資6099.6億元，較上年增加647.4億元，增長11.9%。水電是技術成熟、運行靈活的清潔低碳可再生能源，具有防洪、供水、航運、灌溉等綜合利用功能，經濟、社會、生態效益顯著。我國水能資源可開發裝機容量約6.6億kW，年發電量約3萬億kW·h，截止2015年，我國水電裝機容量和年發電量已突破3億kW·h和1萬億kW·h，分別占全國20.9%和19.4%［1］。

黨中央、國務院高度重視水利工作，把水安全上升為國家戰略，相關部委先后出臺了《水利改革發展“十三五”規劃》《水電發展“十三五”規劃》等專項規劃，明確“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新時期水利工作方針，提出“加快建設清潔低碳、安全高效現代能源體系，進一步轉變水電發展”的工作思路。

表1 2016年全國水利投資統計 單位：億元

1.2 我國水利水電工程建設現狀與挑戰

水利水電行業體制改革面臨公益性和市場性的雙重挑戰。2011年3月，中央出臺《關于分類推進事業單位改革的指導意見》中指出：現有事業單位將按照行政類、公益類和經營類進行分類改革。對于目前多數既承擔一定公益職能，又有市場屬性的國有水利水電工程行業而言，如何定位、按照何種體制模式進行改革，是影響單位生存發展面臨的重大挑戰。

“一帶一路”加速中國水利水電國際化進程。國內水利水電投資建設的高峰期不可能長期持續，預計在“十三五”中后期，水利水電投資建設將面臨萎縮，水利水電工程行業將面臨向海外拓展業務的更大壓力。我國水利水電工程技術居世界先進水平，形成了規劃、設計、施工、裝備制造、運行維護等全產業鏈整合能力，與80多個國家建立了水電規劃、建設和投資的長期合作關系，是推動世界水電發展的主要力量。截至2016年底，中國的公司承建了近200項國際水電工程，占有國際水電市場50%以上的份額。

中國水電技術的國際影響力與其市場份額不匹配。其根本原因是中國水電技術標準在國際上的影響力不夠，距離全面成套標準“走出去”還存在較大差距。為改變長期以來中國水電行業只顧悶頭干活的局面，提高中國水電技術的國際競爭力，2017年2月，國家能源局已委托水電水利規劃設計總院組織開展“中國水電技術標準”“走出去”研究工作［3］。中國水利水電勘測設計協會于2015年開始，組織制定了標準翻譯三年工作計劃，擬將31項常用標準譯成英文。目前已完成《防洪標準》等27項標準的英文翻譯，為我國水利水電勘測設計單位“走出去”開拓國際市場，提供了重要技術支撐。

信息化共享困難，信息化資源未充分利用，不能形成行業整體協同效應。長期以來，水利信息化的發展是基于各單位、各部門自己的業務需求，為滿足單位或某項工作的應用目標，而開發建設了一些專用信息系統，大多數數據庫與具體業務綁定緊密，軟硬件資源與具體單位、部門綁定，導致這些系統大多分散建設在各個單位或不同業務部門，形成以地域、專業、部門、系統等為邊界的孤島，造成了資源割據的局面［4］。受各方面條件的限制，許多系統安全性和穩定性也不高，難以向公眾提供優質的公共服務，加上系統規范性差，客觀上形成了共享困難。這些問題導致水利信息化資源得不到充分、合理、有效的利用，嚴重阻礙互聯互通、信息共享和應用協同。針對這些問題，2015年4月，水利部印發了《水利信息化資源整合共享頂層設計》，明確了水利信息化資源整合共享的技術路線和實施途徑［5］。

圖1 BIM在水利水電全生命周期各個階段的專業應用

2 我國水利水電工程中BIM應用現狀

2.1 BIM技術及其應用價值

BIM最初由建筑行業提出，后逐漸拓展到整個工程建設領域。BIM以三維數字技術為基礎，集成了工程項目各種相關信息，最終形成工程數據模型［6］，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。BIM具有單一工程數據源，可解決分布式、異構工程數據之間的一致性和全局共享問題，支持建設項目全生命周期中動態的工程信息創建、管理和共享；同時又是一種應用于設計、建造、管理的數字化方法，這種方法支持工程項目集成管理環境，可以使工程項目在其整個進程中提高效率并減少風險［7］。

當前，信息化的地位和作用空前突出，特別是大數據、云計算、移動互聯網和人工智能等新一代信息技術迅猛發展，正在引發社會生產變革。信息化技術已成為解決工程建設實際問題的重要手段，以BIM為代表的工程信息化技術應用，正推動著工程建設管理模式的創新。水利水電工程項目中的水電站項目相對復雜，水電站項目一般包括：庫區、場地、擋水（大壩）、泄水（溢洪道）、引水（導流洞）建筑物、圍堰、水閘、船閘、廠房、設備等工程內容，可能還包括：橋梁、道路、堤防等內容。從專業來分，水利水電工程大致分為：水文規劃、測量、地質、水工、機電和金屬結構等幾大類專業，部分專業因不同的設計、施工單位細分建筑、機電、路橋、施工等［8］。水利水電工程項目，一般需要經歷規劃、設計、施工、竣工驗收和運營各階段。BIM在水利水電全生命周期各階段可展現的專業應用如圖1所示。

圖2 水利水電工程項目的全生命周期信息協同平臺

BIM帶來了設計方法的革命，BIM技術與協同設計技術將成為互相依賴、密不可分的整體。協同是BIM的核心概念，同一構件元素，只需輸入一次，各工種共享元素數據并從不同的專業角度操作該構件元素。BIM技術將為未來協同設計提供底層支撐，大幅提升協同設計的技術含量，未來的協同設計，將不再是單純意義上的設計交流、組織及管理手段，它將與BIM融合，成為設計手段本身的一部分。借助于BIM的技術優勢，協同的范疇也將從單純的設計階段擴展到工程全生命周期，需要設計、施工、運營、維護等多方的共同參與，從而帶來綜合效率的大幅提升［9］。

水利水電建設項目實施階段多、涉及人員廣，利益相關方的訴求在很多方面也不一致；為保障項目內外部溝通協同的流暢，建立起有效的政府監管和社會監督，還需要依托信息平臺；因此，在水利水電項目的協同治理機制中，還需要搭建基于BIM技術的信息協同平臺，如圖2所示。

2.2 BIM技術應用現狀調研分析

水利部水利水電規劃設計總院2017基于水利水電勘測設計行業BIM技術應用現狀展開了規范性、前瞻性、實用性的調研。調研對象絕大部分為水利水電勘測設計企事業單位和部分大型水電開發集團公司、水利工程業主單位、行業BIM聯盟、地方BIM聯盟、相關高等院校和科研院所，其它行業BIM技術、GIS技術、增強現實技術、云計算技術的研發、應用機構也參與了此次調研。其中，被訪人員有20.6%為企事業單位負責人，31.9%為部門負責人，19.1%為項目負責人，6.4%為專業負責人，22%為一般技術人員。調研主要采用線上及線下發放調研問卷、現場調研、行業深度訪談、桌面研究等方法進行數據采集、回收、整理與分析，累計發放224份調研問卷，收回問卷數量為215份。

調研顯示，一是在BIM應用價值的認識方面，勘測設計單位對應用BIM的需求和價值的認識不盡相同。提升企業品牌形象，打造企業核心競爭力成為應用BIM的主要需要；其次是BIM在不同業務中的價值體現，包括提高預測能力，減少施工現場突發變化以及縮短工期，提高計劃的準確率等；現階段在招投標管理、現場安全管理、文檔管理方面價值體現還不明顯。二是在BIM的推廣應用方面，BIM技術的應用已從概念普及過渡到項目試點階段，對BIM未來的發展具有信心，并且已經認識到BIM對單位發展的重要性。85%的勘測設計單位已經開展了BIM應用試點工作；7%的設計單位還未應用，但考慮半年內進行項目試點；還有5%的設計單位雖有試點，但認為價值不大，暫時不考慮推廣［10］。

此次調研所發現的主要問題表現為“缺乏政策引導”、“專業技術成熟度不高”、“市場環境成熟度低”等三個類型，問題的具體表現形式見表2。

表2 水利水電勘測設計行業BIM技術應用現狀調查表

3 BIM技術應用創新的四個方面

當今社會已經進入信息化時代，信息已經成為人類社會最重要的資源。《信息化和工業化融合發展規劃（2016～2020）》指出“大力推進信息化和工業化深度融合，加快新舊發展動能和生產體系轉換，提高供給體系的質量效率層次，對于推動我國制造業轉型升級、重塑國際競爭新優勢具有重大戰略意義”。依據《全國水利信息化“十三五”規劃》《水利信息化資源整合共享頂層設計》《水利部信息化建設與管理辦法》和《關于推進水利大數據發展的指導意見》等相關文件的指示，結合我國水利水電工程現狀及未來發展需求，以BIM技術應用創新為抓手，構建水利水電行業的BIM標準體系、BIM技術路線和解決方案、BIM資源共享庫、BIM認證評估體系；打造中國水利水電工程全壽命周期的信息化管理平臺，形成基于行業整體分工協作的PDCA閉環管理模式，打造良性優質的水利水電信息化生態圈；以BIM技術應用創新提升中國水利水電工程建設的軟實力，助推水利水電工程建設的現代化與國際化，助力“數字”水利向“智慧”水利的轉變。

3.1 水利水電BIM標準體系

BIM標準化落地對于建設工程行業的意義在于：解決BIM模型出圖、工程量計算與數據管理的有機統一，真正實現BIM模型在設計、施工和運維工程全生命周期應用的同時，大幅減少工程對于人力物力的成本浪費。BIM標準在企業中的成功應用可實現工程全生命期各參與方在同一多維工程信息模型基礎上的數據共享，促進工程建設產業鏈貫通和工業化建造，對企業BIM技術進步及對國家技術體系的建立有很大作用。

建筑行業BIM標準基本上都是面向工業與民用建筑的，不能照搬用于水利水電行業。鑒于水利水電行業工作范圍及所涵蓋的專業要遠大于建筑行業，且BIM技術本身也在不斷發展過程中，因此，參考借鑒國內外有關行業BIM標準，結合水利水電行業需求和工程特點，構建水利水電BIM標準體系框架，做好水利水電BIM標準頂層設計，以便在水利水電工程領域大范圍開展BIM技術應用時，統一指導、規范應用是十分必要和重要的。

在對國內外BIM標準框架體系研究的基礎上，結合水利水電行業BIM標準的現狀和發展需求，水利水電BIM設計聯盟于2017年組織編制并發布《水利水電BIM標準體系》。水利水電行業BIM標準序列與中國國家BIM標準、地方BIM標準及相關行業領域間的關系如圖3所示。

圖3 水利水電行業BIM標準序列之關系

結合BIM技術要素圖，參考 NBIMS、CBIMS模式，水利水電BIM標準體系包括技術標準和實施標準兩大部分，BIM技術要素關系如圖4所示，水利水電BIM標準基本框架如圖5所示。

圖4 BIM技術要素圖

技術標準分為數據存儲標準、分類編碼體系和數據字典、信息傳遞標準、信息模型知識產權，其主要目標是為了實現水利水電建設項目全生命周期內不同參與方與異構信息系統間的互操作性，用于指導和規范水利水電BIM軟件開發，主要面向IT工具。

實施標準主要是從資源、行為、交付物三方面指導和規范水利水電行業規劃、設計、施工、建設管理、運營企業實施BIM標準。

圖5 水利水電BIM標準基本框架

圖6 工程全生命周期信息化管理的業務模型

3.2 水利水電行業的BIM技術路線和解決方案

FIATECH國際組織發布《基建工程技術路線圖》，在工程信息化應用實例的基礎上，集成提煉出工程全生命周期信息化管理的業務模型如圖6所示。該模型將單個工程建設過程中信息化管理內容分為：自動化設計、采購與供應鏈管理、現場的智能化施工、自動化設施運營、項目管理等五個主要的應用組成，并給出了各組成部分間的業務數據的流動關系。路線圖展示出工程全生命周期信息化建設的核心在于搭建一個集中共享的核心數據平臺，協調多種軟件工具，實現貫穿工程設計、施工和運營管理等整個生命周期，各種信息資源的一體化管理與應用［11］。

基于我國水利水電工程建設現狀及未來發展趨勢，依照《水利信息化資源整合共享頂層設計》文件中“通過機制體制創新和信息技術深入應用，實現水利信息化資源共享，促進業務應用協同”的指導思想，借鑒FIATECH國際組織的工程全生命周期信息化一體化管理與應用的理念，研究制定適合于我國水利水電行業的BIM技術路線和解決方案。以融合貫通規劃、設計、施工、運營四個階段的信息為目標，構建面向對象的水利數據模型如圖7所示，解決數據描述對象及其屬性的語義一致性問題，確保信息共享得以實現。

圖7 數據資源整合共享架構圖

經過調研分析總結，設計出水利水電行業發展的BIM技術路線和解決方案藍圖如圖8所示。在藍圖的實施過程中，依據行業不同單位的實際需求及BIM技術成熟度，制定出具體的落地方案，開發需求量大、功能性強的設計工具、建設管理工具、運維管理工具，如BIM鋼筋、BIM地質、BIM開挖等。對所開發的工具置于共享平臺供廣大成員應用，并采用迭代的方式不斷完善，以形成適合我國水利水電行業實際需求的BIM技術路線和解決方案。

3.3 水利水電BIM資源共享庫

基于我國水利水電行業的特點，單打獨斗難以做大做精水利水電BIM，壟斷也不是發展之道，共享協作才能持續發展。目前水利水電BIM產品的技術標準不統一、兼容性差，技術資源少、競爭激烈、對自有知識產權保護意識高、對他人的知識產權尊重差，同時，在資源匱乏的情況下，簡單低端的重復工作又浪費了資金和人力。可見，任何一方都不能在BIM的全部環節做專做精，靠獨門絕技包打天下已經不再可能，取而代之的是依靠在BIM價值鏈上的多方分工協作。基于此，提出水利水電BIM資源共享平臺解決方案，建立行業共享機制，開展資源交換、資源交易和資源共享，并交流技術、交換信息。

圖8 水利水電行業BIM技術路線及解決方案藍圖

3.4 水利水電BIM認證評價體系

水利水電BIM認證評價體系是BIM應用的重要環節，其目的是判斷BIM的產品、過程、體系和人員能力是否滿足既定標準的要求，是實現PDCA閉環管理與持續優化的必要手段。CMMI全稱是Capability Maturity Model Integration，即能力成熟度模型集成（也有稱為：軟件能力成熟度集成模型），其目的是幫助軟件企業對軟件工程過程進行管理和改進，增強開發與改進能力，從而能按時地、不超預算地開發出高質量的軟件。美國國家BIM標準（National Building Information Modeling Standand，簡稱NBIMS）提供了一套以項目生命周期信息交換和使用為核心的可以量化的BIM評價體系，叫做BIM能力成熟度模型（BIM Capability Maturity Model，簡稱 BIM CMM）見表 3［12］。

橫軸是對BIM方法和過程進行量化評價的11個要素，縱軸把每個要素劃分成10級不同的成熟度，其中1級表示最不成熟，10級表示最成熟。

NBIMS的BIM能力成熟度模型雖然本身也還處于不斷發展的過程中，而且對于要素種類、權重和數量的確定，成熟度各個級別的定義和總級別數量的確定，以及總體BIM成熟度的分級條件等都還有不少可以商榷的地方，加上我國工程建設行業的實際情況跟美國相比也存在著各種各樣的差別，完全按照這套模式對中國的BIM過程、方法、產品、應用進行評價應該會有一定的不合適甚至不合理的地方，但是，總體來說使用這套模式對我們目前進行的BIM工作進行評價已經具有以下兩個方面非常實際的參考意義。

第一點，使用其他行業已經非常成熟的能力成熟度模型（CMM）來建立BIM評價體系，可以充分利用前人和其他行業的工作成果，也有利于應用推廣。

第二點，評價體系（包括標準）和BIM本身一起逐步發展和逐步完善，互相促進的同時互為制約，讓業內人士既有章可循又不固步自封，而不是等到BIM應用成熟了再來制定標準［12］。

表3 NBIMS的BIM能力成熟度模型

3.5 共享機制創新是關鍵

基于我國水利水電行業的特點，單打獨斗是難以做大做精水利水電BIM，但如何發揮BIM成員參與研發的積極性和創造性、尊重其知識產權等問題也是必須盡快解決的關鍵問題。因此，我們將積極探討聯盟成員和非聯盟成員BIM技術成果的共享機制，讓研發人員和單位的投入有所收益，尊重和保護其知識產權，以保障聯盟可持續發展。

4 BIM技術應用創新的三個原則

4.1 整合信息化資源（應用立足現在、創新謀劃未來）

立足當下、實事求是、量力而行、力求實效是水利水電行業BIM應用的發展策略。BIM不是單獨的軟件，它是工程信息化、可視化的前臺工具集，是協作平臺與數據支持中心。將BIM真正作為提高水利水電工程設計服務能力的推進器，把BIM帶來的成果有效轉化為客戶的高認知度、高認可度的服務體驗；應充分利用BIM技術現有的產品、方案，持續提升水利水電工程的智慧化管理水平，只有在持續的應用實踐中，才能不斷發現不足、完善優化、改善體驗、提高效率。

用信息化的思維，推動水利水電工程建設的創新發展。當前，我國經濟正處于增長速度換檔期，低要素成本驅動的發展方式已難以為繼，技術創新將是各個行業發展的動力，以建筑業為代表的工程行業已逐步開始從要素驅動、投資驅動向創新驅動轉變。隨著信息技術的發展，數字化建造技術正以前所未有之勢對工程行業發生巨大的轉變。將創新作為重要驅動力，深化信息技術與各項水利水電工作的融合，積極研究大數據、云計算、物聯網、移動互聯等技術應用，強化信息化對水利各業務領域的服務與支撐，推進各類信息化資源整合共享，最大程度發揮水利水電信息化資源的效率［13］。

4.2 促進本土化發展（政策引導市場、技術貼合需求）

政策決定方向、市場配置資源。政府越來越重視信息安全問題，但本土BIM軟件技術研發廠商技術力量薄弱，PKPM（中國建筑科學研究院北京構力科技有限公司）、廣聯達、魯班等少數幾家只是擁有自主獨立的某幾項BIM技術。如果BIM產業鏈始終離不開國外BIM軟件廠商，那么國家的信息安全戰略就難以在建筑工程類行業落地；如果BIM核心技術不掌握在本土企業手里，那么應用層面的很多本地需求就會被掣肘，我們行業的法規、規范、標準就要去符合并順應國外BIM軟件的要求，這對于我們建筑類工程行業走出國門、在國際市場展開競爭也很不利。發展國產BIM技術，是建筑類工程行業在國際上獲得競爭優勢的必修課，也是落實“信息安全，自主創新”國家信息安全戰略的必然選擇。

關于技術創新，華為創始人任正非的經典總結是“領先半步是先進，領先三步成先烈”，技術只有解決現實需求才有商業價值。BIM目前仍處于初級階段，通過業界的持續推廣及應用，在工程量計算、協同管理、深化設計、虛擬建造、資源計劃、工程檔案與信息集成等方面的應用將逐漸完善。同時，施工階段BIM的應用內容，還遠遠沒有得到充分挖掘，云大物移智等新技術的應用也值得期待。工程行業消化先進軟件技術與思想理念是一個長期的過程，在這個過程中，行業的規范、標準、管理模式、生產方式等各方面都會發生較大的變革，在這個變革過程中需要注意技術引入的時機與節奏。

4.3 打造BIM生態圈（行業牽頭、打造優質生態圈）

中國水利水電勘測設計協會于2016年10月26日成立了水利水電BIM設計聯盟，聯盟以建立水利水電BIM生態圈，推進水利水電全生命周期BIM應用為宗旨，堅持連接、共享、開放、創新的理念，不斷努力提高水利水電勘測設計信息化水平。在2017年9月的中水勘協理事會大會上，聯盟工作得到陳雷部長的肯定，并提出更高的要求“利用好水利水電BIM設計聯盟的平臺，積極推進勘測設計手段創新”。

堅持“增量、連接、多樣、開放、共享”的理念，形成“需求-供應-消費-反饋-再供應”的多元消費和循環體系。目前99%的甲級水利設計院都已經接觸過BIM，并且在工程項目中有實際應用；很多單位成立了BIM中心，培養了一批具備工程設計和數字建模專業知識的BIM人才；一些水利工程業主單位開始要求在設計和施工中使用BIM。水利水電BIM生態必須堅持“增量、連接、多樣、開放、共享”的理念，推進水利水電BIM由自產自用轉變為工程建設參與者的全員協同參與，BIM將不再只是消費品，基于BIM的水利水電數字化創新應用將成為工程建設和管理中的新產業，BIM設計、BIM咨詢、BIM軟件開發、BIM施工、BIM管理、BIM培訓、BIM認證和基于BIM應用開發等新興業務將應運而生，最終將會形成“需求-供應-消費-反饋-再供應”的多元消費和循環體系。

［1］國家能源局.水電發展“十三五”規劃［R］.2016.

［2］常雪梅，程宏毅.習近平向第八屆清潔能源部長級會議和第二屆創新使命部長級會議致賀信［N］.人民日報，2017-06-08，01版.

［3］王海霞.中國水電加上成套出海標準就無敵了［N］.中國能源報，2017-03-30.

［4］蔡陽.關于水利信息化資源整合共享的思考［J］.水利信息化，2014（06）.

［5］蔡陽.水利信息化“十三五”發展應著力解決的幾個問題［J］.水利信息化，2016（02）.

［6］麥格勞-希爾建筑公司.BIM中國調研報告-建筑信息模型-設計與施工的革新，生產與效率的提升［R］.2009.

［7］徐駿，李安洪，劉厚強，等.BIM在鐵路行業的應用及其風險分析［J］.鐵道工程學報，2014（03）.

［8］李德，賓洪祥，黃桂林.水利水電工程BIM應用價值與企業推廣思考［J］.水利水電技術，2016（08）.

［9］陳宇軍，劉玉龍.BIM協同設計的現狀及未來［J］.中國建設信息，2010（04）.

［10］水利部水利水電規劃設計總院.《水利水電勘測設計行業BIM技術應用》調研報告［R］.2017.

［11］彭華.水電工程建設階段信息化的現狀與挑戰［A］.中國大壩協會會議論文集［C］.2013.

［12］何關培.BIM在建筑業的位置，評價體系及可能應用［J］.土木建筑工程信息技術，2010（01）.

［13］水利部.全國水利信息化“十三五”規劃［R］.2016.

［14］劉輝.水利工程智慧之路探討——從通用IT到知識自動化到數據智能［J］.水利規劃與設計，2017（12）.

［15］劉輝.基于水利標準數據格式的BIM數據管理和水利BIM生態探索［J］.水利規劃與設計，2017（11）.

［16］劉輝.水利水電工程勘測設計行業信息化發展思考［J］.水利規劃與設計，2017（01）.