數(shù)字交付在水利工程中的研究與應(yīng)用

郭莉莉，王小平，聶常山

（黃河勘測設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003）

1 數(shù)字交付發(fā)展的現(xiàn)狀

建筑信息模型，即 BIM（Building Information Modeling），是由美國喬治亞理工學(xué)院建筑與計算機專業(yè)的恰克·伊士曼博士，在三十多年前提出的［1］。時至今日，BIM技術(shù)發(fā)展日益成熟，在此基礎(chǔ)上各行業(yè)都非常重視設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付技術(shù)的研究與應(yīng)用，并已在航空航天、造船、建筑等領(lǐng)域得到了驗證，取得了可觀的經(jīng)濟和社會效益。

近年來，數(shù)字交付技術(shù)除高校進行專題研究外，政府層面的研究也逐步開展，相關(guān)機構(gòu)正在加緊制定適應(yīng)我國工程法律制度和管理要求的數(shù)字交付標準。2016年7月28日上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會發(fā)布了《上海市工程設(shè)計、施工及竣工圖數(shù)字化和白圖交付實施要點》（滬建建管聯(lián)〔2016〕596號）；2016年10月12日，中國建筑學(xué)會科技培訓(xùn)中心在長沙市舉辦的“推動工程建設(shè)行業(yè)數(shù)字化及白圖交付、數(shù)字化審圖新技術(shù)、新模式和落地實踐經(jīng)驗培訓(xùn)交流會”圓滿召開。可見數(shù)字化交付已在工民建行業(yè)得到廣泛認同，并在應(yīng)用中有了實質(zhì)進展。

在水利工程領(lǐng)域，雖然設(shè)計產(chǎn)品中三維元素逐年增多，但總體信息化程度不高，設(shè)計產(chǎn)品仍停留在三維建模階段，僅能反映產(chǎn)品的幾何信息，而產(chǎn)品的材質(zhì)、設(shè)備參數(shù)等信息在產(chǎn)品查詢時出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，具體反映在信息與交付產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)度不夠。隨著計算機技術(shù)和電子信息技術(shù)的不斷進步，基于BIM技術(shù)的無紙化建造及無紙化交付輪廓將漸漸變得清晰可見［2］，進行水利工程數(shù)字交付的研究和應(yīng)用具有廣闊的前景。

2 水利工程設(shè)計產(chǎn)品交付存在的問題

水利工程設(shè)計過程是多專業(yè)協(xié)同的過程，一般涉及地質(zhì)、壩工、廠房、金屬結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備、施工和安全監(jiān)測等眾多專業(yè)。設(shè)計過程專業(yè)的多樣性，決定了設(shè)計產(chǎn)品管理和交付的復(fù)雜性。截至目前，水利工程產(chǎn)品的交付仍以二維產(chǎn)品為主。受協(xié)同手段與二維產(chǎn)品本身局限性的影響，水利水電設(shè)計產(chǎn)品中的錯、漏、碰、撞時有發(fā)生，同時對建筑物的描述需要匯總各專業(yè)的設(shè)計產(chǎn)品才能全面準確的描述，缺一不可。因此目前水利水電設(shè)計產(chǎn)品的交付手段，既不利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高，又不利于技術(shù)交底和現(xiàn)場的溝通，同時也大大降低了用戶的體驗。因此，鑒于目前水利工程設(shè)計產(chǎn)品交付的模式和現(xiàn)狀，對設(shè)計產(chǎn)品傳統(tǒng)交付過程中存在的問題進行總結(jié)。

（1）二維產(chǎn)品自身存在局限性，交付產(chǎn)品質(zhì)量有待提升

二維產(chǎn)品自身的局限性在于用二維的直線、圓弧來表示三維的產(chǎn)品。設(shè)計者在進行水利產(chǎn)品設(shè)計時，需要將三維產(chǎn)品進行投影，通過想象各種角度的視圖，用多個剖面表示內(nèi)容結(jié)構(gòu)，用多個視圖解釋投影的二意性。由于剖面或投影的繪制都是獨立進行的，因此水利工程設(shè)計產(chǎn)品中錯、漏、碰、撞和人為粗差的情況難以提前發(fā)現(xiàn)。

（2）信息集成程度不高，交互性差

水利工程設(shè)計產(chǎn)品傳統(tǒng)交付成果的信息集成程度不高，信息分散到各個報告和圖紙當(dāng)中，雖然傳統(tǒng)的報告和圖紙也進行了編碼分類管理，但信息的檢索和查詢?nèi)砸匀斯せ虬肴斯橹鳎虼诵畔z索工作量大，效率低下的情況非常嚴重。此外傳統(tǒng)的交付成果是靜態(tài)的，無法實現(xiàn)與人的互動，交互性差，加大了交付過程中的溝通障礙，用戶體驗不理想。

（3）文印輸出成本高，信息安全隱患大

水利工程設(shè)計產(chǎn)品傳統(tǒng)交付的成果數(shù)量是巨大的，加上變更、版次和存檔要求，一個工程可能有數(shù)千張甚至上萬張圖紙，在文印輸出方面上具有較高的成本。另外文印輸出不僅效率底下，且存在信息外泄的可能，給信息安全帶來巨大的隱患。

3 水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付實施規(guī)劃

3.1 數(shù)字交付的定義與優(yōu)勢

數(shù)字化交付是區(qū)別與傳統(tǒng)工程設(shè)計（以紙質(zhì)介質(zhì)為主體）的交付方式，通過數(shù)字化集成平臺，將相關(guān)設(shè)計成品以標準數(shù)據(jù)格式提交給業(yè)主的成品交付方式［3］。水利工程設(shè)計產(chǎn)品采用數(shù)字化交付，不僅能提升交付產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)，也從根本上解決了工程參建各方在交付過程中的溝通障礙，同時也是提升企業(yè)核心競爭力的重要手段，其價值具體體現(xiàn)在：

（1）碰撞檢測：減少錯漏碰撞，提高設(shè)計質(zhì)量。

（2）三維化：對設(shè)計產(chǎn)品進行三維的空間變化表達，利于產(chǎn)品的直觀描述。

（3）可視化：便于溝通和決策，利于設(shè)計意圖的準確表達。

（4）信息化：實現(xiàn)各種相關(guān)信息通過互動方式進行快速檢索與查詢。

（5）文件管控：實現(xiàn)圖紙、文檔基于模型的動態(tài)管控，有利于產(chǎn)品的安全、高效管理。

3.2 數(shù)字交付的總體要求

在水利工程設(shè)計產(chǎn)品中融入BIM技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字交付應(yīng)滿足的總體要求如下：

（1）保證模型交付的準確性

模型交付準確性是指模型與模型構(gòu)建的形狀和尺寸以及模型構(gòu)建之間的位置關(guān)系準確無誤，相關(guān)信息也應(yīng)保證準確性。在模型交付前應(yīng)對模型進行檢查，確保模型準確反映真實的工程狀態(tài)。

（2）交付的模型幾何信息與外掛信息應(yīng)有效的傳遞。（3）交付的模型應(yīng)滿足各專業(yè)模型等級深度。（4）交付物中的圖紙和信息表格的內(nèi)容應(yīng)與模型中的信息一致。

交付物中的各類信息表格，如工程統(tǒng)計表等，應(yīng)根據(jù)模型的信息來生產(chǎn)，并能轉(zhuǎn)化成為通用文件格式以便后續(xù)使用。

（5）在滿足項目需求的前提下，宜采用較低的模型精度，滿足工程量計算、施工深化的要求。

3.3 實施數(shù)字交付的關(guān)鍵技術(shù)

水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付關(guān)鍵技術(shù)的研究在行業(yè)中屬于比較前沿的技術(shù)，依據(jù)目前設(shè)計產(chǎn)品交付的實際情況以及水利工程設(shè)計信息化發(fā)展的現(xiàn)狀，開展水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付關(guān)鍵技術(shù)的研究，具體內(nèi)容如下：

（1）水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付標準的定制研究

為提高水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付質(zhì)量，實現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)的高效管理。首先應(yīng)對水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付的標準進行研究，研究內(nèi)容應(yīng)包含：設(shè)計產(chǎn)品交付的格式、模型編碼規(guī)則、模型層級劃分和后臺數(shù)據(jù)庫的建模標準等。

（2）水利工程設(shè)計數(shù)字交付模型的創(chuàng)建研究

水利工程設(shè)計數(shù)字交付模型的建立是進行數(shù)字交付的基礎(chǔ)。對水利工程數(shù)字交付模型建立的研究包括：三維模型的建立、模型輕量化與格式轉(zhuǎn)換、模型信息的分類與檢索等。

（3）水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付平臺的開發(fā)研究

為增強水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付方式的可用性和通用性，需對水利水電設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字化交付平臺進行定制開發(fā)。開發(fā)主要內(nèi)容主要包含：模型交互、信息掛接和查詢、可追溯的文檔電子化管控等功能的整合。

4 水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付的實施

4.1 標準的定制研究

水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付標準的定制主要包括：交付產(chǎn)品格式、模型層級劃分、模型編碼和數(shù)據(jù)庫建模等。

（1）交付產(chǎn)品的格式

為保證數(shù)據(jù)的完整性，模型的保存應(yīng)是原有或兼容的數(shù)據(jù)格式，盡量避免模型轉(zhuǎn)換造成的數(shù)據(jù)損失。模型作為最終的交付成果，還應(yīng)考慮在設(shè)計交付中便于瀏覽、查詢和綜合應(yīng)用等，并能滿足一定的通用性和輕量化要求。

在水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付關(guān)鍵技術(shù)研究過程中，采用某公司的三維設(shè)計軟件作為建模工具，以與其配套的軟件來實現(xiàn)對模型的瀏覽、查詢和綜合應(yīng)用，并以軟件自有的文件格式，作為數(shù)字交付模型的標準格式。

（2）模型的層級劃分

為反映工程階段和區(qū)分模型重要性，以及模型輕量化的需求，模型在建立前需要對模型的層級進行劃分。

模型層級一般由幾何信息深度或非幾何信息深度兩類要求共同組成。根據(jù)水利水電工程設(shè)計產(chǎn)品的特點，參考美國建筑師協(xié)會（AIA）于2008年發(fā)布的首份BIM合同文件《AIA E202建筑信息模型協(xié)議增編》將模型層級劃分為六個層級［4］，分別為100、200、300、350、400和500，需要注意的是，在實際過程中，由于500等級與400等級在信息深度上是一致的，其區(qū)別主要是500等級采用了建筑竣工后的實際尺寸，而400等級為設(shè)計施工尺寸。因此水利工程數(shù)字交付模型層級控制在400以內(nèi)。

根據(jù)水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付的特點，靈活運用模型層級劃分的原則。交付模型在幾何信息深度上，土建部分的模型層級取400，即模型尺寸與設(shè)計施工尺寸相符。對于通過招標由廠家提供的設(shè)備，模型層級取200，其模型只需反映占用空間和出入線路接口即可。交付模型在非幾何信息深度上，模型層級取350，能反映材質(zhì)、做法、單價、生產(chǎn)廠家、供貨商、安裝單位等產(chǎn)品信息和安裝信息即可。

（3）模型的編碼標準

水利工程行業(yè)涉及專業(yè)較多，參與人員多，項目模型拆分后模型文件的數(shù)量多，因此，采用清晰、規(guī)范的文件命名有助于參與人員提高對文件名標識理解的效率和準確性。同時為規(guī)范建模行為，保證模型數(shù)據(jù)具有高效的交互性和質(zhì)量，構(gòu)建合理的模型編碼規(guī)則，使信息能夠快速的進行檢索，并通過索引目錄等方法讓信息儲存到數(shù)據(jù)庫中。

經(jīng)研究和反復(fù)實踐，建議水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付模型編碼規(guī)則采用順序分層的方式進行編碼，編碼的標準格式如下：

專業(yè)編碼-構(gòu)建編碼-編碼注解

整個編碼由三部分組成：專業(yè)編碼、構(gòu)件編碼和編碼注解，中間用“-”隔開。其中專業(yè)編碼由從01開始順序排列的兩位數(shù)字組成，每組數(shù)字代表一個專業(yè)，共能代表99個專業(yè)；構(gòu)件編碼由從001開始順序排列的三位數(shù)字組成，每組數(shù)字代表一個獨立的模型構(gòu)件，每個專業(yè)下邊可有999個獨立的模型構(gòu)件；編碼注解是對構(gòu)件編碼對應(yīng)模型的注解或命名。

例如：00-001-地形。“00”為專業(yè)編碼，表示地形地質(zhì)專業(yè)；“001”為構(gòu)件編碼；“地形”為編碼注解，表示“001”代表的是地形模型。

（4）數(shù)據(jù)庫建模

關(guān)系型管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具有體積小，速度快，開放源代碼，支持多線程和多用戶等特點［5］，可作為支撐水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付信息的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫是整個綜合信息平臺的“大腦”，它的設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到綜合信息平臺運行效率和穩(wěn)定性［6］。數(shù)據(jù)庫建模應(yīng)滿足規(guī)范命名、減少數(shù)據(jù)冗余和采用數(shù)據(jù)驅(qū)動等要求。

4.2 數(shù)字交付模型的創(chuàng)建

水利工程數(shù)字交付的模型，不僅僅是簡單的幾何展現(xiàn)，是一個經(jīng)量化、可瀏覽、可交互、富含各種交付信息的模型。

（1）模型建立

選用某軟件作為水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付的建模軟件，并結(jié)合水利水利工程產(chǎn)品的特點，采用骨架設(shè)計、參數(shù)化模板搭建、標準庫零件調(diào)用、流程化建模、協(xié)同環(huán)境創(chuàng)建等技術(shù)，輔以規(guī)范化編碼和合理的層級劃分，快速完成水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付模型的創(chuàng)建。

（2）模型的輕量化與瀏覽

水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付模型一般包括：地形地質(zhì)、樞紐建筑物、場內(nèi)交通和各種施工建筑物等，數(shù)據(jù)量非常龐大，給模型的使用和瀏覽帶來很大的難度，為此，對水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付模型進行輕量化處理十分必要。

將模型導(dǎo)入某軟件，進行格式轉(zhuǎn)換的過程，本身就是一個輕量化的過程，數(shù)據(jù)壓縮比例相當(dāng)高。經(jīng)過輕量化的模型在保證模型精度的前提下，大大減少了數(shù)據(jù)量，而且能使模型的結(jié)構(gòu)更加清晰，展示效果更加逼真。

（3）模型信息的分類與查詢

水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付模型的信息存儲是海量的，模型的內(nèi)容包含了模型的對象及其屬性，對象及其屬性在不同階段也有不同的需求［7］。就水利工程交付模型而言，屬性信息一般分為基本信息和外掛信息?；拘畔⒖芍苯恿咳～@得；外掛信息則通過模型編碼與后臺數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，借助二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)模型的外部交付信息與查詢。

4.3 數(shù)字交付平臺的開發(fā)研究

2016年2月，李克強總理在寧夏考察調(diào)研期間，明確大力支持實施鹽環(huán)定揚黃工程更新改造，并要求在2～3年內(nèi)完成工程建設(shè)并發(fā)揮效益，為鹽環(huán)定革命老區(qū)、貧困地區(qū)脫貧致富提供水利保障。

在此背景下，黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司開展了鹽環(huán)定揚黃共用工程泵站更新改造的設(shè)計工作。設(shè)計產(chǎn)品作為試點率先采用數(shù)字交付，并以某軟件作為交付模型的展示內(nèi)核，以某數(shù)據(jù)庫為后臺數(shù)據(jù)庫，以Visual Basic.NET為集成開發(fā)工具，開發(fā)了《鹽環(huán)定揚黃共用工程泵站更新改造項目2#數(shù)字泵站交付平臺》，平臺具備的功能特點如下：

（1）交互功能強大

平臺可通過交互方式實現(xiàn)模型的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)，并提供可隨意切換的四種顯示模式，支持模型的多方位剖切等，如圖1所示。

圖1 模型剖切

（2）信息檢索查詢便利

平臺可實現(xiàn)幾何信息的測量，如圖2所示，并能以互動的方式查詢和導(dǎo)出屬性信息，如圖3所示。

（3）文檔管控效率高

圖2 幾何信息測量

圖3 屬性信息的互動查詢

平臺可依據(jù)登錄權(quán)限實現(xiàn)對文檔的管控，以及圖紙、建筑總說明與模型的關(guān)聯(lián)與下載，如圖4所示。

圖4 圖紙管控

（4）智能搜索

平臺提供模糊搜索和交互篩選兩種智能搜索模式，搜索結(jié)果提供三種顯示方式：突出亮顯、單獨顯示和閃爍顯示，方便模型定位和信息過濾，如圖5所示。

水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付的標準定制與平臺開發(fā)，對其它工程的交付具有借鑒意義。其中，水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付的標準定制國內(nèi)外科技查新結(jié)果表明具有創(chuàng)新性，開發(fā)的平臺通過了國家著作權(quán)登記。

圖5 智能搜索

5 結(jié)語

通過對水利工程設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字交付標準定制與平臺開發(fā)，實現(xiàn)了設(shè)計交付產(chǎn)品的三維化、信息化和可視化；并結(jié)合工程特點實現(xiàn)了可追溯的文檔電子化管控和智能化三維模型搜索等功能，有效減少了交付過程中溝通障礙，提升了交付質(zhì)量和品質(zhì)。成果在鹽環(huán)定揚黃共用工程泵站更新改造項目中得以印證，為施工圖審查的順利通過起到了積極作用，在施工圖審查中，得到了審查專家的高度認可，值得進一步推廣。

［1］H Edward Goldberg.AEC From the Ground Up：The Building Information Model［J］.CADalyst.Eugene，Nov 2004，Vol.21；56-58.

［2］倪家卿.基于BIM的無紙化交付體系［J］.上海建設(shè)科技，2017，34（01）：86-87.

［3］壽海濤.數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付［J］.石油化工設(shè)計，2017（01）：44-77.

［4］美國建筑師協(xié)會.AIA E202建筑信息模型協(xié)議增編［Z］.2008.

［5］胡敏.Web系統(tǒng)下提高MySQL數(shù)據(jù)庫安全性的研究與實現(xiàn)［D］.北京郵電大學(xué)，2015.

［6］邱守義.基于.NET的部隊辦公綜合信息管理系統(tǒng)［D］.南京理工大學(xué)，2009.

［7］周成.基于IDM的建筑工程數(shù)據(jù)交付標準研究［D］.上海交通大學(xué)，2013.