水利工程設計施工運維中的BIM技術應用研究

范群杰

（上海市長寧區河道管理所，上海市 200335）

0 引言

水利工程是關乎國民經濟的重要基礎設施，其主要負擔水資源供給、防洪減災、進行水量調節與分配的功能，以滿足人民正常生活和生產對水資源的需要。相比于常規工程，水利工程往往具有規模體量大、覆蓋和影響地域廣、投資大、工程技術復雜、對人類活動能產生深遠影響等特點。受制于實際功能需求和工程條件，所建立的水利工程往往側重點和工程技術難度各不相同。上述因素都會給項目設計、施工、組織管理和運行維護帶來極大的挑戰。據相關報道顯示，2016年度全國在建的水利工程的總投資規模達到了8 000億元以上。隨著“一路一帶”的推動，日后必將會出現大規模對沿線國家進行水利工程建設的局面。然而受傳統水利工程設計、施工、運維的流程及管理模式的制約，水利工程常常會出現在生命周期內設計與交互效率低、各環節信息缺失、信息化水平低造成管理成本上升等問題。這使以往的傳統模式無法適應行業的新需要，因此建立新理念、引入新技術和改革舊模式便勢在必行。

近幾年隨著水利工程信息化進程的加快，BIM技術也被應用到水利行業并受到了廣泛的重視。BIM技術是一種應用于工程設計施工管理的數據化工具，通過參數模型整合各種項目的相關信息。在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員面對各種工程信息時能做出正確的理解和高效的應對。自21世紀初期BIM技術被引入中國以來，國內對BIM技術的研究與應用得到了飛速發展，BIM不僅在常規建筑工程領域得到應用，還在公路、橋隧、水利等大型基礎工程中獲得了充分的重視。相比于發達國家而言，我國BIM技術的應用仍處于初級探索階段[1]，特別是在水利工程中的應用領域尚存在較大的發展空間[2]。本文以BIM技術在水利工程設計施工運維中的應用研究為出發點，探討了BIM在水利工程中的應用現狀并提出了應對建議。

1 BIM技術在水利工程中的應用優勢

BIM技術不僅為水利工程的設計帶來了一項新技術，更帶來了一種新的思維方式，即強調項目整體和全周期的信息化，實現了將設計施工技術與管理運行維護的有機組合。具體表現在以下幾個方面。

1.1 設計理念的更新

水利工程的BIM化可以輕松地實現水工建筑模型的實時仿真模擬，從而表現出整個工程的風貌，并具有“隨時修改、改后可見、實時反映”的特點，實現了項目的信息化與可視化。從以往的二維圖紙躍遷至三維模型中來，降低了工程技術人員的理解與交流的難度和門檻。同時使設計（包括竣工后）的模型項目直白地展示出來，可以在尚未施工時就獲得項目的最終形態。

1.2 設計效率的提高

BIM技術提升了設計效率。傳統的設計工序一般是對模型的平立剖面和工藝流程進行二維圖紙繪制，再將二維圖形建立空間三維模型，流程煩瑣，且容易出現對圖紙理解偏差和不同專業出現空間沖突的現象。若使用BIM建立模型，則可以通過所建立的模型直接表達任意空間位置上的圖紙，極大地提高了設計效率。還可以協助施工人員更好、更快地對工程信息進行解讀，并在此基礎上進行節點深化設計，從而對圖紙中的錯誤提前糾正，對不合理的工序進行優化。利用模型進行的“預先施工”可以事先避免空間碰撞，很大程度上消除日后施工中所出現的不確定性和不可預見性問題，指導施工有效有序地進行。

1.3 施工管理手段的增加

利用深化設計成果和模型預先施工的推演，利用BIM技術可建立起一套可操作性的施工組織設計。同時依據施工組織設計可以生成反映施工進度的三維模擬動畫，以此對施工人員進行直觀生動的技術交底，同時使施工人員對流程作業、關鍵節點、場地危險源等現場情況進行提前預判并建立針對性的解決方案。

1.4 材料核算與運維管理的優化

施工進程完善的BIM項目可以對工程各個環節與節點使用的材料施工過程管理進行全部信息化管理集成，最終所形成的數字化產品在工程的運行維護階段可以起到至關重要的作用。將其交付給運營單位可將數字流與物質流進行整合與組織，從而推動精益化和全生命周期管理。

2 BIM技術在水利工程中的應用限制

2.1 應用現狀

現階段我國水利工程行業的BIM技術主要集中在設計階段，施工階段已實現了部分介入，管理和運營階段的BIM技術普及度極低。受我國水利工程建設領域BIM技術應用起步較晚制約，可查詢的BIM在水利工程中的實際應用項目還不普遍。近年來部分水利工程中應用BIM技術項目見表1。表中可看出BIM技術在水利工程設計階段的應用已初見成效，在施工過程中也已開始逐步拓展。實際上，水利工程所具有的體型大、施工周期長、全生命周期長、參與方多且多專業協同等特點，正是BIM技術可以予以解決和發揮其最大價值之處，例如基于共享平臺的參數化建模、全生命周期視角下的進度和管理、多參與方的協調。

2.2 應用限制

2.2.1 缺乏成熟的政策與環境氛圍支持

盡管BIM應用于水利工程的趨勢逐步加強，但相關的技術應用水平卻較為落后。掌握BIM技術成本較高、對傳統施工工藝過度依賴嚴重制約著BIM技術在水利工程中的推廣。雖然BIM技術的應用在一定程度上為項目的施工提供了更加先進的施工手段和科學的施工工序調整，但由于我國在BIM技術使用上缺乏創新、新舊模式轉變困難和缺乏成熟的法律法規保障，導致水利行業人士在工程技術管理諸多環節仍舊難以接受利用BIM思維來替換傳統的思維。配套政策與宏觀環境的不成熟導致了BIM技術在水利項目的推廣過程中受到了較大的阻礙。

2.2.2 缺乏成熟的技術應用環境

BIM技術的使用是建立在多專業、多單位共同協調并行的基礎之上，而我國目前所使用的BIM軟件多從外國引入，例如水利工程領域主流的BIM軟件基本出自Autodesk或Bentley旗下。這在標準本地化、適用性和信息交互安全方面均存在著很大的弊端。而且國外軟件的引進成本和學習使用成本過高，往往會出現軟件閑置、利用率低、不同專業模型的交互能力不足等缺點。這些不足直接影響BIM技術在水利工程項目中的應用情況。同時，水利工程項目規模大、結構復雜的特點會造成與BIM軟件匹配的計算機硬件要求較高，使用中增加了很多的無形成本。因此技術應用環境的不成熟也直接導致了BIM技術在我國水利水電工程中應用不暢。

表1 我國部分水利工程BIM應用案例

2.2.3 水利行業內BIM技術應用環境不成熟

BIM技術在水利工程的具體實施中帶來以下幾點問題：

（1）BIM軟件操作不熟練，先進技術無法快速轉化為生產力。

（2）建立的模型在適用范圍與深度上不能達到預期標準。

（3）BIM技術的投資回報率并不高，無法短期內產生明顯效益。

因此行業環境的不成熟也直接影響了BIM技術在水利工程項目中的推廣。

2.2.4 重設計與施工環節而忽略管理環節

受傳統思維影響，BIM應用于水利工程行業偏重于對三維模型的建立和利用模型進行修改、比選和模擬等工作，但往往忽略了多專業的協同、參與方的交流、生命周期管理等方面，使得BIM軟件最后淪為繪圖工具。

BIM技術在管理和協同方面的使用具有重要意義，例如基于BIM技術的信息管理平臺可保證項目信息的完整性、準確性和可追溯性，為日后預防、警報、維護提供有效的信息。此外，BIM的協調同步可以使設計總包、工程總包和工程監理等參與方實時獲取設計、進度、質量等精確信息和管控要點，達到全過程量化管理。

3 BIM技術在水利工程中的應用

結合上述，筆者認為在水利工程行業BIM的應用應當貫穿于設計、施工和運維階段的全過程。不同階段的側重點有所不同，具體如下所示。

3.1 設計階段的應用

3.1.1 可視化設計

BIM技術具有可視化建模的思路，使傳統二維圖紙以三維空間模型的方式呈現出來。過去的水利工程三維動畫或工程效果圖往往通過精美的畫面來起到宣傳展示作用，并沒有對工程的實際設計施工起到效果。BIM軟件所建立的三維模型從項目的規劃到設計，再由施工到運維，自始至終都圍繞工程不同階段所需要實現的目標服務。在設計階段，可視化設計的側重在于精確地完成三維模型的建立，模型是BIM技術的基礎，只有準確的模型才能對后續的施工與管理起到有效的支撐。

3.1.2 圖紙的輸出與審查

BIM空間模型建立好以后能在任意斷面輸出二維圖紙，省略了以往平面圖紙的繪制步驟。設計初期通過模型建立直接完善和生成圖紙，特別是對關鍵階段的圖紙進行深度細化。此外對圖紙的核對審查也是水利工程項目設計中重要的環節，對圖紙的校閱能預先發現和解決問題，更好地服務于設計人員。

3.2 施工階段的應用

3.2.1 可視化施工

BIM的可視化不僅可以應用在設計領域，同時也可應用于施工領域[3]。通過可視化技術，可以使施工人員及時了解水利工程的整個面貌、結構形式和采用的施工工藝、協調工程進度等。例如可視化技術能提前處理施工中常遇到的碰撞問題[4]。BIM能對項目建設前期對各專業的施工碰撞問題進行協調，以此進行資源分配和時序調節，減少施工中不必要的資源浪費和工期損失。

3.2.2 施工進度模擬

BIM技術可以通過虛擬施工進度提前發現施工中存在的問題，大大減少返工與整改造成的損失。利用Navisworks軟件關聯由Revit建立的建筑、結構以及機電設備的BIM模型和施工進度計劃Project文件，不僅可以動態地演示施工過程與進度，還可以展現施工場地布置情況，為項目管理人員合理規劃物料進出場、工序的銜接提供重要參考。

3.2.3 施工安全管理

水利工程中的施工安全管理是重中之重。這是由于水利工程的施工地區一般集中在水域或高危的峽谷地區，施工人員所處平臺空間小，人員密集，建設期間面臨不少安全隱患。常規安全管理模式以現場培訓和監督為主，管理起來難度較大。借助BIM技術，施工人員可以通過BIM的施工進度流程進行施工安全管理。同時建立起識別危險因素→劃分危險區域→施工安全監控的立體安全監控管理體系。

3.3 運維階段的應用

BIM模型不僅是空間化的三維模型，其中每個模型圖元內還蘊含有尺寸、位置、安裝工序、生產廠家、價格等信息。施工完成后，通過BIM技術可以及時了解構件和設備的運行情況并進行遠程監控，后期出現問題時可調出BIM模型，展現問題所在的數據和信息，以方便于維修與管理。

4 結語

BIM技術具有強大的三維建模和信息管理統籌功能。根據水利工程具有規模大、建設周期長、涉及專業與參與方多的特點，BIM技術能有效提高設計施工的效率和水平，在實施期間提前減少錯誤，確保施工進度和質量安全控制，加強信息化交流與管控。隨著BIM技術在水利工程領域的加速推廣與應用，市場前景日漸廣闊，可以為水利行業帶來巨大的應用價值。