BIM技術發展現狀及其在南水北調工程中的應用

關煒，孫慶宇，朱清帥

(1.水利部南水北調規劃設計管理局,北京100038；2.南水北調中線干線工程建設管理局河南分局,河南 鄭州 450016)

1 BIM技術概況

1.1 BIM概念

BIM(Building Information Model)是“建筑信息建模”的簡稱，是BIM最初的定義，起源于20世紀70年代的美國。在計算機輔助設計(CAD)等技術基礎上發展起來的多維模型信息集成技術，能夠有效地實現建筑工程物理特征和功能特性信息的數字化承載和可視化表達。

1.2 BIM技術特點

1.2.1 操作的可視化

可視化是BIM技術的最顯而易見的特點。BIM技術的一切操作都是在可視化的環境下完成的，在可視的環境下進行設計、施工模擬、方案比選及運行維護等一系列的操作。其附帶的信息(幾何信息和屬性信息)為可視化操作提供了有力的支持，不但使一些比較抽象的信息(比如應力、溫度、設計標準等等)直觀的表達出來，還可以將設施建設過程及各種關系生動的表現出來。

1.2.2 信息的完備性

建筑信息模型是其物理特性和功能特性的數值表達，如對象的名稱、結構類型、建筑材料、工程性能等設計信息，施工工序、進度、成本、質量、材料等施工信息，工程安全性能、材料屬性等維護信息，以及對象間的邏輯關系等。信息的完整性還體現在創建建筑物信息模型的過程，通過把前期策劃、設計、施工、運維等各個階段都可以連接在一起，并都存儲進單一工程數據源中，該數據源包含了建筑設施的所有信息。

1.2.3 信息的協調性

信息的協調性體現在數據之間是實時的、關聯的，同時還能智能互動，這給建筑工程帶來了極大的方便，各種平、立、剖等2D圖紙以及相應的數據圖表都可以根據模型隨時生成，同時數字模型的所有圖紙和圖表均互相關聯，任何一處模型修改，都會視為對數據庫的修改，馬上在其他的視圖或圖表上實時關聯，避免了設計階段不同專業的沖突。施工階段可以通過應用BIM技術合理安排施工計劃、工序，保證整個施工過程銜接緊密、合理，使施工更加高效。

1.2.4 信息的互用性

實現了信息的互用性，只需要一次性采集或輸入，就可以應用在建筑設施的全生命周期中，不同專業、不同品牌的軟件應用中實現信息共享、交換與流動，使BIM模型能夠自動演化，避免了信息的不一致錯誤，也避免了數據不同階段的重復輸入，節約成本和時間，減少錯誤，提高效率。

BIM技術實現了使項目信息無障礙共享，無損耗傳遞，為項目全生命周期中所有決策及生產活動提供可靠的信息基礎，提高項目全過程精細化管理水平，從而大幅度提升項目效益。

1.3 BIM主要平臺

①Autodesk公司的AutoCADCivil3D平臺是面向土木工程行業的建筑信息模型解決方案；②Bentley公司以MicroStationV8i為代表的BIM平臺，實現項目的設計、建模、可視化、文檔制作和測繪；③Dassault公司BIM平臺主要產品為CatiaV5，被廣泛地應用于汽車、航空航天、輪船、軍工、儀器儀表、土木工程、電氣管道、通信等行業；④GIS平臺:GIS即地理信息系統(Geographic Information System)是基礎的設計資料，是BIM技術一個基礎平臺和重要的工具。

2 BIM技術發展現狀

2.1 國外發展現狀

BIM技術從提出到逐步完善，再到工程建設行業的普遍接受，經歷了幾十年的歷程，BIM技術應用在歐美及其他發達國家已經相當普及，并得到各國政府的大力支持。在美國，大多建筑項目已經開始應用BIM，BIM的應用種類繁多，而且存在多種BIM協會，也出臺了各種BIM標準，美國總務管理局于2003年推出了國家3D-4D-BIM計劃，并陸續發布了系列BIM指南。美國建筑科學研究院旗下的BuildingSMART聯盟負責BIM應用研究工作，2012年工程建設行業應用BIM技術的比例高達71%；在英國，政府明確要求2016年前實現3D-BIM的全面協同；在挪威、丹麥、瑞典等北歐國家，自2007 年起，就強制要求建筑設計部分使用BIM，其他設計部分逐步實現BIM ，目標是全面使用BIM；在日本，政府高度重視建筑信息技術，以福井計算機株式會社為主導，成立了國家級BIM軟件聯盟。不過，BIM技術目前在國外更多在建筑行業全生命周期中的運用，水利行業應用較少。

2.2 國內發展現狀

自BIM技術被引入中國以來，在工程建設領域掀起了變革性的浪潮，被譽為CAD之后工程建設領域的第二次革命，隨著BIM技術應用的普及和深化，彰顯了巨大的社會價值和經濟價值。BIM在中國的發展經歷了概念導入、初步應用、快速發展三個階段。概念導入階段(1998—2005年)，主要是進行BIM標準的研究，BIM概念逐漸被政府部門、設計及施工單位接受；初步應用階段(2006—2010年)，理論上對BIM技術進行初步研究，同時在奧運場館、上海世博會等一些示范工程上進行了試點應用；快速發展階段(2011年—目前)，2011年是中國的“BIM元年”，2011年5月，住建部發布《2011—2015年建筑業信息發展綱要》，不僅國家政策層面上開始明確支持BIM，各級地方政府也積極協同推進BIM應用，截止2017年9月，全國32個省、市、自治區發布了104項關于推進BIM應用指導意見和相關政策，BIM技術真正成為中國建筑信息主線，BIM技術快速發展，并開始在“武漢中心”、“北京中國尊”、“港珠澳大橋”、“包頭茂名高速”等大量工程中應用。

2.3 BIM技術在水利水電行業發展現狀

水利水電行業BIM技術的應用探索大致從2003年左右開始，主要為單專業的建模。2008年后水利水電行業BIM技術發展迅速，從單專業的建模到多專業協同設計，到2013年以后開始逐步應用到施工建造和后期運維，應用領域涵蓋規劃、設計、建造及運維等工程建設全生命周期。水利行業的三維協同設計研究工作以中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司、昆明勘測設計研究院有限公司及水利部委黃河勘測規劃設計有限公司、長江委設計院等部屬大院為首分別開展基于Revit、Micstation、Catia平臺的BIM應用及研究。從2008年左右開始應用于部分水利、水電工程項目設計。2008年后水利水電行業BIM技術發展迅速，從單專業的建模到多專業協同設計，到2013年以后開始逐步應用到施工建造和后期運維，應用領域涵蓋規劃、設計、建造及運維等工程建設全生命周期。

2016年10月，中國水利水電勘測設計協會在北京發起成立了水利水電BIM聯盟(CWHBIM)，成員包括水利部水利水電規劃設計總院、水電水利規劃設計總院、華東勘測設計研究院有限公司、昆明勘測設計研究院有限公司、黃河勘測規劃設計研究院有限公司、長江勘測規劃設計研究有限責任公司、河南省水利勘測設計研究有限公司等37家設計單位，以及歐特克(中國)有限公司和達索析統(上海)信息技術有限公司2家戰略合作伙伴，聯盟旨在推動BIM技術在水利水電行業的發展，推進水利水電工程建設行業BIM應用。

目前，在BIM技術基礎上，結合互聯網、GIS應用平臺、虛擬現實技術(VR)、3D掃描技術等，水利行業正在向BIM+思維深度拓展。

3 BIM技術南水北調工程應用案例

南水北調工程是中國的戰略性長距離調水工程，總體布局分為東、中、西三條線路，分別從長江上、中、下游調水，以實現中國水資源南北調配、東西互濟的合理配置格局。東、中線一期工程分別與2013和2014年底分別通水，雖然在規劃、設計及建設期并未應用BIM技術，但隨著南水北調一期工程運行需要，相關單位已將BIM技術在南水北調配套工程建設、運行管理及后續工程規劃中逐步開展了應用。

3.1 在水庫規劃設計中的應用

為滿足南水北調中線工程應急調蓄需要，開展了某調蓄工程的規劃設計研究，該規劃研究難點在于工程處于前期決策階段，前期資料相對匱乏，涉及已建工程、擬建工程、已建工程的改擴建等總體布局問題。

項目通過無人機獲得三維實景地形，然后創建調蓄水庫BIM模型，將工程區周邊的規劃情況表現在工程中，再通過BIM技術進行渲染，將工程完工后虛擬實景可視化展現出來，實現了設計思想所見所得，對項目決策起到很大支撐作用，見圖1、圖2所示。

圖1 無人機航攝技術生成原始模型成果圖

圖2 工程建造成后虛擬實景圖

3.2 在石門河倒虹吸洪水影響分析中的應用

南水北調中線石門河倒虹吸位于太行山南麓地區，該地區降雨特點是歷時短洪量大，加之倒虹吸工程在建設之初的地形地貌與工程建成后也發生了較大變化，為全面了解現狀左岸洪水對石門河倒虹吸可能造成的淹沒風險、沖刷風險、滲透破壞風險等，利用BIM技術對洪水影響進行了模擬分析，見圖3、圖4及圖5所示。

圖5 石門河行洪通道附近流場分布圖

3.3 在工程運行維護管理中的應用

南水北調中線干線工程線路長1 432 km，有渡槽、倒虹吸、河渠交叉建筑物、節制閘、泵站等各類建筑物2 000余座，為保障中線干線工程正常運行及供水，運行管理單位為此設置了45個現地管理部門，各類運行管理人員約2 000人，如還采用傳統巡視維護方式，人工巡查、統計、報送存在信息傳遞慢、統計查詢難、巡查維護工作不易監管等問題，巡檢質量和效率無法保證，不能滿足精細化管理及突發事件處置要求。

為提高中線干線工程運行管理信息化水平，運用BIM技術開發了南水北調中線工程巡查實時監管系統，主要功能包括人員管理、巡查和維護任務管理、問題管理等，通過該 “巡查監管系統”可實時掌握中線干線工程各類設施設備的運行狀態，設定固定的人員巡查時間及路線并進行監督考核，對發現的巡查問題形成上報-受理-處理-消缺的完整閉合環，自動生成巡查記錄、維護記錄、問題缺陷統計等文檔，達到“巡檢有計劃、過程有監督、事后有分析，處理可追蹤”的數字化、精細化、智能化管理。同時，利用BIM技術建立的南水北調可視化查詢系統，將工程建設階段相關設計信息進行掛接，實現部分工程信息可視化查詢。

該系統實現了工作人員實時位置信息，顯示了所有設備設施的運行維護狀況，建立了固定的運行管理路徑，集成了主要建筑物規劃設計信息，滿足了南水北調中線干線工程運行管理智能化需要，為工程安全穩定運行提供了支撐，見圖6、圖7及圖8所示。

圖6 巡查系統操作界面圖

圖7 巡查系統問題統計報表圖

圖8 南水北調工程渡槽信息可視化屬性查詢圖

4 結論

通過對BIM的發展和應用現狀的研究，可以得出如下結論：①國外比國內起步早，技術相對較為成熟；從行業應用成熟度看，制造、建筑、交通行業BIM發展水平比水利行業發展高；從國家政策和行業標準看，國家正大力推廣BIM技術應用，出臺了相關政策和標準，水利水電行業相比其它行業相對落后。②BIM技術代表一種全新的項目管理模式，并不僅僅是一次技術手段的升級，已全面應用于工程的全生命周期，規劃階段應用BIM技術，可以形象展示設計思想及意圖，為項目決策提供有力支撐后；設計階段應用BIM技術，通過協同設計減少設計沖突與誤差，提高設計質量和效率；施工階段應用BIM技術，通過工程建設模擬和實時更新材料信息，能顯著提高工程進度管理及工程投資控制；運維階段應用BIM技術，通過建立完備、準確的工程信息庫，提高信息化管理水平。③國家重大戰略南水北調工程采用BIM技術是可行的也是發展的必然趨勢，結合BIM技術優勢及特點，還可在南水北調工程的檔案數字化管理、運行調度水資源配置管理、智能化運行維護管理、數字化工程風險預警，以及南水北調東、中、西后續工程規劃、設計、建設中推廣應用，進一步提供工程科技含量，全方位提升南水北調工程建設管理水平。