基于Bentley軟件的BIM技術在水利工程數字化的應用研究

馬 奔

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

當前，我國已經進入新發展階段，數字化已成為行業發展水平的重要指標[1]。水利工程作為基礎設施工程領域的重要分支，具有地形地質條件復雜、涉及專業多、建筑物類型復雜多樣等特點[2]，運用BIM技術實現工程數字化應用，成為當前最有效的方式之一。

隨著政府推動力度的不斷加強，越來越多的工程企業及項目開始應用BIM技術來實現工程數字化。但在水利工程中，BIM技術的應用起步較晚，且行業規范標準滯后，這也導致不同企業或項目參與方在工程數字化交付的成果質量參差不齊。沒有統一的規范應用流程及標準來指導實施，是導致企業在承接的每個工程數字化項目實施過程中增加隨機不確定性、很難形成復利效應的重要因素,傳統的設計院及施工企業在數字化轉型升級過程中必須要消除這種因素。

本文基于Bentley系列軟件，以某水閘工程三維數字化協同設計為基礎實現BIM的應用研究為例，探討水利工程在設計階段實現數字化應用的標準化流程，形成企業級的數字化應用標準，助力工程企業產業數字化、網絡化、智能化轉型升級。

1 工程數字化與BIM技術

1.1 技術概述

BIM(Building Information Modeling)技術作為工程數字化表達的基礎在工程行業中的應用已日趨成熟，對其概念性表述，本文不再贅述，可以明確BIM技術對于工程數字化的發展具有重要的作用和意義。工程數字化技術是在計算機、互聯網計算基礎上形成的一個新型圖形技術、計算技術、網絡技術和工程技術的結合[3]，也可理解為工程的數字化表達。隨著計算機技術的發展，工程數字化技術將進入新的發展階段，按照交付成果及技術支持類型可將其劃分為圖紙驅動階段、模型驅動階段、數據驅動階段3個階段，見圖1。

圖1 工程數字化發展階段

在圖紙驅動階段，工程數字化的目的是利用CAD技術快速實現從手工制圖向計算機輔助制圖的轉變；在模型驅動階段，工程數字化技術圍繞BIM(Building Information Modeling)技術，利用基于三維模型的協同設計，賦能傳統交付方式，提升設計工作的效率和質量；在數據驅動階段，工程行業逐步以工程數據為核心，不斷被挖掘、整合和利用工程數據，提出數字孿生(Digital Twin)概念，工程行業整體邁向工程數字化產品交付與工程數字化運營階段。

1.2 技術特點

BIM技術具有直觀性、可計算性、可共享性、可管理性等特點[4]。采用BIM技術進行設計，可實現協同設計、實景建模、三維建模、錯漏碰缺檢查、管線及設備布置優化、工程量統計、三維出圖、實景渲染等，提高項目各專業間的配合效率和質量。

數字化技術是創造一個除物理世界外的數字世界，對于工程數字化的技術特點是以應用場景需求為導向，建立一套完整的數字化解決方案，通過實踐總結出“一個平臺、一個模型、一個數據架構”的工程數字化特點[5]。

基于軟件和平臺的BIM技術是工程數字化重要的技術手段，通過BIM技術將工程實體按照不同的應用場景需求及規范標準進行拆分組合，在工程項目的規劃、設計、建造、運維等階段，用數字傳遞工程項目的幾何信息及屬性信息，實現對工程項目的虛擬建造，提升企業自身的設計、生產、管理效率，助力企業數字化轉型升級。

2 基于Bentley軟件的BIM技術應用流程

2.1 軟件平臺的選擇

Bentley系列軟件產品以其數字化創新能力和多專業協同高效適應性，成為工程數字化建設領域一個必要的工具和手段，Bentley系列軟件是以Microstation為開發平臺，涵蓋了地質Geopak軟件、建筑結構OpenBuildings Designer(OBD)軟件、金屬結構Microstation軟件、水機OpenPlant軟件、電氣Substation軟件、碰撞檢測Navigator軟件、動畫渲染LumenRT、ContextCapture軟件等，最為突出的特點是ProjectWise三維協同設計平臺，使工程項目真正實現不同專業之間實時協作與配合。Bentley系列軟件匯總見表1。

表1 Bentley系列軟件匯總

2.2 基于Bentley軟件模型創建流程

在三維模型設計開始前，需要建立一套全面且規范的Workspace(工作空間)與一個統一的Seed(種子)文件，對不同的材料、圖層、線型格式等[6]加以定義，隨后將根據項目所涉及專業主要包括測量、地質、水工、機電、建筑、金結、施工等，各專業統一在Projectwise平臺中協同工作。總體推進路線見圖2。

圖2 BIM模型創建流程

2.3 BIM設計流程的構建

本著“一模到底”的原則，從設計階段開始將模型設計中信息交換的及時性、傳遞的完整性及準確性作為重點，探索出協同高效的方法與流程。基于BIM技術的工程數字化的實施流程一般可分為3個階段，即前期準備階段、實施階段、交付階段,見圖3。

圖3 基于BIM的設計流程框架

前期準備階段：首先，針對工程數字化項目設置項目組織架構，建立工作集并劃分權限；其次，建立BIM實施的相關標準；最后，選定軟件平臺，包括統一各專業模板文件，統一定位軸網、建立好各專業分裝文件及項目總裝文件和參考關系。

項目實施階段：傳統的工程項目的實施包含設計、建造、竣工交付等，而對于工程數字化項目而言，在實施過程中，通常在設計階段的主要工作是設計圖紙校審、模型校審、深化設計、三維虛擬漫游等，模型在向下游傳遞時，通常以數字化應用場景為導向，深入挖掘BIM模型信息數據，使設計階段產生的BIM模型數據價值最大化。

交付階段：有別于傳統項目交付的工程實體，在工程數字化項目中，一般是業主方為根據自身應用場景提出需求，設計方挖掘數據信息做應用。

3 工程應用情況

3.1 工程概況

選取的工程案例為兼有泄洪、排澇、通航和擋潮功能的水閘工程，閘孔規模為4孔×3 m+1孔×6 m，6 m孔兼顧通航，最大設計流量445.05 m3/s，建筑物等級為2級建筑物。

3.2 設計環境搭建

與傳統二維設計不同，BIM協同設計基于統一的BIM模型數據源，保持數據良好的關聯性與一致性，完成高度的數據共享，實現對信息的充分使用。基于ProjectWise平臺的水閘項目協同設計平臺(圖4)，利用其強大的流程管理、權限管理及知識積累功能，以文件級協同方式，實現項目信息的集中存儲與訪問，從而增強信息的準確性和及時性，提高各參與方協同工作的效率。

圖4 PW協同設計環境搭建

3.3 三維模型創建

在ProjectWise協同設計平臺的基礎上，以Bentley專業設計軟件分專業建立地形、水工、水機、電氣、金結、建筑、結構等專業模型，在此基礎上進行模型總裝。各專業模型見圖5-圖8。

圖5 三維地質模型

圖6 建筑專業模型創建

圖7 水工結構專業模型創建

圖8 模型總裝

3.4 模型渲染

工程項目實景渲染采用Bentley系列軟件LumenRT，對創建完成的三維模型進行渲染及漫游動畫制作，見圖9，實現了項目設計成果的可視化展示，向業主、施工單位直觀展示設計理念和施工意圖。水閘模型渲染效果見圖10。

圖9 三維場景動畫漫游

圖10 模型渲染成果

4 結 語

本文通過構建基于Bentley軟件的BIM技術應用框架，充分發揮BIM技術在可視化、仿真性、協同性和一體化等方面的優勢，結合工程實例，探索實現水利工程實現數字化應用的方法，并總結出在工程數字化方面Bentley軟件具備以下優點：

1)PW協同設計平臺為各專業提供了實時高效的設計環境。

2)Navigator軟件輕量化的模型展示，滿足設計校審流程及錯漏碰缺檢查。

3)實景渲染實現了設計可視化，在清楚表達設計意圖、設計交底和提高溝通效率等方面發揮了良好的效果。

通過水利工程的數字化應用，構建水利智能業務應用體系，為推進水利治理體系和治理能力現代化、推動新階段水利高質量發展提供新思路、新方法。