【摘要】本文总结BIM在水利水电工程全生命周期应用现状基础上，阐述了水利水电工程全生命周期BIM技术应用在协同设计、知识工程、模型拆分与继承、数据融合、平台建设等方面主要技术和方法，并结合工程业务需求，提出以模块化、前后端分离的BIM交付管理平台的构想，以设计阶段为基础，为施工、运维阶段提供数据传递和管理，实现工程相关方内外部通用的数据创建、存储、共享，为水利行业全生命周期管理迈向智慧化高质量发展提供借鉴参考。
【关键词】BIM技术；全生命周期；3DExperience；交付平台;水利水电工程
0 引 言
随着数字化技术与管理理念的不断演进，水利行业迎来了数字化、智能化、智慧化建设浪潮，新时代水利行业高质量发展离不开数字化技术的推动，其中BIM技术是工程数字化的核心。围绕工程全生命期管理与建设，水利行业相关企业对复杂结构的三维设计、方案比选、可视化交底、多专业协同、二维出图、施工模拟与仿真、过程控制、设备管理等技术难点做了大量研究应用工作，有效提升了工程建设精细管理能力、综合决策和精准控制能力、精准诊断和协同检修能力、安全运行的全方位保障能力水平。一大批水利水电工程BIM技术应用落地与实践，开启了水利行业数字化应用发展的新篇章。但从目前整个行业BIM技术的总体应用情况来看，在标准化实施、平台化应用、数字化交付、数据融合、协同管理等方面还存在较大的发展空间。本文将从水利行业全生命周期BIM技术应用分析入手，论述各阶段BIM技术应用与发展情况，供行业BIM技术应用参考借鉴。
1 水利水电工程信息模型定义
21世纪初，欧特克（Autodesk）公司发布《BIM白皮书》，首次提出建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）的概念[[1]]。在计算机辅助设计（CAD）、信息与通信技术（ICT）等技术蓬勃发展的基础上，BIM经历萌芽、产生和发展至今，实现了从模型、建模到多维模型信息集成与技术的演化，贯穿了工程项目策划、规划、勘察、设计、施工、运维等工程全生命周期各个阶段，已成为建筑产业信息化不可或缺的一部分，同时也促进了整个建筑领域生产方式的转变[2]。
在水利行业，中国水利水电勘测设计协会（简称：水利协会）发布了T∕CWHIDA 0005-2019 《水利水电工程信息模型设计应用标准》团体标准[3]，并对水利水电工程信息模型进行了明确定义，提出水利水电工程信息模型（water and hydropower projects information modeling，简称WPIM）概念：在水利水电工程设计、施工、运维全生命周期内，对工程及设施物理和功能特性的承载与数字化表达。
2 BIM技术在水利行业应用现状
水利行业数字化发展至今已取得重大突破，水利部将BIM技术列为水利工程重点推进技术，并在智慧水利先行先试工作中将BIM技术应用作为重要内容，在水利工程前期工作中将BIM技术应用列为工程建设专项内容，多项重大水利工程建设单位都将BIM技术推广应用到了项目的设计、施工和运维阶段中，全面推动了BIM技术在水利水电工程中的应用。水利行业专家学者针对BIM全生命周期技术应用也进行了大量的研究和应用。田林钢等指出BIM技术主要应用于项目设计与施工阶段，主要应用于模型数据格式标准化、轻量化、软件易操作性、数据交互及信息共享等方面[4]。杨顺群等在总结国内外大中型水利水电工程数字化应用的基础上，从水利水电工程的全生命周期分析了水利水电工程的发展现状和存在的问题[5]；孙少楠等研究将BIM模型、倾斜摄影数据等多源数据融合接入到三维GIS平台上进行集成的方法，实现微观与宏观、虚拟与现实结合的多层次、多维度的信息融合，构建三维可视化的交互环境[6]。张社荣等在Cesium 3D GIS、BIMServer的基础上，开发了基于BIM+GIS的管理系统，为各参建方提供了宏微观信息并存的三维可视化交互环境，实现了对工程进度、成本、质量、安全等要素和工程区域地理信息的联合管控[7]。黄勇等基于BIM数字化移交形式、实现流程、实现要素和移交特性，从水电工程建设、运维等不同阶段研究水电工程数字化移交实现过程和数字化移交成果在工程全生命周期管理中的应用[8]。
在行业层面，水利协会成立了水利水电BIM联盟，联盟以设计引领，结合新一代信息技术，带动构建以数字设计、智能建造、智慧运维三位一体的工程数据中心，开展设计、监管、建管、决策、调度、维护、应急、体验等全生命周期的BIM应用，编制行业团体标准、开发基于自主格式的BIM数据管理平台和资源共享平台，举办水工程全国BIM大赛以及开展BIM关键技术研发等工作，基本形成了整个水利行业的BIM生态圈。BIM全生命周期应用也由最初的单阶段局部应用，逐步迈入到行业级规范化系统性应用，独具特色的水利水电工程信息模型作为数字化表达的载体，打破了设计、施工、运维阶段企业间的工程管理和业务决策支持的数据壁垒，激活了数据在工程全生命周期的不断生长，提升了行业数字化生产效率。行业BIM应用示范标杆工程数量剧增，如图1～4所示，在东庄水利枢纽[9]、引汉济渭[10]、引江济淮[11]、珠三角水资源配置[12]等大型水利水电工程中，围绕提升工程精细化建造和智慧化管理，BIM技术为水利水电工程全阶段持续发挥创造了极大应用价值。
2.1 设计阶段应用
设计阶段是项目全生命期内首要的BIM模型创建环节，目前，设计行业内已基本形成了达索、欧特克和奔特力三大厂商为主的ABC（A:AutoDesk，B:Bentley，C:Catia） BIM设计平台体系，在遵循建造逻辑的设计模式下，开展从规划阶段到施工图设计全阶段参数化正向协同设计工作，典型实施方式为：利用倾斜摄影[13]、实景建模[14]、三维GIS[15]等技术手段，建立真实地貌勘测模型；通过激光点云、钻孔平硐等地质信息数据采集，建立可用于地质体三维分析的地质模型[16]；通过专业间的协同设计[17]，建立水工、机电、金属结构、建筑厂房、施工等全专业BIM模型；在三型模型基础上，进行方案比选、分析优化、结构设计、二维出图、碰撞检查、方案展示、施工方案优化、施工工艺模拟、施工机械路径规划、施工进度预演及对比等应用[18]。上述应用可输出满足设计各阶段要求的模型、图纸、场景动画等数字化设计产品。
但由于各专业自身特点，工程师需要利用多个独立软件完成相关专业设计工作。各专业尽管开发了部分满足本专业应用的参数化构件、辅助设计工具，以及与专业分析计算软件接口程序等，但仍然以软件松耦合独立应用为主，存在“数据烟囱”现象。因此，应整合设计业务需求，重塑设计流程与方法，明确应用类别和应用场景，为跨专业、多层级的设计工作提供一个通用性、完整性的数字协同设计环境。
2.2 施工阶段应用
施工阶段BIM应用首先需要对设计信息模型按照材料、工艺、工序的要求进行几何层级的数据分割和信息层级的数据重组，实现设计信息模型到施工信息模型的转换，并通过预定义施工信息条目的增加，按照施工工序、项目划分进行批量模型拆分和数据编码[19]。同时，创建灵活动态的水利水电工程分类属性库，对BIM模型构件进行动态属性管理，达到模型设计信息及物理属性的快速修改、分项匹配、自动升级，并根据应用需要随时导出模型属性信息，实现对施工阶段信息的预定义，构建完整准确的施工BIM模型[20]。基于BIM轻量化引擎的建设管理平台，建立业务数据综合应用体系，开展施工深化设计、施工组织和工艺模拟、预制件生产加工管理、安全管理、质量管理、进度管理、成本管理、竣工验收等管理应用，实现空间数据资源共享[21]。然而，施工阶段BIM技术应用还有很大的发展空间，在应用过程中仍然存在一些短期内较难解决的问题：
（1）源模型数据不统一。BIM厂商不同格式源模型之间数据转换多采用通用IFC标准，在转换过程中，经常出现数据丢失或错误等问题，无法得到有效解决[22]。
（2）平台接口不明晰。基于BIM轻量化引擎所开发的建设管理平台，对不同参建方使用不同建模软件所集成的施工BIM模型，在模型数据、信息交换等方面缺乏统一的传输转换接口。
（3）缺乏统一的数字化建设管理标准。国内工程领域正处于一个由从传统建造技术向智能建造技术转变时期，但针对基于BIM的建设管理平台及所对应的数字化建设管理标准缺乏通用性，难以在行业内全面推广应用。
（4）施工BIM模型与施工现场不匹配。工程建设管控过程是一个高度动态、复杂的过程，如何保证BIM模型与施工现场面貌的一致性和实时性，是施工期所面临的一个关键因素。
2.3 运维阶段应用
运维阶段应用主要是以BIM空间信息集成为基础，以建构筑物结构稳定、设备设施维修保养、绿色能耗节能管控以及生产管理安全运行等应用为主线，减少人工管理成本，提升工作效率。近年来，随着自动化监控系统、云计算平台、物联网技术、大数据等技术的兴起与发展，水利行业全面开展了数字孪生水利工程的建设工作，对物理水利工程全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理水利工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理水利工程的实时监控、精准诊断、优化调度[23]。BIM模型作为水利水电工程地理空间数据底板的重要组成部分，是数字孪生水利工程多源、异构、海量数据的集成与可视化展示的基础。
2.4 全生命周期应用
工程全生命周期管理涉及到项目各参与方、各阶段数据的流转和应用，由于不同阶段所关注侧重点不同，不可避免地造成数据不畅、应用孤立、管理混乱等问题。因此，从项目伊始基于BIM建立全生命周期数据管理框架和数据库，进行数据采集、存储、管理与应用，进而实现工程全生命周期数据的高效传递和共享[24]。如图5所示，BIM全生命周期应用基于统一平台，将不同三维设计平台创建的BIM模型进行轻量化处理，融合GIS场景的地理信息、工程属性信息以及物联网（IoT）监测信息等，构成BIM+GIS可视化基础场景[25]。在此基础上，采用模块化、前后端分离的系统架构，创建工程驾驶舱、工作台、基础数据管理、设计管理、进度管理和设备运维管理等工程设计期、建设期、运维期标准化功能模块，实现多维数据的管理与应用。并根据项目进展，实时添加、录入工程信息，对前期的数据进行补充完善，实现承上启下的动态数据传递和管理，从而满足提升项目相关方决策和服务水平的需要。
图5 全生命周期应用技术流程
3 水利水电工程BIM应用主要技术
3.1 BIM协同设计
BIM协同设计应贯穿从专业任务分解、上下游工作配合、产品设计、校核审查、产品交付和归档的整个数字化过程，才能确保项目设计人员、信息、成果按照水利水电工程规范标准业务流程一体化协同落地。在此基础上，基于专业自动化流程方法、建筑物模块化组装、建模分析一体化应用等技术，快速实现方案比选、分析、验证与优化，为工程全生命周期管理以及构建提供全量设计数据基础支撑[26]。以达索3DEXPERIENCE设计体验平台（以下简称3DE平台）为例，按照数字化设计流程和方法，实现在3DE设计平台上多专业BIM协同设计作业，其主要技术特点如下：
（1）平行作业。各专业基于分层级和上下文进行设计，提高接口管理的灵活度，上下游专业耦合度降低，支持平行作业，各专业仅需要在整合的设计流程上，按照专业接口完成本专业内容（阶段性成果接口），并在下游专业收到相关信息的同时，即可开展平行作业，以减少设计时间。
（2）即时同步。设计人员以可视化方式通过BI基础查看各个专业、各类数据更新情况，查看最新的接口发布以及已完成的设计内容，实现设计过程透明化。特别是相关专业只需要预发布接口，就可以开展本专业设计，当预发布接口更新后，通过更新的方式设计内容同步更新，实现即时同步的超前设计，界面如图6所示。
图6 通过B.I.基础不同颜色查看专业设计进度
（3）实时校审。所有已保存的设计内容是对项目设计团队实时可见的，设计人员在任意时间借助碰撞检测工具以及人机工程技术，通过沟通机制实现实时校审，提前发现设计问题，保障设计成果质量，减少设计修改工作，界面如图7所示。
图7 客户端可视化校审
（4）装配设计以及模型复用。通过已有水利水电工程模型库和设备库，根据设计需求，新增参数化模型构件、标准零件、设备等相关模型入库，通过装配设计以及部件重用的方式进行模块化的模型组装，减少项目重复建模工作量[27]，并将各个子节点的属性信息、相对位置和装配方式进行记录，在保证结构树层级的基础上，通过装配阵列或装配特征，实现模型复用，界面如图8所示。
图8 分类库及属性赋予
3.2 知识工程专业设计工具开发
在水利水电工程设计过程中，由于三维设计基础平台对水利专业应用的局限性，需要结合专业知识和流程方法，基于知识工程进行专业设计工具开发，协助设计人员解决影响专业设计效率的问题，提高水利设计过程中的知识复用率，知识工程专业设计程序集如图9所示。设计工具的开发应遵循需求引导、由易到难、层次分明的原则，以基于达索3DE设计平台的二次开发为例，面向大多数不具备编程能力的工程师，可采用EKL语言编程方式；面向具有一定编程能力的工程师或者EKL无法解决的问题，可采用VBA、VSTA、Python语言编程方式[28]；面向API扩展和产品化封装，则采用CAA编程语言进行开发[29]。
图9 知识工程专业设计程序
3.3 BIM模型拆分与继承
BIM模型贯穿于水利水电工程全生命周期，是对工程进行数字化的表达。除了传统的BIM设计建模外，它还在施工仿真、计算分析、数据集成、模型展示、可视化管控等场景进行广泛的应用。BIM模型在源模型的基础上，通过抽取、简化、复用、拆解、再链接等方法，充分变换即可满足不同应用场景的需要。总结分析，BIM模型分为设计模型、施工模型和运维模型三种应用类型，BIM模型的拆分与继承，涵盖设计、施工、运维阶段参建方内部、参建方之间信息交换的基本准则、添加和删除方法、版本控制、信息分化和继承原则等内容。设计阶段模型与施工阶段模型信息传递流程如图10所示。
设计阶段BIM模型作为一个重模型，集成几何模型与设计全过程的系列参数、知识、设计信息等。模型由设计向施工的转变过程中，需要对设计模型进行轻量化处理，将设计过程信息进行剔除清理和信息继承，拆分几何信息和属性信息，定义BIM模型信息辨识的唯一编码，实现几何和属性信息的灵活组合，从而为施工模型信息的继承打下基础。
施工阶段BIM模型，需要结合动态施工信息对设计内容进行二次深化，施工模型细分为面向加工工艺、节点施工深化的施工深化模型，以及面向施工过程管理的施工管理模型，其中施工深化模型是全面继承设计模型，并在此基础上面向施工深化应用需求，对设计模型进一步补充完善相关几何、材料及属性信息，实现精细化的技术管理和设计管理。施工管理模型则关注于施工中的各类动态信息与模型的关联匹配问题，包括进度、质量、费用、安全、现场管理等。
运维阶段模型通过正向建模、逆向翻模[30]和基于采集仪器的自动化重建等技术，实现模型几何尺度和物理信息的采集，并将相应的信息继承传递给需求的系统或关联者。
图10 模型信息传递流程
3.4 BIM多源数据融合
水利行业目前所采用的BIM建模软件各有不同，BIM模型往往不是由单一数据源提供，不可避免造成模型格式不统一的情况。因此，引入BIM轻量化引擎，通过转换节点将不同格式的BIM模型转换为统一格式，通过编写接口代码，将整个项目BIM模型加载到同一场景中，以实现BIM模型数据的融合、轻量化展示与应用[31]，BIM多源数据融合技术路线如图11所示。
图11 BIM多源数据融合技术路线
3.5 模型分类与编码
模型分类与编码是按照一定的编码规范和方式，将BIM模型包括其唯一标识、名称、描述、几何信息、属性信息等进行统一编码，以保证BIM模型正确的几何和属性信息显示。
为了实现水利水电工程全生命周期信息的交换、共享，需规范水利水电工程信息模型的分类和编码。参考《建筑信息模型分类和编码标准》GBT 51269-2017[32]，水利团体标准《水利水电工程设计信息模型分类和编码标准》T/CWHIDA0007-2020[33]，采用面分法将模型分类，并根据建筑信息分类编码SinoClass分类与编码原则，对水利水电工程设计信息模型中的对象实体及其所承载的信息的分类方法和编码规则进行指导，并给出了相关表述方式。
在团体标准的指导下，珠三角水资源配置工程、引汉济渭、引江济淮等大型引调水工程将模型数据分类和编码项目级标准作为项目标准体系建设的重要工作之一，规范模型命名和编码一致，极大保证了设计、建管、运维全生命周期产品交付以及数据库设计和平台调用的顺畅衔接。
3.6 BIM交付管理平台
基于BIM的水利水电工程全生命周期数字化移交，是面向工程全生命周期全过程、全业务数据的动态数字化移交。目前，水利水电工程项目已有针对主流平台及模型格式的BIM项目管理平台，重点解决了水利行业多源BIM模型数据交付的标准化、轻量化及模型与业务系统集成问题，建立了水利行业的标准交付数据格式和自主的BIM显示、解析引擎，为BIM模型交付和共享提供基础支撑[34]。但在水利水电工程BIM交付方面，仍存在与水利业务衔接较少、应用程度不深、应用广度不够等问题。主要表现在：对交付成果合规性检查和评价缺乏对应的工具和体系，模型更新跟不上工程现场的高频率变更；交付模型体量大、交付平台中加载缓慢，展示效果较差；缺乏统一规范的数据接口，“数据孤岛”现象较为普遍，难以有效实现工程多源数据的融合和集成；各阶段BIM成果相对独立且具重复性建模工作，一定程度上降低了BIM应用的价值，不利于工程全生命周期数字化应用。
根据目前行业应用现状，BIM交付管理平台应针对性研究不同应用场景的数字化交付样板、表单、数据字典、文件结构和交付物检测和验证方法、手段和应用模式，充分考虑不同应用场景下BIM模型的拆分、继承、转换和轻量化，统筹兼顾各阶段数据融合及生长。在平台设计方面，基于模块化、前后端分离、标准化接口、云边端一体化的技术构架（如图12所示），实现基于BIM进行工程全生命周期数据的有效集成、发布和跨平台流畅运行，使工程参建各方实现多源数据的汇集、可视化的呈现和业务高度便捷化的集成性应用。
图12 BIM交付管理平台架构
4 结语
本文分析BIM技术在水利水电工程全生命周期应用的基础上，面向水利行业未来发展趋势，总结论述了BIM协同设计、知识工程专业工具、BIM模型拆分与继承、BIM+GIS数据融合、模型分类和编码等核心技术。并结合工程业务需求，提出以模块化、前后端分离的BIM交付管理平台构架和构思，以设计阶段为基础，为施工、运维阶段提供数据传递和管理，实现工程相关方内外部通用的数据创建、存储、共享，为水利水电工程全生命周期BIM技术应用、以及数字孪生工程建设奠定数据基础和应用经验。
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【作者简介】
蔺志刚（1981-），男，高级工程师，主要从事水利水电工程数字化全生命周期、数字孪生等研究应用工作。E-mail：260989674@qq.com