【摘要】随着水利水电工程工程建设的发展，BIM技术作为贯穿工程全生命周期的核心技术之一，在各类大中型工程中进行了多类型、多阶段、多场景的应用，形成了一批具有示范作用的工程案例。本文通过归纳总结当前国内外大中型水利水电工程BIM应用点情况，并结合泾河东庄水库、那棱格勒河水利枢纽、科卡科多辛克雷水电站、几内亚苏阿皮蒂水电站项目的BIM实际应用效果，给出当前水利水电工程BIM技术的典型应用场景，并提出了未来发展趋势，为今后BIM技术都在行业深度融合和智慧水利建设中作用提供参考借鉴。
【关键词】水利水电工程；BIM；数字孪生
中图分类号：TV61 文献标识码：A DOI：
1 概述
自2003年由清华大学和Autodesk公司将BIM概念引入中国起算，BIM技术在我国已推广和实践近二十年。在2010年以前，国家主要在BIM的概念落地及关键技术上发力，分别在“十五”及“十一五”国家科技支撑计划中将BIM技术研究纳入其中。2011年作为中国“BIM元年”，住建部在《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》中提出大力推进BIM在中国的发展。同年，清华大学BIM课题组正式提出“中国建筑信息模型标准框架”[1]。2015年住建部在《推进建筑信息模型应用指导意见》中提出强制性要求，市政及建筑行业开始大力推进BIM技术的应用落地。水利行业从2020年开始，从工程建设领域大力推进BIM的应用，在2021年和2022年的水利工程建设工作要点中，连续2年提出加快推进建筑信息模型（BIM）等技术在水利工程建设全过程的集成应用。
2016年起，《建筑信息模型应用统一标准》、《建筑信息模型施工应用标准》等6部国家BIM标准相继发布；2018年起，《建筑工程设计信息模型制图标准》、《水电工程信息模型数据描述规范》等十余项行业标准也相继发布，覆盖建筑、公路、水运、能源、铁路等多个行业。2017年，中水勘协作为行业团体发布了《水利水电BIM标准体系》（中水协秘〔2017〕72号），并从2018年起，陆续编制并颁布了《水利水电工程信息模型设计应用标准》、《水利水电工程设计信息模型交付标准》、《水利水电工程信息模型分类和编码标准》、《水利水电工程信息模型存储标准》等4部团体标准。
目前，我国水利水电行业各级设计院均投入资源大力推进BIM技术应用，从“龙图杯”、“优路杯”、“创新杯”等各级综合BIM赛事及“智水杯”专业BIM赛事的获奖情况可以看出，各大设计院近年来陆续推出了有行业代表性的BIM应用示范工程，BIM技术应用也成为一些大中型水利工程设计投标的必选项。特别是近年来，国内外部分业主在勘测设计项目成果提交方面均明确提出BIM技术及数字化交付方面的要求，BIM技术应用逐渐成为水利水电勘察设计企业进入市场的门槛[2-5]。
2 BIM应用点
2.1 设计阶段
水利水电工程设计阶段BIM应用作为发展最为完善的应用，当前主要在设计阶段采用逆向复原[6]和正向设计[7-8]两种方式进行应用。
不论是正向设计还是逆向复原，当前水利水电工程BIM设计主流软件主要集中在欧特克（Autodesk）、奔特力（Bentley）和达索（Dassault Systèmes）三个平台供应商之中。当前设计阶段利用BIM技术的工程还主要集中在大中型工程，以及各大设计院设计的项目中，例如金沙江乌东德、白鹤滩、溪洛渡、雅砻江锦屏一级、两河口、澜沧江黄登水电站、大渡河双江口等水电站，山东文登、河北丰宁、河南天池、浙江长龙山、浙江天荒坪、新疆阜康等抽水蓄能电站以及南水北调中线、珠三角水资源配置、前坪、黄藏寺、引汉济渭、东庄等水利工程。在这些工程中使用的主要应用点包括：
1） 地质三维化及地下工程精细设计；
2） 工程方案设计与方案比选；
3） 机电设计及管线综合优化；
4） 结构设计、数值分析及三维配筋；
5） 施工总布置及施工方案比较；
6） 金属结构加工级模型设计及加工指导；
7） 设计成果输出（包括模型、二三维图纸、工程量清单、可视化/虚拟增强显示场景等）。
从应用效果来看，在设计过程中通过BIM技术的综合应用，给设计质量的提高带来了明显的效果，应用BIM技术的项目在设计成果差错率上大幅降低，基本杜绝“错漏碰缺”问题[2,9-11]。同时，通过与VR技术[12]、GIS技术[13]、移动应用、数据库技术的集成，可进一步拓展BIM技术的应用效果，实现体验感、空间感的深度增强，实现现场踏勘、设计成果复核等活动的虚实结合，实现信息可追溯、可查询、操作便捷的数字化设计产品交付平台，为设计成果全生命期应用打下基础。
2.2 建设阶段
水利水电工程建设阶段的BIM应用多与移动互联网技术、GIS技术、智能建造技术、建设管理系统相结合，形成建设阶段不断更新变化的空间表达和基于空间表达的数据集成，从而为建设阶段的施工管理和施工技术赋能。
从行业应用来看国内大中型水利水电工程数字化建造创出了一系列经典案例，并从试点向全面普及的趋势。不论是糯扎渡、溪洛渡的数字大坝，还是丰满、双江口的智慧工程建设，再到乌东德、白鹤滩、三河口、前坪等一系列工程的智能建造技术应用，越来越多的机器人、人工智能、大数据、空间定位、VR/AR等新技术加入到工程建设领域，引领行业想着精益建造、智能建造的目标不断前进[2,14-24]。
2.3 运维阶段
水利水电工程的运维阶段涉及到工程全生命周期最长的时段，在这个时段内工程关心的重点转向工程运行维护、生产销售、业务管理等相关内容，通过基于数字化基础设施，开展对业务系统、生产系统、供应链的数据积累和数据挖掘，形成数字化、智能化的水利水电工程。本阶段BIM模型作为地理空间数据的一部分，为整个运行维护阶段的全面智慧化应用提供基础支撑。
在2021年之前，我国对于BIM模型在运维阶段的应用多集中于施工运维一体化，特别是基于BIM+GIS平台的融合应用[25-30]。但在2021年下半年开始，随着数字孪生水利工程作为水利水电行业对智慧水利的具体落地要求，开始大量的相关工作的研究，并有了实际的落地项目支撑[31-35]。
总的来说，水利水电工程在运维阶段的应用，就是以BIM+GIS融合而成的地理空间数据，以及基础数据、业务数据、监测数据等各类数据共同组成的数据底板，支撑整个数字孪生引擎的运行，从而实现智慧水利各项业务的落地[36]。
3 项目典型应用
3.1 泾河东庄水库项目
3.1.1 项目概况
东庄工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一，枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、坝身排沙泄洪建筑物、水垫塘、进水塔架、引水发电系统、库区防渗工程等组成。水库总库容32.76亿m³。工程开发任务以防洪减淤为主，兼顾供水、发电和改善生态等综合利用。是目前陕西省在建库容最大、坝高最高的水利枢纽工程。
东庄工程坝址区河谷为“V”型谷，两岸基岩裸露，岸坡陡峻，自然坡度60°～75°，局部达75°～85°。混凝土双曲拱坝最大坝高230m，厚高比0.221，最大中心角为88.959°，坝体结构复杂。工程除具有一般高拱坝“高水头、大流量、窄河谷、陡岸坡”的共性特点外，还具有高含沙、厚淤积的水库水流特性。上述工程特性给勘察设计工作带来了新的机遇和挑战，通过积极采用基于BIM的新技术和新方法，为勘察设计品质与工作效率的提升做出了积极的探索。
3.1.2 总体应用情况
东庄项目当前处于施工期，主要工作内容包括以数字勘察成果为基础，以正向协同设计为手段，进行方案比选、智能化设计、精细化建模、碰撞检测、计量制图等基于BIM技术的数字设计。东庄工程BIM实施的技术路线如图 1所示。
图 1 东庄工程BIM实施的技术路线
3.1.3 应用亮点
（1）以3DEXPERIENCE为核心的多软件集成设计。
基于达索3DEXPERIENCE平台，实现黄河勘测规划设计研究院有限公司（以下简称黄河设计院）与陕西省水利电力勘测设计研究院（以下简称陕西省院）之间的跨平台协作，借助设计管理实现了勘察和工程设计多专业间，数据级别的协同生产。完成了单点效率提升向整体效率提升的过渡，解决了沟通瓶颈和信息孤岛问题，实现了勘察设计效率和质量相互促进提高的良性循环。协同设计工作流程如图 2所示。
图 2 协同设计工作流程图
（2）建立空地融合数字工程勘察应用技术体系。
建立了空地融合数字工程勘察应用技术体系，突破了GNSS与工程地图实时关联等技术，研发了工程勘察数字采集系统、基础信息综合管理平台及跨平台数据接口，实现了地面地下全要素勘察信息的一体化数字采集和多阶段、多专业勘察信息的一体化集成管理，构建了地形地质数字模型，为数字设计提供了支撑[37]。
图 3 空地一体化数字工程勘察设计应用
（3）基于BIM企业资源库的多设计方案快速比较。
东庄工程基于数字勘察成果，充分利用知识工程和模板技术，快速生成各比选方案的信息模型，自动提取方案关键指标，为工程项目建议书阶段坝址方案的比选、可行性研究阶段坝型方案的比选（图 4）、初步设计阶段坝轴线的方案比选提供直观、准确的决策支持。
图 4 可行性研究阶段坝型多方案比选
（4）拱坝全流程建模分析一体化。
建立了基于BIM模型构架的拱坝体形优化设计流程，研发了拱坝设计可视化平台（图 5），实现了拱坝体形设计、BIM模型构建、计算分析的流程化、智能化、标准化；建立了基于STEP格式交换的BIM模型与有限元分析的传递方法，研发了拱坝施工进度和温控仿真程序，实现了大坝生长过程的动态化与可视化，提升了BIM模型应用的价值，拓展了BIM模型应用的维度。
图 5 拱坝设计可视化平台
（5）设计成果数字化交付
研发了东庄数字交付平台（图 6），实现了基于模型的工程定位剖切、信息查询、实时批注、漫游定制、图纸关联等功能，提高了沟通效率，提升了交付成果的品质。
图 6 东庄工程数字化交付平台
（6）设计软件内一体化虚拟场景建设。
运用BIM+VR技术，在3DEXPERIENCE平台内构建了东庄工程的虚拟地下电站厂房（图 7），进行了工程场景的展示，通过VR设备可直观地感受真实工程的使用环境，助力推动方案的选择与评估[38]。
图 7 东庄工程的虚拟地下电站厂房
3.2 那棱格勒河水利枢纽项目
3.2.1 项目概况
那棱格勒河水利枢纽项目（以下简称那河项目）是国家172项节水供水重大水利工程之一，是柴达木盆地水资源配置体系的骨干水源工程，是海西州有史以来规模最大的水利工程，也是那棱格勒河干流的骨干调蓄工程。那河项目工程规模为Ⅱ等大（2）型，总投资23亿元，总工期54个月，于2018年11月15日开工建设，计划于2023年5月15日完工。
该项目采用PMC管理模式，黄河设计院同时承担该项目勘察设计及项目管理工作，采用PMC工程建设模式。考虑到工程区生态环境脆弱需要精细化施工控制、工程布置和运行条件复杂、工期紧张且施工条件困难、参建方众多管理难度大，在工程设计的全阶段和PMC项目管理部成立之初，就决定在项目全过程使用BIM技术。
3.2.2 总体应用情况
项目应用主要覆盖设计全阶段，包括可行性研究、初步设计及施工图设计阶段，还包括施工阶段的管理工作。主要涉及的专业包括勘测、地质、坝工、厂房、机电、金属结构和施工等专业。整个项目建立了主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、供水洞、发电洞、电站厂房等BIM模型（图 8）。模型深度满足工程设计、计算仿真、施工布置及工艺模拟的需求。那河项目施工图设计BIM模型随着项目的深入，也在不断迭代[39]。
图 8 整体土建及机电设备BIM模型
目前已应用BIM完成或辅助完成了大量的工程成果，主要成果如下：
1）基于BIM输出图纸1000多张、分析报告40多份，完成效果图27张、视频13个，指导完成模型试验5项，应用土建机电标准参数化模板200多套。
2）自主开发流程化设计产品2套，实现岔管生成系统、BIM+GIS建设期管理系统的全面应用。
3）搭建了基于BIM+GIS的工程数字管理平台，上线3年多以来积累各类数据近10万条。
3.2.3 应用亮点
（1）以工作包为基础的任务管理，提高任务执行效率。
在项目准备阶段，利用3DE平台上的项目管理（DPM）模块，通过以设计交付物为核心的任务分解，形成工作包。通过3DE结构树，将任务分配到不同设计角色，实现基于成熟度和任务管理的可控设计管理（图 9）。
在项目运行阶段，通过一系列的设计控制管理手段，实现设计项目的全过程跟踪管理，有效降低了项目在执行过程中的风险，极大提高了项目的决策速度和对设计质量的管控。
图 9 ENOVIA项目管理平台工作流程
此外，在本项目中实现了网页端管理与客户端设计的数据无缝对接、集成，在同一工作包下，实现了设、校、审的多端协同、沟通工作。通过在线即时校审方法（直接测量、剖切及注释），实现设计过程中问题的随时发现、随时解决，极大地提高了校审沟通效率。
图 10 双端校审
（2）创新的智能化设计新模式。
基于达索的知识工程体系，结合水利工程设计专业知识，创造性的对部分建构筑物实现智能化建模。
其中，ADD-GD（重力坝智能设计软件）实现了根据轴线自动创建、自由调整、自适应地形生成相应的坝段，并可以实现坝段自动分缝并调整，建基面自动生成并支持手动调整等一系列工作。
电气专业智能化设计通过创建二维元件库和三维物理模型库，实现二维原理图、三维物理模型及属性信息的同平台数据集成，并实现电气盘柜的柔性化自动装配。开发CIL（智能电缆敷设软件）实现了原理图与物理模型的实时关联，电缆布置与接线图的相互映射，电缆信息的实时追溯等，实现了电气专业实现真正的正向化设计。
水机专业智能化设计通过利用二维原理图直接驱动三维设备模型之间的管路连接，筛选三维设备模型之间管路的阀门规格等，可以做到优化管路设计，精准选型管件阀门等，增加了设计的精确度，减少了校核工作量。
图 11 ADD-GD重力坝设计软件
（3）基于AR技术的数字化图纸应用。
利用BIM模型直接输出的二维和三维工程图，二维图纸和三维模型实时关联、实时联动，可提高了设计质量，节省大量尺寸校审工作，提高工作效率。
数字化图纸集成AR技术、二维码技术，根据不同的相关方进行定制，对设备的安装、运营、检修、维护的具有现实指导作用，实现BIM全生命周期的运用。
（4）BIM模型的信息集成与传递。
在设计阶段就考虑模型的全生命周期传递，融入“数字化基因”，为全生命周期“数字孪生”奠定基础。
图 12 各阶段模型信息传递流程
在设计阶段，通过自定义数据类型和属性，统一部署、灵活管理所有的BIM属性信息和构件类型，为不同阶段BIM信息的集成与传递打下基础。
在施工阶段，通过二次开发工具，根据单元划分，将设计模型几何和属性拆分；将需要继承到该模型的设计信息，通过数据层链接到对应的单元模型上，形成基础施工BIM模型。不断将建设期的动态施工信息赋予施工模型，形成动态施工BIM模型。借助激光扫描、倾斜摄影等技术对施工成果进行快速轻量化逆向建模，为竣工模型创建打下基础。
在运维阶段，按照运维阶段应用要求，对施工模型进行专业处理，并将设计、建设阶段的有用信息集成，不间断赋予运维动态监测运行信息，形成内容丰富且运行流畅的动态运维BIM模型，为运维管理提供最为关键的数字化成果。
（5）基于无人机的无人区工作新模式。
充分利用BIM、GIS技术，从建设工程项目的组织、管理和手段等多个方面进行系统变革，开展创新无人区工作模式，该模式其核心是自动化和减少人力投入。
利用无人机对施工区域进行低空摄影飞行，完成飞行任务后对图像进行拼接及空三加密工作，生成数字高程点云数据。利用点云数据形成的现状三维模型与设计模型进行对比及布尔运算，可迅速分析施工区域是否存在超、欠挖、准确的开挖量及混凝土填筑方量。
定期对航拍模型进行更新及交叉对比，将项目数据及时上传并与相关专业进行共享，实现对施工进度进行远程监控及调控。
（6）创新的“数字那河”建设管理新模式。
“数字那河”管理系统以BIM模型数据为核心，实现GIS空间数据，BIM信息，设计期管理信息，建设期管理信息，运维期管理信息的多元融合，数据库设计以BIM模型数据为核心数据表，基于工程划分对模型进行单位工程、分部工程、单元工程的逐级划分，基于编码形成BIM数据的“身份证”，打通BIM模型、数据库业务信息表和GIS平台瓦片数据间的连接关系，保证数据的唯一性与延续性，贯穿工程全生命周期。
图 13 “数字那河”管理平台
3.3 科卡科多-辛克雷（CCS）水电站项目
3.3.1 项目概况
厄瓜多尔CCS水电站位于亚马孙河二级支流科卡河上。工程主要由首部枢纽（沉砂池流量达222m3/s）、输水隧洞（内径8.2m）、调蓄水库（库容2818万m3、年沉沙19万m3）、压力管道和地下厂房（212.0m×27.5m×46.8m）等组成。2010年7月工程开工，2016年4月首批4台机组并网发电，2016年11月全部8台机组成功并网发电。该电站也是中国公司在海外独立承担设计的规模最大的水电工程之一，受到中厄两国元首共同高度关注，工程的建设助力“一带一路”落地，被誉为厄瓜多尔“第一工程”。
项目面临时间紧张、逾期违约金极高、层层审核、语言沟通障碍等苛刻条件，此外还需要对所有设计成果按照计算准则、计算书、设计图三步走的方式进行设计审批。面对重重困难，BIM技术作为解决问题的核心技术手段之一，在该项目中发挥了巨大的作用。
3.3.2 总体应用情况
工程设计包括概念设计、基本设计和详细设计三个阶段，分别相当于国内工程的可行性研究、初步设计和施工图设计阶段。设计专业涵盖了规划、勘测、坝工、厂房、机电和施工等专业。工程总体模型如图 14所示。
图 14 工程总体模型
设计阶段根据，创建了工程区域不同精度地形、主要区域地质、上游至下游各类枢纽建筑物的精细化站点级别模型。坝工、厂房、电气、水机和金属结构专业根据设计需要创建了相应的专业BIM，满足专业阶段设计的精细化要求和数据承载能力。其中，输水隧洞管片BIM的精细化表达至加工级别，其数据直接被用来制作管片模具；出线场控制室在细节上力求逼真，其装修效果与实际基本一致，为了便于后期修改，场区各组件都单独成组，方便快捷[40]。部分代表性模型如图 15所示。
图 15 部分代表性模型
3.3.3 应用亮点
（1）基于BIM实现项目的协同沟通。
利用ProjectWise协同平台（图 16），搭建项目设计组织，解决项目多专业、多地协同办公问题，实现同步设计、数据信息远程共享、异地访问安全等目的，同时也减少了设计周期，解决了沟通交流不便等难题。基于BIM的高效沟通在两国三地的专业设计、项目技术方案论证方面表现得淋漓尽致，得到多方充分肯定。
图 16 基于ProjectWise的BIM协同沟通
（2）参数化设计。
参数化设计是BIM设计根本，质量和效率的基础保障。本项目借助CATIA V5提供的强大参数化功能，实现了多种形式的参数化应用，包括内外部参数的调整联动、设计表及模板的应用、自主开发流程化设计程序等。解决了输水隧洞管片的精细化设计、地下厂房支护方案设计、厂房等建筑物土建及机电管路设备的整体快速设计等系列问题，体现了参数化可视（看的见）、可逆（随时修改）、可固化（专业设计知识经验的融合）的由内而外强大优势。
（3）基于BIM的仿真分析。
基于统一构建的BIM模型，研究BIM模型转换为计算分析模型的方法，对网格剖分、连接关系、边界条件的构建进行了BIM模型简化和几何处理，以满足有限元方法需要。
基于调蓄水库BIM，导入分析计算软件进行水库流速和沉沙的分析，得到设计需要的技术数据，支撑规划专业技术结论，充分挖掘BIM在上游专业的深层应用价值[41]。
图 17 调蓄水库CFD分析及其与物理实验的对比
基于地下厂房洞室BIM，根据开挖揭示地质及监测数据，在大型分析计算软件中多次动态反馈分析，优化支护参数，提出最佳解决方案[42]。基于地下空间BIM模型创建的全厂暖通空调及管道BIM模型，采用温湿分控的全新环境控制理念，在国内同类研究项目中尚属首例，同时在高大空间、关键场所采用不对称搓流气流组织形式，提高了冷热交换混合度及舒适度[43]。基于厂房及尾水洞BIM模型，进行输水隧洞出口CFD分析和厂房尾水洞水流CFD分析。基于BIM设计优化后的无压尾水洞获得了国家专利一项，充分体现BIM带来的价值[44]。
基于冲击式水轮机系统BIM模型，在国内首次提出尾水有压、无压工况稳定分析，首次研究设计了尾水洞压气系统（利用2台鼓风机）和空气回收系统（特殊位置设置挡气坎），其成果在瑞士洛桑的水轮机模型试验中已得到验证，该技术填补了国内相关研究领域的空白，为CCS水电站年均增加发电量45000万kW·h，经济及社会效益显著。
（4）基于BIM的出图
基于BIM可直接输出二维和三维工程图，也可经后期渲染直接输出具有真实尺寸和体量关系的逼真效果图。输出过程中通过调整参数，可以实现实时关联的同一模型与不同图纸之间的自动更新，解决图纸之间表达内容、不同截面尺寸的不一致的问题，省去大量校审工作；降低图纸交付风险，提高了设计质量，一次通过咨询审查率提高到95%以上。
（5）BIM标准化管理。
BIM设计统一采用同一个BIM集成化设计平台，其融合多重信息，集成度高、内容全面，提高设计成果的标准化和管理程度。
制定一系列的BIM标准、规范及应用指南，保证执行力，确保成果质量满足要求。制定了相应的保障措施，三体系文件中增加过程控制程序，实现可控管理。
（6）基于CATIA Composer的信息集成与数字化交付。
通过对Composer的轻量化模型与数据库（含属性及图文档）建立对应关系，构建基于BIM的图文档交互式管理方法，并通过视频对工程进行动态展现，通过三维预设视图的方式对工程特定场景或特定部位进行互动式的详细展现（图 18）。
图 18 数字化成果交付平台
提供智能化三维模型搜索方式，搜索结果可根据需要进行突出亮显或单独显示，不仅实现了对指定模型的快速精准定位，而且有助于获取指定模型的附加信息。
（7）与BIM结合的新技术应用。
借助Unreal Engine，将CATIA V5模型转换为虚拟场景建模基础，按照设计要求进行材质、灯光等的添加，实现1:1的沉浸式体验环境，无损展现产品尺寸、比例和细节。协助参建各方感知不同设计方案、色彩等配置方案。预先感知质量问题，确认空间布局的合理性，检查大型机械设备、管路等的可维修性。
结合实际需要，将复杂的沉砂池结构，通过SLA方法实现3DE打印，打印比例1:1000，精度0.05mm。与三维虚拟模型互为补充，实现施工过程预先检查，也是是虚拟设计碰撞检测在物理实体空间的延续性验证方式[45]。
首次采用激光系统，准确对距竖井顶部400m左右的极不规则塌腔体的分布进行了三维测量。通过多点布置，准确获取空间点云数据，快速建立结构复杂且不规则的塌腔体三维可视化模型，提高效率又省时省力。为塌腔体处理方案的设计提供了一手关键依据，加快了施工总体进度。
3.4 苏阿皮蒂水电站项目
3.4.1 项目概况
苏阿皮蒂水电站工程坐落于几内亚孔库雷河干流上。工程开发任务以发电为单一目标，工程规模为大（1）型，项目总投资13.9亿美元，总库容为74.89亿m³，总工期58个月。采用坝后式厂房，配置四台立轴混流式水轮发电机组，总装机45万kW，年发电量约20亿kW·h。
项目采用F+EPC模式。受限于合同签订即计算工期，与国内同类型工程合理工期相比短17个月。因当地气候高温高湿，限制工程施工进度；坝址区地质复杂，严重威胁到大坝的稳定与安全；项目层层审批，各方采用语言不同造成交流困难等原因，势必要采用直观、可靠的表达方式来解决设计、施工及后期运维相关技术问题。
考虑BIM技术可充分发挥三维语言与信息无损传递，借助BIM技术的可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性，将工程设计的成果向施工乃至运维阶段延伸应用，实现高效准确、动态灵活的工程建设方案，因此决定应用BIM技术到工程全生命周期中。
3.4.2 总体应用情况
该项目已于2021年6月交付，在整个设计施工期间，以3DEXPERIENCE平台为数据集成与生产中心，集数字化采集、正向协同设计及全过程数字化管理为一体的创新设计方法（图 19），真正实现了工程设计的数字化转型。
图 19 全专业正向设计流程
以3DEXPERIENCE平台为项目数字化设计的核心，通过二次开发，建立数据接口。以管理体系为根基，实现设计管理便捷化向管理无感化的转变。
图 20 设计管理流程图
本项目BIM模型随着设计深入，也在不断的迭代。各专业根据各个设计阶段需要，创建满足各阶段深度和应用需求的BIM模型[46]。
在可研阶段，勘测专业采用1:10000~1:2000的测绘成果，仅对区域地质构造进行地质建模，土建专业对主要建构筑物结构进行建模并对部分涉及技术验证的重要细部结构进行建模，机电和金结专业仅采用空间占位的方式进行设备布置。
在初步设计阶段，勘测专业采用1:500~1:2000的测绘成果，并在区域地质构造基础上对项目场址主要地质构造和影响建筑物安全的节理裂隙进行地质建模，土建专业对所有建构筑物结构进行建模并对进行细部结构的完善，机电和金结专业除对设备进行定位外，还需要布置主要的管路和线缆路径。
在施工图阶段，勘测专业根据地质揭露情况和现场复测进行成果调整，土建专业对主要建构筑物结构以及临时设施进行建
模，并根据招标结果对所有细部结构进行复核，机电和金结专业则需要根据招标结果采用真实设备进行布置及管路部署。
在公司质量体系管理规定的基础上，结合3DEXPERIENCE平台特点，通过利用其原有功能，并结合二次开发，实现质量管理和控制的数字化，结合自动触发器的开发，实现质量管理过程的自动化，减少表格填报，为设计人员减负。
图 21 质量管理流程
为满足项目各阶段的需要，结合BIM模型，可实现相较于传统设计方法更为丰富的设计成果交付。
图 22 多种多样的交付物
3.4.3 应用亮点
（1）全专业智能化快速设计。
在已研发的ADD-GD（重力坝智能设计软件）、CIL（自动线缆敷设软件）基础上，持续研发。
在厂房设计方面，研发PHD（电站厂房设计软件）系列软件，实现流程化建模、建筑空间规划、厂房整体稳定分析等功能。软件采用交互式界面，操作友好易上手，通用性强，适合各种地面厂房，结合二次开发附加荷载实体化功能，实现设计参数化，利于设计方案的灵活动态修改，真正实现厂房智能化快速设计。
在电气设计方面，研发SED（二次接线智能设计软件）和LPA（智能防雷设计软件）。其中，SED可实现信息自动生成、格式化输出，电气二次电缆表自动生成等，实现了电气二次设计“一张图”；LPA实现了防雷可视化，形象直观并可以自动进行防雷有效性分析，成果输出支持多种格式。
图 23 电气专业系列设计软件
在动力专业方面，自主开发PIMOC水锤计算程序，BIM模型建立后一键导入管线数据并直接进行水力过渡过程计算，省去数据整理的大量工作。便于不懂代码编写的设计人员应用。此外，通过逻辑数据与物理实体的关联，实现根据系统图实现管路及阀件智能布置，自动插入阀件和管路配件。
在金属结构设计方面，打造全流程“数字化生产线”，通过EXCEL与3DE接口关联，实现计算书参数驱动模型，减少理解模型的时间，提高修改模型的效率；通过自主研发的专业制图标准与工程量自动统计模板，实现施工图纸的快速交付。
在施工设计方面，通过快速模板技术，实现施工总布置参数化，可通过调整定位轴系、草图轮廓实现施工场地的快速调整。通过定制水利水电工程道路规范，实现道路设计智能化，并与施工总布置方案一同调整，实现施工设计可视化。
（2）全生命期一体化管理平台开发。
通过开发aPaaS平台，实现基于J2EE标准，前后端分离的开发平台。以BIM构件为编码基础，融合BIM、GIS、报表、表单、流程、门户等引擎和中间件，实现面向水利水电工程的应用快速敏捷开发，为不同工程阶段的数据流复用、基于工程进展的功能模块的快速上线与下线、物联网及视频系统的接入与智能分析提供了统一接口与可视化平台。
在建设阶段，通过将系统的主要数据形象化、直观化、具体化，实现质量、进度、安全和设备四大要素中关键信息指标的集中管理，宏观上实时把控工程建管过程所有关键信息，同时可无缝切入各个管理模块，方便系统使用人员进行精细化管理。
在运维阶段，基于aPaaS开发平台，通过模块的快速开发和模块的生命周期管理，实现统一技术构架下的全生命期管理应用和基础数据的平滑过渡，有效支撑了竣工资料的即时交付归档。本项目利用统一构架，在1#机组发电之初就启用工程运行管理功能，并与安全管理、智能视频监控系统等功能共同承担起试运行阶段的运维管理任务。
图 24 SOUAPITI全生命期管理平台
（3）虚拟建造应对施工过程挑战。
为应对项目复杂多变的地质条件，通过总结重力坝平马道开挖的设计经验，整理并提取开挖设计过程中的关键技术点，利用3DEXPERIENCE平台内嵌的脚本语言EKL进行二次开发，将业务过程转化为自动化过程，为设计成果的快速调整提供保障。
基于3DEXPERIENCE Process Composer和SIMULIA Isight，将传统的试算模式改为自动目标优化模式，通过调整边界条件，快速获取最优结果。根据现场地质揭露情况实时分析并调整坝体稳定性和结构应力，给出推荐开挖边界，极大提高了动态设计的效率。
针对2019年度重要的工程节点，项目部进行了水文跟踪分析研究，通过测算，建议下闸时间为8月21日，较合同时间节点9月初提前下闸。为解决蓄水后可能出现的问题，借助BIM模型和CFD软件，并在Isight软件帮助下，通过拓扑优化，迅速得出最优缺口宽度和缺口高程，并在接下来的蓄水过程中经受住了现场考验。
图 25 施工仿真主要节点三维成果
转子作为全厂设备最重件（约310t），充分利用BIM模型的可模拟性，创建电站厂房的数字样机模型，实现吊装作业的全方位模拟，优化厂房空间结构，节省混凝土工程量10%，指导业主及施工单位制订转子吊装工艺流程，提高吊装精度，避免了吊装中各类可能出现的问题，助力设备吊装一次到位。
机电专业利用二维驱动三维的原理，使得逻辑层数据和物理模型在同一平台集成，逻辑层的数据、图例与物理模型设备一一对应，并且可与原理图实时联动、双向驱动（图 26），极大的方便了施工期机电线路安装复核和统一管理工作。
图 26 机电专业逻辑图与物理实体关联
（4）数据创建与应用贯穿全生命周期
将工程勘察设计作为工程数据全生命周期的起点，从源头开始对几何特征和属性信息并重，通过信息技术手段以BIM构件为编码基础，实现轻量化模型、属性信息、业务信息纵横交织，形成信息网络，并实现信息、构件、产品、单元工程、分部工程、单位工程等不同级别数据的生产、储存、使用、共享和存档（图 27）。
图 27 数据创建与应用循环
4 结语
水利水电行业数字化建设过程中，BIM技术作为核心之一，其应用已经覆盖设计、建造、运维等全生命周期各个阶段。特别是随着全生命周期理念的逐步深入，当前水利水电工程的BIM应用和数字化过程从开始就引入项目，综合考虑各阶段业务的需要和管理的需求，通过深度挖掘BIM技术本身的互操作性、可视化、可模拟、可出图等特点，与GIS、大数据、人工智能、机器人、移动互联网、物联网、综合地理定位等技术不断融合发展，已经为全过程数字孪生应用奠定了基础。
随着BIM模型作为数据底座最重要的微观表达部分的清晰定义，未来BIM技术的发展必将实现从数字化向智能化、智慧化的全生命周期应用的转型，推动水利水电行业融入“数字中国”大战略，为打造新型融合基础设施奠定基础，为行业整体技术进步和发展提供无限可能。
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【作者介绍】
王陆（1981.02-），男，河南省郑州市人，高级工程师。