BIM技術在水利水電工程可視化仿真中的應用

文_宋承平（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，工程師）

BIM（Building Information Modeling）技術是指利用3D數(shù)字模型，將有關工程項目中的各類數(shù)據(jù)進行有效集成，并進行數(shù)字化處理。BIM技術可以為項目生命周期管理、數(shù)字水利樞紐建設、水利樞紐運營提供解決方案，為運營管理部門創(chuàng)造價值，為設計產品延長服務周期，提高生產力，助力企業(yè)成長。為了使BIM技術運用更加穩(wěn)定、健康，必須根據(jù)不同的業(yè)務特點，制訂符合其發(fā)展要求的方案，并逐步完善相關的質量管理制度。

一、BIM應用程序模塊簡介

目前，BIM技術在國外已經發(fā)展得比較成熟，比如Autodesk（歐特克）公司的BIM軟件，主要包括CAD（Computer Aided Design，即利用計算機繪圖系統(tǒng)及其圖形設備幫助設計人員進行工程設計工作）工程設計、Civil 3D（根據(jù)專業(yè)需要進行專門定制的計算機繪圖系統(tǒng)及圖形設備，是業(yè)界認可的土木工程道路與土石方解決的軟件包）地形處理、Revit（歐特克公司一套系列軟件的名稱，是為建筑信息模型構建的，可幫助建筑設計師設計、建造和維護質量更好、能效更高的建筑的軟件）建筑結構建模、AIM（高級集成模塊）快速表現(xiàn)、Navisworks（可視化和仿真）建筑仿真等模塊。

CAD模塊集成了以Auto CAD為代表的CAD系統(tǒng)，以及各種機電產品的CAD軟件。在該系統(tǒng)中，二維模塊可以通過超鏈接的方式，將Auto CAD的工程設計圖紙進行編輯和存儲。二維模型是BIM設計的最后一步，因為3D結構設計、機械設計、電氣布置、施工組織布置都需要用平面圖紙來完成。

3D模塊主要是由Autodesk公司開發(fā)的Inventor（三維可視化實體模擬軟件）等軟件組成，并與IGS（根據(jù)IGES標準生成的文件，主要用于不同三維軟件系統(tǒng)的文件轉換）等常用的3D模型文件兼容。Civil 3D軟件能夠根據(jù)傳統(tǒng)的點、折線等測量資料建立曲面。同時，利用版圖工具生成地塊模型，并且這些模型間存在著過渡關系，也就是說，當某個地塊發(fā)生改變時，其鄰近的地塊與其過渡地帶也會發(fā)生變化。在BIM中動態(tài)效果、施工進度用動畫顯示，采用Navisworks或3D Max（3D Studio Max，是基于PC系統(tǒng)的3D建模渲染和制作軟件）等軟件，可以達到良好的視覺效果。

在我國社會科技快速發(fā)展的同時，建筑行業(yè)也實現(xiàn)了由傳統(tǒng)手繪到計算機輔助的技術革新，CAD的出現(xiàn)使手工繪圖變?yōu)殡娔X繪圖，這不僅提高了繪圖的質量，也促進了建筑信息的快速傳播。BIM技術的快速應用可以使二維平面圖轉變?yōu)槿S立體圖，通過對建筑物的有關信息進行動態(tài)化收集，實現(xiàn)資源的快速共享，也能夠為決策者提供準確可靠的信息參考（見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)CAD技術與BIM技術對比

二、BIM技術在水利水電項目中的優(yōu)勢

（一）設計優(yōu)勢

首先，通過BIM軟件建立起的3D模型，可以精確地生成和顯示大壩的各個截面，大大降低傳統(tǒng)的平面圖繪制工作量，提高工程的工作效率和質量。其次是互動設計功能，當采用傳統(tǒng)的二維設計方法進行水利水電工程的設計施工時，往往會因為工作人員的疏忽大意而導致設計錯誤，很容易影響工程質量。通過BIM技術，可以將所有的視圖、剖面、3D圖連接在一起，不僅可以大大地提高施工的效率和質量，還可以降低設計者的工作負擔。此外，在實際工程中應用BIM技術，可以提高設計者對空間的把控能力，減少設計錯誤的可能性。

（二）施工優(yōu)勢

在水利水電設施施工過程中，可以使用BIM技術進行多維度分析，通過BIM軟件建立工程模型，展示工程的3D施工狀態(tài)，并與施工進度相結合，利用BIM技術進行四維的施工模擬，同時也可以利用BIM技術進行工程造價的五維化和分析。通過應用BIM技術，施工人員可以對建筑設計圖有更直觀、更深入的理解，提高閱讀設計圖的效率和質量。通過應用BIM技術，可以實現(xiàn)水利水電施工現(xiàn)場的簡單協(xié)作，并有效提高施工現(xiàn)場的管理水平，減少施工作業(yè)中的錯誤，提高施工的效率和質量。

在BIM輕量化應用中，通過設計輕量化可以確保整個設計方案綠色、節(jié)能、環(huán)保。在初步設計、施工圖紙設計和管線綜合規(guī)劃設計中，利用BIM技術來實現(xiàn)施工模擬，通過可視化功能對整個施工流程進行深入的分析理解與應用。根據(jù)招投標時展示的圖形算量碰撞檢查技術，應用BIM技術可實現(xiàn)自動檢查碰撞。

在工程項目咨詢中，通過BIM技術輕量化應用可以全面提高工程咨詢的可行性，還能夠為工程設計招標代理公司提供重要的幫助。BIM技術應用的理論非常成熟，可以根據(jù)施工方案和進度加以完善，更好地實現(xiàn)工程項目成本控制，廣聯(lián)達公司的BIM 5D軟件具有只需將BIM軟件模擬和項目進度計劃導入到軟件中就可以初步建模的特點。該軟件與BIM算量軟件結合可以保障造價控制效果全面提高，且因BIM模型與工程項目竣工實體完全一致，并對整個施工過程的信息進行準確記錄，可為承包方進行竣工結算提供準確的價格參考，實現(xiàn)結算手續(xù)的快速辦理。建設單位應用BIM輕量化技術可以直觀地看見建筑項目總體的規(guī)劃環(huán)境、建筑造型、平面立面展示，避免出現(xiàn)重大設計變更。工程項目預算超支的情況非常普遍，工程咨詢單位通過在3D模型基礎上加入進度和造價等相關信息，可以幫助業(yè)主快速了解施工進度，避免出現(xiàn)工程量預估超額的情況，進而起到良好的造價控制效果。

（三）應用優(yōu)勢

在以前的工程項目中，由于施工過程的復雜，容易導致施工效率和質量受到影響。在此基礎上，BIM技術可以對項目設計、施工等各方面數(shù)據(jù)進行自動采集和整理，提高資料的處理效率。采用BIM技術，可以將可視化過程和監(jiān)測系統(tǒng)有機地結合在一起，達到節(jié)約人力、物力和財力的目的。BIM技術不僅可以構建多維模型，還能夠實現(xiàn)全過程的技術管理，通過模型信息層面的構建可以保證每一個構件都形成完善的工程信息，包括物理信息、功能信息、施工信息等，這些信息具有明確的關聯(lián)性，可以對信息進行快速的統(tǒng)計分類與處理，并且自動生成文檔以及圖片，保證信息的管理內容更加多元化，而且在三維模型信息中，隨著信息的不斷修改和完善，各種信息都能夠實現(xiàn)自動化處理，保證了信息的完整性和有序性。BIM技術實際應用具有可視化、參數(shù)化、協(xié)調性、模擬性、可出圖性等特點，根據(jù)參考資料構建立體三維模型，可以保障模型所見即所得，針對一些模型進行可視化的展示，形成三維模型參數(shù)，通過構建三維模型參數(shù)，在PC端就能夠進行多專業(yè)跨角度的參數(shù)協(xié)調，實現(xiàn)“一處修改，處處修改”，減少項目的沖突，還能對整個三維模型進行物理模擬和展示，添加時間和成本維度，實現(xiàn)最終的成本化管理。

水利水電工程中會涉及橋梁的設計和施工，其重點是對整個橋梁結構的力學分析和有限元模擬，為了保障整個橋梁的安全性和穩(wěn)定性，在橋梁結構分析計算時，可以通過BIM軟件進行處理。例如在前期規(guī)劃階段，可以利用BIM可視化功能對橋梁施工的復雜地形地貌進行還原，還可以將建設環(huán)境參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫中，針對不同建設方案進行交通仿真模擬，提高方案決策的科學性與合理性，而且在設計階段通過參數(shù)化設計，按照設計原則和方法將設計的方案進行參數(shù)化模型表達，可以使方案直接以三維模型呈現(xiàn)，通過修改參數(shù)即可實現(xiàn)模型更新。BIM技術具有強大的參數(shù)功能，盡管不同軟件的參數(shù)化方法不同，但都可以實現(xiàn)構建信息的自動化存儲和管理。在施工階段通過參數(shù)模型化設計，可以應用虛擬施工來判斷最終的施工仿真模擬效果，通過在三維模型中加入時間參數(shù)，可以建立動態(tài)施工模型，做出科學高效的進度預測。對于水利水電工程中的橋梁施工而言，由于其施工環(huán)境過于復雜惡劣，通過提前進行施工模擬，不僅能夠提前發(fā)現(xiàn)問題并針對問題進行全面分析與優(yōu)化，而且還可以協(xié)調施工機械與人員的進場時間。在運維養(yǎng)護階段，利用BIM結合點云掃描、無人機傾斜攝影等相關技術，能夠極大提高信息采集和整理的效率，有效減少環(huán)境條件的制約，節(jié)省人力、物力、財力。在BIM運維平臺可以使用視頻的形式對橋梁設備的具體使用狀況進行自動維護與處理，將監(jiān)測點的信息傳入到平臺進行直觀展示，全面提高橋梁維護的整體效率。

三、BIM技術在水利水電可視化仿真中的應用

（一）水利水電工程施工導流三維動態(tài)可視化仿真方法研究

在水利水電工程的設計與管理中，往往要運用大量的資料、圖表等。例如大壩地區(qū)的水文、地形、地貌、地質資料和樞紐設計、施工場地布置和施工導流設計等各種資料。如何有效、快速地獲取和管理復雜的信息，是提高工程設計效率和管理的重要內容。施工導流的方案設計是工程組織設計中的一個關鍵環(huán)節(jié)，其設計過程十分煩瑣，無法進行直觀的比較。因此，在水利水電工程的導流設計中實現(xiàn)BIM的可視化仿真技術，能夠形象、直觀地反映出其實際應用效果，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

（二）利用BIM可視化仿真展示混凝土壩施工過程的三維動態(tài)過程

由于施工現(xiàn)場受到溫度、應力、澆筑機械設備的配置、澆筑能力等諸多因素的影響，施工過程采用了分段澆筑混凝土壩的方式。然而，混凝土大壩的澆筑量龐大，往往需要數(shù)千甚至數(shù)萬噸的混凝土，再加上混凝土大壩的施工限制太多，所以人工澆注順序和進度的安排都比較困難。目前，在水利水電建設中，混凝土澆筑施工根據(jù)每個月增加的澆筑層數(shù)和混凝土澆筑強度等參數(shù)，采用了基于經驗的類推方法。然而，由于缺乏對大壩工程進行量化分析的技術，不能準確地判定各個階段的施工進度，以及混凝土壩的抬高過程能否滿足大壩建設的需要。隨著計算機與系統(tǒng)仿真技術的發(fā)展，如今可以在計算機上實時地仿真模擬大壩的施工過程。通過對混凝土工程的各種施工方案進行仿真模擬對比，并進行數(shù)值比較，可得出科學、合理、準確的施工進度規(guī)劃。在此基礎上，將多種可能對灌漿過程產生影響的可變參數(shù)輸入計算機中，構建出一個基于此模型的水庫大壩仿真計算程序，再利用該軟件進行水利水電項目的仿真建造，輸入可實現(xiàn)的機械配合方案和相關技術參數(shù)，即可得到最優(yōu)機械利用率。在相應的施工方案中，設定每月混凝土澆筑強度，即可掌握具體的施工進度。

（三）可視化建模研究

構建一個能直觀、準確地展示工程建設動態(tài)過程的3D數(shù)字模型，是對水利水電工程動態(tài)仿真數(shù)據(jù)進行可視化查詢與分析的重要條件。該數(shù)字模型應該具有一定的靜態(tài)和動態(tài)的信息，比如施工場地的地形地貌、施工建筑物、施工設備的位置、材料的運輸路線等。通過Navisworks軟件及其他建模技術，實現(xiàn)了水利水電工程的可視化仿真。水利建設施工工藝的好壞，將直接關系到水利建設的效益與效果。

（四）實時動態(tài)仿真與施工進度管理

BIM系統(tǒng)還整合了Navisworks、3D Max等動態(tài)仿真和動畫繪制軟件，Navisworks可以將CAD、Civil 3D、Revit等軟件創(chuàng)建的建筑結構、設備、地形、施工設備等進行建模，并進行動態(tài)的仿真。同時導入工程項目的輸出資料，可以將力學分析數(shù)據(jù)、土方計算數(shù)據(jù)、AIM全周期的施工布局數(shù)據(jù)輸入該系統(tǒng)中，實現(xiàn)對建筑的3D形態(tài)、具體結構強度、土方作業(yè)數(shù)據(jù)的查詢。在反映施工進度成本、工期效果、工程量的同時，也可以綜合考慮結構力學的計算結果，但建議將分析結果分開保存，以免給系統(tǒng)帶來過大的運行壓力。

（五）BIM技術在可視化信息查詢中的具體應用

BIM技術在可視化信息檢索中的具體應用，有關施工單位可以通過“查找項目”的功能，對水利水電工程的仿真數(shù)據(jù)進行可視化的查詢，確定相應圖形的屬性，或通過BIM技術的“API”和“NET”功能進行二次開發(fā)，獲取工程施工的各種仿真數(shù)據(jù)，例如工程強度、工程各分項的施工情況等。建筑公司還可以利用“年、月、日”的方法，對某一時期的水利水電建設項目的強度、外觀等信息進行查詢。在查詢的時候，會將仿真信息以各種顏色的圖形直觀地呈現(xiàn)在用戶的面前，方便用戶的理解。另外，技術人員通過BIM技術構建動態(tài)鏈接庫，創(chuàng)建具備繼承能力的新插件并設置相應屬性，最后將DLL文件保存在軟件安裝包里即可構建模塊，對仿真數(shù)據(jù)進行可視化查詢。

（六）BIM技術在建筑結構仿真中的具體應用

BIM相關軟件中的Revit軟件可以用于水利水電的結構加固、布局、設備的建模等方面，達到高效的3D建模效果，并且將建筑的材質和結構特點融合到3D模型中，增加其逼真度，可以更好地反映工程的實際情況。在水利水電工程中應用BIM技術進行加固設計，設計者可根據(jù)已有的工程3D模型，對不同的鋼筋進行選型，并將其資料數(shù)據(jù)化后轉換成3D仿真模式，為以后的施工過程提供依據(jù)（見表1）。

表1 BIM技術在建筑結構仿真中應配備的模擬系統(tǒng)

（七）BIM技術在水利水電工程施工監(jiān)控中的具體應用

施工單位可以利用BIM技術的監(jiān)測和識別功能，實現(xiàn)對項目的可視化和安全管理，實時監(jiān)控項目建設的全過程，有效地收集、整理施工資料，對施工現(xiàn)場情況進行仿真模擬，讓有關工作人員能夠從多個角度觀察和分析，使其對項目的整體情況有一個全面的認識，掌握整個施工進度和施工中出現(xiàn)的問題，及時發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場的潛在危險并進行預警處理，有效規(guī)避相關施工風險。

四、結語

BIM技術在水利水電項目的可視化仿真中的運用，可以促進水利水電工程從設計到施工各方面工作質量的提高，保證水利工程的施工質量。BIM技術是現(xiàn)代建筑技術的重要革命，能夠為建筑行業(yè)的發(fā)展提供重要支持。參數(shù)化設計可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產品的系列設計、相似設計及專用CAD系統(tǒng)開發(fā)方面都具有較大的應用價值。因此，有關施工單位應更加重視BIM技術，充分、深入地理解BIM技術及其有關的可視化仿真技術，并根據(jù)實際情況提高BIM技術的使用效果。