基于Bentley軟件的BIM技術(shù)在水利工程數(shù)字化的應(yīng)用研究

馬 奔

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

當(dāng)前，我國已經(jīng)進(jìn)入新發(fā)展階段，數(shù)字化已成為行業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)[1]。水利工程作為基礎(chǔ)設(shè)施工程領(lǐng)域的重要分支，具有地形地質(zhì)條件復(fù)雜、涉及專業(yè)多、建筑物類型復(fù)雜多樣等特點(diǎn)[2]，運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化應(yīng)用，成為當(dāng)前最有效的方式之一。

隨著政府推動力度的不斷加強(qiáng)，越來越多的工程企業(yè)及項(xiàng)目開始應(yīng)用BIM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化。但在水利工程中，BIM技術(shù)的應(yīng)用起步較晚，且行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)滯后，這也導(dǎo)致不同企業(yè)或項(xiàng)目參與方在工程數(shù)字化交付的成果質(zhì)量參差不齊。沒有統(tǒng)一的規(guī)范應(yīng)用流程及標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)實(shí)施，是導(dǎo)致企業(yè)在承接的每個工程數(shù)字化項(xiàng)目實(shí)施過程中增加隨機(jī)不確定性、很難形成復(fù)利效應(yīng)的重要因素,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)院及施工企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)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(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)BIM的應(yīng)用研究為例，探討水利工程在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化流程，形成企業(yè)級的數(shù)字化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，助力工程企業(yè)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型升級。

1 工程數(shù)字化與BIM技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)作為工程數(shù)字化表達(dá)的基礎(chǔ)在工程行業(yè)中的應(yīng)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(shù)對于工程數(shù)字化的發(fā)展具有重要的作用和意義。工程數(shù)字化技術(shù)是在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)上形成的一個新型圖形技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工程技術(shù)的結(jié)合[3]，也可理解為工程的數(shù)字化表達(dá)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工程數(shù)字化技術(shù)將進(jìn)入新的發(fā)展階段，按照交付成果及技術(shù)支持類型可將其劃分為圖紙驅(qū)動階段、模型驅(qū)動階段、數(shù)據(jù)驅(qū)動階段3個階段，見圖1。

圖1 工程數(shù)字化發(fā)展階段

在圖紙驅(qū)動階段，工程數(shù)字化的目的是利用CAD技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)從手工制圖向計(jì)算機(jī)輔助制圖的轉(zhuǎn)變；在模型驅(qū)動階段，工程數(shù)字化技術(shù)圍繞BIM(Building Information Modeling)技術(shù)，利用基于三維模型的協(xié)同設(shè)計(jì)，賦能傳統(tǒng)交付方式，提升設(shè)計(jì)工作的效率和質(zhì)量；在數(shù)據(jù)驅(qū)動階段，工程行業(yè)逐步以工程數(shù)據(jù)為核心，不斷被挖掘、整合和利用工程數(shù)據(jù)，提出數(shù)字孿生(Digital Twin)概念，工程行業(yè)整體邁向工程數(shù)字化產(chǎn)品交付與工程數(shù)字化運(yùn)營階段。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

BIM技術(shù)具有直觀性、可計(jì)算性、可共享性、可管理性等特點(diǎn)[4]。采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、實(shí)景建模、三維建模、錯漏碰缺檢查、管線及設(shè)備布置優(yōu)化、工程量統(tǒng)計(jì)、三維出圖、實(shí)景渲染等，提高項(xiàng)目各專業(yè)間的配合效率和質(zhì)量。

數(shù)字化技術(shù)是創(chuàng)造一個除物理世界外的數(shù)字世界，對于工程數(shù)字化的技術(shù)特點(diǎn)是以應(yīng)用場景需求為導(dǎo)向，建立一套完整的數(shù)字化解決方案，通過實(shí)踐總結(jié)出“一個平臺、一個模型、一個數(shù)據(jù)架構(gòu)”的工程數(shù)字化特點(diǎn)[5]。

基于軟件和平臺的BIM技術(shù)是工程數(shù)字化重要的技術(shù)手段，通過BIM技術(shù)將工程實(shí)體按照不同的應(yīng)用場景需求及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拆分組合，在工程項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等階段，用數(shù)字傳遞工程項(xiàng)目的幾何信息及屬性信息，實(shí)現(xiàn)對工程項(xiàng)目的虛擬建造，提升企業(yè)自身的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理效率，助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

2 基于Bentley軟件的BIM技術(shù)應(yīng)用流程

2.1 軟件平臺的選擇

Bentley系列軟件產(chǎn)品以其數(shù)字化創(chuàng)新能力和多專業(yè)協(xié)同高效適應(yīng)性，成為工程數(shù)字化建設(shè)領(lǐng)域一個必要的工具和手段，Bentley系列軟件是以Microstation為開發(fā)平臺，涵蓋了地質(zhì)Geopak軟件、建筑結(jié)構(gòu)OpenBuildings Designer(OBD)軟件、金屬結(jié)構(gòu)Microstation軟件、水機(jī)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(diǎn)是ProjectWise三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，使工程項(xiàng)目真正實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)之間實(shí)時(shí)協(xié)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(chuàng)建流程

在三維模型設(shè)計(jì)開始前，需要建立一套全面且規(guī)范的Workspace(工作空間)與一個統(tǒng)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(jù)項(xiàng)目所涉及專業(yè)主要包括測量、地質(zhì)、水工、機(jī)電、建筑、金結(jié)、施工等，各專業(yè)統(tǒng)一在Projectwise平臺中協(xié)同工作。總體推進(jìn)路線見圖2。

圖2 BIM模型創(chuàng)建流程

2.3 BIM設(shè)計(jì)流程的構(gòu)建

本著“一模到底”的原則，從設(shè)計(jì)階段開始將模型設(shè)計(jì)中信息交換的及時(shí)性、傳遞的完整性及準(zhǔn)確性作為重點(diǎn)，探索出協(xié)同高效的方法與流程。基于BIM技術(shù)的工程數(shù)字化的實(shí)施流程一般可分為3個階段，即前期準(zhǔn)備階段、實(shí)施階段、交付階段,見圖3。

圖3 基于BIM的設(shè)計(jì)流程框架

前期準(zhǔn)備階段：首先，針對工程數(shù)字化項(xiàng)目設(shè)置項(xiàng)目組織架構(gòu)，建立工作集并劃分權(quán)限；其次，建立BIM實(shí)施的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；最后，選定軟件平臺，包括統(tǒng)一各專業(yè)模板文件，統(tǒng)一定位軸網(wǎng)、建立好各專業(yè)分裝文件及項(xiàng)目總裝文件和參考關(guān)系。

項(xiàng)目實(shí)施階段：傳統(tǒng)的工程項(xiàng)目的實(shí)施包含設(shè)計(jì)、建造、竣工交付等，而對于工程數(shù)字化項(xiàng)目而言，在實(shí)施過程中，通常在設(shè)計(jì)階段的主要工作是設(shè)計(jì)圖紙校審、模型校審、深化設(shè)計(jì)、三維虛擬漫游等，模型在向下游傳遞時(shí)，通常以數(shù)字化應(yīng)用場景為導(dǎo)向，深入挖掘BIM模型信息數(shù)據(jù)，使設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的BIM模型數(shù)據(jù)價(jià)值最大化。

交付階段：有別于傳統(tǒng)項(xiàng)目交付的工程實(shí)體，在工程數(shù)字化項(xiàng)目中，一般是業(yè)主方為根據(jù)自身應(yīng)用場景提出需求，設(shè)計(jì)方挖掘數(shù)據(jù)信息做應(yīng)用。

3 工程應(yīng)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(guī)模為4孔×3 m+1孔×6 m，6 m孔兼顧通航，最大設(shè)計(jì)流量445.05 m3/s，建筑物等級為2級建筑物。

3.2 設(shè)計(jì)環(huán)境搭建

與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)不同，BIM協(xié)同設(shè)計(jì)基于統(tǒng)一的BIM模型數(shù)據(jù)源，保持?jǐn)?shù)據(jù)良好的關(guān)聯(lián)性與一致性，完成高度的數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)對信息的充分使用。基于ProjectWise平臺的水閘項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(圖4)，利用其強(qiáng)大的流程管理、權(quán)限管理及知識積累功能，以文件級協(xié)同方式，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的集中存儲與訪問，從而增強(qiáng)信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，提高各參與方協(xié)同工作的效率。

圖4 PW協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境搭建

3.3 三維模型創(chuàng)建

在ProjectWise協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的基礎(chǔ)上，以Bentley專業(yè)設(shè)計(jì)軟件分專業(yè)建立地形、水工、水機(jī)、電氣、金結(jié)、建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型總裝。各專業(yè)模型見圖5-圖8。

圖5 三維地質(zhì)模型

圖6 建筑專業(yè)模型創(chuàng)建

圖7 水工結(jié)構(gòu)專業(yè)模型創(chuàng)建

圖8 模型總裝

3.4 模型渲染

工程項(xiàng)目實(shí)景渲染采用Bentley系列軟件LumenRT，對創(chuàng)建完成的三維模型進(jìn)行渲染及漫游動畫制作，見圖9，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果的可視化展示，向業(yè)主、施工單位直觀展示設(shè)計(jì)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(jié) 語

本文通過構(gòu)建基于Bentley軟件的BIM技術(shù)應(yīng)用框架，充分發(fā)揮BIM技術(shù)在可視化、仿真性、協(xié)同性和一體化等方面的優(yōu)勢，結(jié)合工程實(shí)例，探索實(shí)現(xiàn)水利工程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化應(yīng)用的方法，并總結(jié)出在工程數(shù)字化方面Bentley軟件具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1)PW協(xié)同設(shè)計(jì)平臺為各專業(yè)提供了實(shí)時(shí)高效的設(shè)計(jì)環(huán)境。

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

3)實(shí)景渲染實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)可視化，在清楚表達(dá)設(shè)計(jì)意圖、設(shè)計(jì)交底和提高溝通效率等方面發(fā)揮了良好的效果。

通過水利工程的數(shù)字化應(yīng)用，構(gòu)建水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，為推進(jìn)水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化、推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供新思路、新方法。