BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計中的運用分析

張艷

青島卓禹項目管理咨詢有限公司 山東 青島 266000

引言

傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計方式面臨著工程效率低、施工難度大等問題，BIM技術(shù)則能夠有效地解決這些問題，提高水利工程建設(shè)的效率和質(zhì)量。我國的水利工程建設(shè)已經(jīng)開始逐步引入BIM技術(shù)，但仍存在著實際運用方面的問題。因此，未來需要加強BIM技術(shù)的研究和推廣，進一步推動其在水利工程設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，為我國水利工程建設(shè)注入新的活力和動力。

1 BIM技術(shù)在水利工程應(yīng)用中存在的問題和改進措施

1.1 人才培養(yǎng)體系不健全

在水利工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)的應(yīng)用需要涉及土木工程、水文學、水動力學、計算機科學等多個領(lǐng)域的知識和技能。然而，當前水利工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人才相對匱乏，特別是對于BIM技術(shù)應(yīng)用專業(yè)人才的需求量更是遠遠超過供給量。因此，需要建立和完善人才培養(yǎng)體系，為水利工程BIM技術(shù)的應(yīng)用提供更充足的人力資源[1]。具體來說，需要加強相關(guān)學科的培養(yǎng)和發(fā)展，增加BIM技術(shù)應(yīng)用相關(guān)課程的設(shè)置，建立多學科交叉的人才培養(yǎng)機制，以及加強與企業(yè)合作，實現(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合，提高人才培養(yǎng)的實效性。

1.2 應(yīng)用與主流工程建設(shè)模式不匹配

當前，國內(nèi)水利工程建設(shè)主要采用傳統(tǒng)的建設(shè)模式和管理方式，較少采用數(shù)字化和信息化技術(shù)，BIM技術(shù)的應(yīng)用還處于探索和推廣階段。一些水利工程建設(shè)單位和管理部門對BIM技術(shù)的應(yīng)用缺乏理解和認可，缺乏相關(guān)技術(shù)人才和技術(shù)支持，導致BIM技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用存在諸多困難和障礙。要大力加強BIM技術(shù)的宣傳和推廣，提高各級領(lǐng)導和業(yè)主單位對BIM技術(shù)的認識和支持度。探索新的建設(shè)模式和管理方式，將BIM技術(shù)應(yīng)用于整個水利工程建設(shè)和管理的全過程，實現(xiàn)信息化和數(shù)字化的整合和創(chuàng)新，推動水利工程建設(shè)和管理的轉(zhuǎn)型和升級。

1.3 BIM軟件及應(yīng)用標準不統(tǒng)一

1.3.1 BIM體系軟件的選擇問題。目前市場上存在著各種不同的BIM軟件，例如Revit、Civil3D、Navisworks等，這些軟件功能、性能和適用范圍各不相同。因此，在水利工程應(yīng)用中，如何選擇適合的BIM軟件，是一個關(guān)鍵的問題。某些軟件可能難以與水利工程的特殊要求和工作流程相匹配，從而導致BIM技術(shù)的應(yīng)用效果不佳，甚至失敗。應(yīng)該結(jié)合水利工程的特點和要求，建立評價BIM軟件的標準體系，明確各項評價指標和權(quán)重，對不同的軟件進行評估和比較，從而選出適合水利工程應(yīng)用的產(chǎn)品。例如，在軟件性能方面，應(yīng)考慮軟件的處理速度、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)格式的兼容性等；在水利工程特殊要求方面，應(yīng)考慮軟件是否支持水文和水動力學模擬、地形建模、水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計等功能[2]。

1.3.2 不同版本間的數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一和兼容性問題。由于各種BIM軟件具有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式，導致在不同軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸和共享中出現(xiàn)了一些困難。某些時候即便使用同一軟件的不同版本，也可能會出現(xiàn)兼容性問題，這些問題會導致數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)不一致、重復錄入等問題，從而降低工作效率，增加人工成本和錯誤率。為了解決此種現(xiàn)象，需要進行數(shù)據(jù)標準化和軟件兼容性測試。數(shù)據(jù)標準化可以確保不同軟件或版本之間的數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)相同，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通和共享[3]；而軟件兼容性測試則可以幫助用戶在不同軟件或版本之間無縫切換，以確保數(shù)據(jù)在各種軟件環(huán)境中都可以正常使用。在實踐中，建議優(yōu)化數(shù)據(jù)交換標準協(xié)議、統(tǒng)一建模約束條件和要求、進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和兼容性測試等方式來改善當前現(xiàn)狀。另外，也可以通過開發(fā)兼容性良好的BIM軟件插件和接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通和共享，這將有助于提高BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用效率和準確性。

1.3.3 應(yīng)用標準的顆粒度與業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的匹配度不夠。國內(nèi)外BIM技術(shù)的應(yīng)用標準主要包括IFC、GB/T、ISO、BSI等多種標準，但這些標準的顆粒度往往與實際業(yè)務(wù)應(yīng)用需求不完全匹配。例如，當前的BIM標準主要關(guān)注建筑和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，而在水利工程領(lǐng)域，往往需要更多的專業(yè)標準和細節(jié)要求。為了改善這類情況，需要制定更為細化、針對性更強的BIM標準，并將其與水利工程的實際業(yè)務(wù)需求相匹配。同時，也需要加強BIM應(yīng)用標準與水利工程領(lǐng)域的交流和合作，以便更好地理解和滿足水利工程的業(yè)務(wù)需求。此外，針對水利工程的特殊性，可以開發(fā)定制化的BIM軟件和應(yīng)用工具，以適應(yīng)水利工程的建模需求，提高建模的效率和精度。

2 BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計中的運用

2.1 在總體設(shè)計方面的運用

在水利工程總體設(shè)計中，BIM技術(shù)可以通過建立數(shù)字模型、協(xié)同設(shè)計和分析等方式，實現(xiàn)全過程數(shù)據(jù)的管理和共享，提高設(shè)計效率和精度。該技術(shù)不僅可以整合水利工程的幾何信息，還可以匯總材料、施工、運營和維護等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)字模型進行可視化設(shè)計和方案比較，讓相關(guān)設(shè)計團隊選擇最佳的設(shè)計方案，還可以用于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，幫助設(shè)計人員更直觀地了解工程設(shè)計的效果和影響。

2.2 構(gòu)建地形模型

地形模型是指地面表面的數(shù)字化模型，可以根據(jù)其數(shù)據(jù)進行三維建模、仿真分析和施工規(guī)劃。構(gòu)建地形模型的主要步驟包括獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和建模展示。獲取地形數(shù)據(jù)可以通過多種途徑獲得，例如使用激光雷達、全球定位系統(tǒng)（GPS）、無人機等技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集。然后用AutoCAD、Civil 3D、Revit等軟件將數(shù)據(jù)導入到BIM軟件中進行處理，一定要注意數(shù)據(jù)的精度和分辨率，以及是否存在數(shù)據(jù)缺失等問題，還要做好處理后數(shù)據(jù)的建模展示工作。在BIM軟件中，將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維模型，并根據(jù)需要進行添加、修改、刪除等操作，以滿足設(shè)計要求。同時，也可以進行三維可視化和交互式模擬，方便工程師和設(shè)計師進行實時的模型調(diào)整和設(shè)計優(yōu)化。

2.3 構(gòu)建建筑物模型

BIM技術(shù)（Building Information Modeling，建筑信息模型）在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用，可以通過構(gòu)建建筑物模型來實現(xiàn)，其操作方式如下：首先，需要選擇合適的BIM軟件，根據(jù)水利工程設(shè)計的需求，建立建筑物模型。這個過程需要在三維模型中創(chuàng)建建筑物的墻、柱、梁等不同部分，通過輸入建筑物的尺寸和形狀，自動生成建筑物的基本結(jié)構(gòu)。再將管道、閥門、水泵等水利工程相關(guān)的元素添加到建筑物模型中，可以先在軟件中選擇相應(yīng)的元素，然后將其拖放到建筑物模型中的合適位置[4]；然后，需要對建筑物模型進行細化。這包括對建筑物中管道的材料、直徑和長度等每個元素的屬性進行設(shè)置，生成水力分析和水力計算等完整的水利工程設(shè)計信息模型；最后，可以使用建筑物模型進行可視化分析和協(xié)作，通過添加攝像頭，讓設(shè)計團隊和客戶實時查看建筑物模型，并提出建議和修改意見，也可以使用BIM協(xié)作工具，實現(xiàn)多人協(xié)同設(shè)計和數(shù)據(jù)共享。

2.4 布置建筑物樞紐

熟練運用該技術(shù)，能夠快速而準確地確定建筑物樞紐的位置、大小和形狀，避免了傳統(tǒng)二維圖紙所存在的信息不全面、難以理解的問題。在進行建筑物樞紐的布置前，需要在BIM軟件中新建一個工程，并設(shè)置工程的地理位置和相關(guān)的環(huán)境參數(shù)。隨后，可以通過在工程中添加建筑物模型的方式，創(chuàng)建建筑物樞紐的三維模型，選擇現(xiàn)有的標準模型或者自定義建筑物模型，以滿足不同的設(shè)計需求。還要通過更改建筑物模型的參數(shù)，快速調(diào)整建筑物樞紐的大小、高度等參數(shù)，以達到最佳的設(shè)計效果。

2.5 計算土方量

在BIM技術(shù)中，計算土方量的過程實際上是通過對不同區(qū)域的體積計算來實現(xiàn)的，需要使用建模軟件中的算法，其中最常見的算法是剖面法和格網(wǎng)法。剖面法是一種基于截面的計算方法，通過對截面進行測量和分析，確定土方量，在建模軟件中要將整個水利工程切割成若干個垂直于水流方向的截面，并測量每個截面的寬度和高程。接著，在每個截面上定義挖方和填方區(qū)域的邊界，并計算每個區(qū)域的體積。把所有截面的體積相加，得到整個水利工程的土方量。格網(wǎng)法是一種基于體積網(wǎng)格的計算方法，通過將整個水利工程劃分成若干個立方體網(wǎng)格，定義挖方和填方區(qū)域的邊界，并計算每個區(qū)域的體積，將所有網(wǎng)格的體積相加，就能獲得需要的數(shù)據(jù)。在計算土方量時，還需要考慮工程的修正系數(shù)和余地系數(shù)等參數(shù)。修正系數(shù)包括土方開挖后收縮和松散系數(shù)、土方填筑后壓實系數(shù)等，用于修正土方量的實際值；余地系數(shù)則是為了考慮工程施工誤差、土方開挖后坍塌和土方填筑后沉降等因素，提高土方量的安全儲備。

2.6 模擬工程進度

為了實現(xiàn)準確的模擬工程進度，需要建立詳細的BIM模型，應(yīng)包含水利工程的大壩、水庫、引水渠道、泵站等各個部分，并對這些部分的構(gòu)件序列和時間安排進行科學分配。在模型中定義這些信息后，還要使用軟件中的進度分析工具對工程進度進行模擬，計算出不同階段的工作量和資源需求，包括人力、材料和設(shè)備，并結(jié)合實際情況進行調(diào)整，以獲得最優(yōu)的進度計劃[5]。

2.7 研究交付內(nèi)容

交付內(nèi)容是指在設(shè)計過程中需要交付給其他團隊或利益相關(guān)者的文件和數(shù)據(jù)。這些文件和數(shù)據(jù)可以包括建筑模型、圖紙、材料清單、工程計算和分析結(jié)果等。在進行水利工程設(shè)計時，需要定義交付內(nèi)容的類型和格式。例如，需要交付哪些文件和數(shù)據(jù)，以及這些文件和數(shù)據(jù)應(yīng)該采用何種格式，最好通過與利益相關(guān)者進行溝通和協(xié)商來確定。并建立BIM模型，將其作為交付內(nèi)容的基礎(chǔ)，一定要包含各個設(shè)計階段的模型、圖紙、分析結(jié)果等。這些數(shù)據(jù)可以與其他團隊共享，以提高溝通效率和準確性。在建立標準和流程時，需要考慮交付內(nèi)容的質(zhì)量、可讀性和可操作性，使用BIM軟件進行交付內(nèi)容的管理和控制，幫助管理交付內(nèi)容的版本、變更和審批，從而提高交付內(nèi)容的準確性和溯源的精準程度。

2.8 信息和模型的創(chuàng)建和表達

在建立水利工程項目的BIM模型之前，需要收集和整合各種相關(guān)的信息，如建筑物形狀、土地形態(tài)、地形數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)等，以確保模型的準確性和完整性。然后，通過BIM軟件對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，生成一個可視化的三維模型，將設(shè)計和施工過程中的各種信息和數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計和管理。使用BIM軟件生成高質(zhì)量的渲染圖、動畫和虛擬現(xiàn)實等展示方式。這些展示方式可以幫助利益相關(guān)者更好地理解設(shè)計概念和設(shè)計方案。在表達BIM模型時，還需要考慮呈現(xiàn)的內(nèi)容和細節(jié)，對重要信息進行標注、注釋和圖例，以確保表達的準確性和可讀性。

3 結(jié)束語

綜上所述，BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的成效，帶來了高效、精準、可視化的設(shè)計效果，同時也提升了項目管理和運維水平。當科學技術(shù)在不斷發(fā)展時，BIM技術(shù)也將更加普及，人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用也將與BIM技術(shù)相結(jié)合，為水利工程設(shè)計提供更加全面、高效的解決方案，進一步提升水利工程的建設(shè)水平。