BIM期刊

中水数易内部期刊BIM专刊

THE  INTERNAL  BIM  JOURNAL  OF  ZHONGSHUI  SHUYI CO, LTD

2018.7

第3期

NO.3

西宁水利大数据中心共同印刷

中水数易内部期刊遥感技术在水利中的应用专刊

THE  INTERNAL  APPLICATION OF REMOTE SENSING TECHNOLOGY IN WATER PROJECT   JOURNAL  OF  ZHONGSHUI  SHUYI CO, LTD

2018.9

第4期

NO.4

西宁市水利大数据中心共同印刷

BIM 专 刊

 BIM ZHUAN KAN 

2018-07

黄睿军

咸福寿

（按姓氏拼音排序）

包小萍  陈筱祎

高祥玲  柳 笛

桑永斓  冶有才

冶有才

0971-4321333

qhzssy@163.com

http://www.qhzssy.

ltd/

810016

青海省西宁市城北区

青海大学科技园

目次

BIM的起源、国内现状及发展趋势   ……………………………………（1）

BIM这三个字幕到底高怎么理解？ ……………………………………（3）

水利水电工程施工安全管理中BIM技术的应用   …………………………（6）

基于Web水利工程BIM数据管理及应用研究   ……………………………（8）

基于BIM和GIS的数据集成在水利工程中的应用框架  …………………（13）

我国水利工程中BIM应用现状及障碍研究  ………………………………（19）

基于BIM技术的水利工程三维设计研究与实现  …………………………（23）

BIM技术在水利工程中的应用研究

  …………………………………（29）

基于BIM技术的可视化水利工程设计仿真  ………………………………（34）

政策文件

水利水电BIM标准体系  ………（38）

BIM 专 刊

 BIM ZHUAN KAN 

2018-07

黄睿军

咸福寿

（按姓氏拼音排序）

包小萍  陈筱祎

高祥玲  柳 笛

桑永斓  冶有才

冶有才

0971-4321333

qhzssy@163.com

http://www.qhzssy.

ltd/

810016

青海省西宁市城北区

青海大学科技园

目次

BIM的起源、国内现状及发展趋势 ……………………………………（1）

BIM这三个字幕到底高怎么理解？ ……………………………………（5）

水利水电工程施工安全管理中BIM技术的应用  …………………………（12）

基于Web水利工程BIM数据管理及应用研究  ……………………………（16）

基于BIM和GIS的数据集成在水利工程中的应用框架  …………………（26）

我国水利工程中BIM应用现状及障碍研究  ………………………………（38）

基于BIM技术的水利工程三维设计研究与实现  …………………………（43）

BIM技术在水利工程中的应用研究

  …………………………………（56）

基于BIM技术的可视化水利工程设计仿真  ………………………………（64）

政策文件

水利水电BIM标准体系…………（71）

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第3期

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1、BIM的起源

1975年，"BIM之父"--乔治亚理工大学的Chuck Eastman教授创建了BIM理念至今，BIM技术的研究经历了三大阶段:萌芽阶段、产生阶段和发展阶段。BIM理念的启蒙，受到了1973年全球石油危机的影响，美国全行业需要考虑提高行业效益的问题，1975年"BIM之父"Eastman教授在其研究的课题"Building Description System"中提出"acomputer-baseddescriptionof-abuilding"，以便于实现建筑工程的可视化和量化分析，提高工程建设效率。但在当时流传速度较慢，直到2002年，由Autodes公司正式发布《BIM白皮书》后，由BIM教父—JerryLaiserin对BIM的内涵和外延进行界定并把BIM一次推广流传。

应用，将为建筑业的发展带来巨大的效益，使得规划设计、工程施工、运营管理乃至整个工程的质量和管理效率得到显著提高。

应用BIM技术，能改变传统的建筑管理理念，能引领建筑信息技术走向更高层次，它的全面应用，将大大提高建筑管理的集成化程度。

3、国内外现状和技术发展趋势

近十年来，建筑信息模型技术在美国、日本、香港等国家和地区的建筑工程领域取得了大量的应用成果。国内不少具有前瞻性与战略眼光的施工企业开始思考如何应用BIM技术来提升项目管理水平与企业核心竞争力。

BIM技术应用的最大价值在于打通建筑的全生命周期。随着三维建筑信息模型数据从规划、设计到施工、运营维护各个阶段不断得到完整、丰富、整合与升级，其核心价值如可持续设计、海量

BIM的起源、国内现状及发展趋势

2、BIM的意义和必要性

我国正处于工业化和城市化的快速发展阶段，在未来20年具有保持GDP快速增长的潜力，房地产已经成为国民经济的支柱产业，城乡与住房建设部也提出了建筑业的十项新技术，其中包括信息技术在建筑业的应用。

大型公建项目从立项开始，历经规划设计、工程施工、竣工验收到交付使用是一个漫长的过程。该过程中不确定性因素多，为克服建设过程中的缺点，采用BIM技术对项目进行设计、建造和运营管理，将各种建筑信息组织成一个整体，贯穿于建筑全生命周期过程。利用计算机技术建立BIM建筑信息模型，对建筑空间几何信息、建筑空间功能信息、建筑施工管理信息、以及设备等各专业相关数据信息进行数据集成与一体化管理。BIM技技术的

数据管理、数据共享、工作协同、碰撞检查、造价管控等也不断地得到发挥。

目前在国内，对于BIM技术应用的案例和应用软件都以设计阶段为主导。这给人以比较片面的理解，认为BIM就是某个软件，BIM应用知识设计院的事情。事实上，BIM技术的应用别按由不同性能和不同阶段的软件组成，BIM的应用在设计、施工、运营维护不同阶段都有比传统管理优质时代性变革的价值，但是其数据核心都是应用三维具有关联性的建筑信息模型。

4、 对产业发展的作用与影响

由于建设项目全生命周期中参与单位众多，信息传递过程长，由于传递流程长，传递时间长，由此造成信息丢失也很多，信息的丢失，造成工程造价的提高。通过BIM技术，可以将建设全生命周期中各阶段的数据进行高度的集成，保证上一阶段的信息能传递到以后的各个阶段，从而使建设各方的各专业工

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程师能获取相应的数据，及时对项目进行管理，从而达到协同设计、协同管理、协同交流的目的。同时，使得大型公建项目中的各产业单位能协同管理，达到协同建设的目的，最终体现在运营管理中，能在运营管理阶段，有效维护建筑物的各使用功能，有效延长大型公建的使用寿命。

5、产业关联度分析

由于大型公建项目建设中，主要参与方有设计院、施工企业、监理单位和业主单位，因此，通过BIM技术，能从规划设计开始，由设计单位建立起空间几何信息、初始的建筑材料信息等基本信息，在工程施工阶段，建设各方能以此为平台，输入各自在管理过程中产生的海量数据，所有这些数据，都为以后的运营维护阶段打下基础，方便运营维护，同时，运营维护也以此为平台，进行管理数据的输入。综上所述，通过BIM技术，将产业中的

用，这些信息质量高、可靠性强、集成程度高而且完全协调，大大提高设计乃至整个工程的质量和效率，显著降低成本。

应用建筑信息模型，马上可以得到的好处就是使建筑工程更快、更省、更精确，各工种配合得更好和减少了图纸的出错风险，而长远得到的好处已经超越了设计和施工的阶段，惠及将来的建筑物的运作、维护和设施管理。并导致可持续地节省费用。

各参与单位有机的联系在一起，共同进行大型公建项目的建设。

6、BIM技术应用浅析

 BIM技术特点概括说就是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法，这种方法支持建筑工程的集成管理环境，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率和大量减少风险。

由于建筑信息模型需要支持建筑工程全生命周期的集成管理环境，因此建筑信息模型的结构是一个包含有数据模型和行为模型的复合结构。它除了包含与几何图形及数据有关的数据模型外，还包含与管理有关的行为模型，两相结合通过关联为数据赋予意义，因而可用于模拟真实世界的行为，例如模拟建筑的结构应力状况、围护结构的传热状况。当然，行为的模拟与信息的质量是密切相关的。

应用建筑信息模型，可以支持项目各种信息的连续应用及实时应

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第3期

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BIM这个词语是英文单词 Building Information Modeling的缩写，这三个词国内一般的翻译方法为「建筑信息模型」。

如果我们上网一查，一般还会看到，BIM具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性几大特点。

然而，我们知道这些后，还是对BIM是什么，该怎么用，该怎么学习，没有一个明确的概念。那么今天，我们就尝试剥开BIM神秘的外衣，为大家讲个清楚，这BIM到底是什么。

前面我们说到，国内一般对于 Building Information Modeling这三个英文单词的翻译呢，是「建筑信息模型」，其实这个翻译是不太合适的。

文/BIMBOX微信公众号、开开

BIM这三个字幕到底高怎么理解？

在这个解释下，我们会觉得BIM的重点就是「模型」，这也是为什么现在很多工程项目应用BIM这种技术后，收效不明显的原因——用户花了不少钱，投入了大量的人力，最后就得到一个电脑中的模型,感觉看起来很直观很炫，然而并没有什么用。这肯定很不划算的。

那么对更好的解释应该是什么呢？

对BIM技术更好的解释应该是：由完全充足的信息构成的、用以支持生命周期管理的，并可由电脑程序直接解释的，工程信息模型。换句话说，BIM就是由数字技术支撑的对建筑环境的生命周期管理。

这么说大家可能还是有点晕，我们来进一步拆解BIM这三个字母。

首先，这第一个字母B，building，不应该理解为狭义的「一栋建筑」，而应该是整个建设领域。

这个领域包括一些常规建筑，以及城市规划，交通工程 ，环境工程，节能工程，地下空间工程，历史建筑保护工程，景观工程，水务工程，农业工程，给排水与工程，建筑智能化工程，风景园林工程，道路桥梁与渡河工程等等。

所以BIM的B所涵盖的，可以是建筑的某一具体部分，比如水暖电啊、土方工程啊等等，也可以是单体建筑，还可以是社区，更可以是一个城市，甚至可以大到人与自然的关系。

通过这一点我们可以了解到，不仅是搞「建筑」会用到BIM技术，搞设备的、搞材料的、搞园林的，只要你在工程领域

B

中从事一份工作，BIM技术就会和你发生不同层面的关系。

BIM中间的字母「I」我们放到最后来说，我们先来看看第三个字母M，modeling。现在国内对这个词的翻译是「模型」，我们说这种理解是很不对的，因为model这个词才是模型，它是一个名词，一个结果。

而modeling作为一个动名词，所表现的是一个过程，而不是一个结果。那么我们应该把这个词理解为「建模」，或者更好地理解为「模拟」。

如果我们把M理解为「模型」，我们就把BIM技术与实际施工建设拆分开了，而实际上国内有很多的工程项目恰恰就是这样做的。

比如有的企业会单独设立一个BIM小组，把所有关于BIM的工作安排给这个小组来做。

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第3期

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这样的BIM小组主要工作有两个。第一个工作是在建设开始的时候，根据二维平面图纸「翻」出来一个三维的模型，其实不过是换了一种更炫的表达方式罢了。工程开工后，所有的建造工作还是会按照传统的方式来实施，并不跟BIM产生关系。

等到工程项目结束了，BIM小组再根据现场的实际情况，修改模型，交出一份竣工版的模型，交差完事。

在这种工作模式下，BIM就是我们刚才说到的「模型」，它仅仅是一个模型，把图纸或者竣工的工程搬到电脑中，用三维的方式给人看。这样的BIM，自然产生不了什么价值。这也是目前国内第一批从事了BIM工作的人们经常吐槽的地方，钱没少花，夜也没少熬，没创造什么价值，觉得BIM没有用。

而如果我们按照「模拟」来理解

在实际建造的过程中，参与人员会尽量根据这个模型去进行建设，而要想大家根据模型去建设，最好的办法就是在一开始的「模拟建设」中，各方就都能够参与到「数字模型」的建立中来，共同发现问题，解决问题。

如果说在建模的时候有一方没有参与，比如施工方，那这个数字化模型在实施的时候就会遇到和传统方法中同样的问题。

举个大家都能听懂的例子，比如我们盖一个房子，门是0.9米宽，屋子里放着一个3米见方的大鱼缸。如果仅仅是设计方把鱼缸的模型花在这个房间里，那是没有问题的，这个模型很容易就能在电脑中被画出来。

但如果没有施工方的参加，没有过程的模拟，那到了实际施工的时候，就会发现门开好

BIM中的M，那就不是这样的工作方式了。我们知道一个工程项目是多方参与的动态结果。

目前市场上用BIM技术应用最多是在设计阶段，用三维的模型来代替传统的平面图纸，只有设计阶段会应用到BIM,参与方只有设计，而一个工程作为一个产品，设计阶段只是刚刚开始。

我们讲BIM要参与工程的全生命周期。就是在开始动工前，业主就召集设计方、施工方、材料供应商、监理方等各方面一起做出一个BIM模型，注意这里的参与者不仅仅是设计方。比如使用BIM技术的各方，就经常忽略材料和设备供应商在前期流程中起到的作用。

在这个阶段，我们实际上是在工程真正开始之前，在电脑中把整个项目模拟建设一次。这时候这个模型其实是“拟完成作品的模型”，在计算机中，它已经完成了。

了，鱼缸抬不进来。那么就得把门重新拆掉，搬进鱼缸后再把门装上，这一拆一装，就是传统施工中的浪费。

大家看，即便是用了BIM技术，我们只是把平面上建筑的完成状况变成了三维的，但鱼缸搬不进来这个情况依然没有得到好转。只有当数字模型进行建设的过程中，实际进行建造的各方参与进来了，并且在建设的过程中，这个模型是动态的、变化的，不断地再问题出现之前预先解决的，这个模型才有了存在的价值。

再回到我们房子中的鱼缸的例子，这里涉及到的是设计方、施工方还有设备生产商。这个问题可以这么来解决：要么就是在工序上，我们考虑到先把墙留上一个三米的孔洞，然后搬鱼缸进屋，再把孔洞封上做门，这个是可以的。

或者我们需要鱼缸的生产商设计一个可以拆装的鱼缸，每一个部件的尺寸都能够搬进门，这也是可以的。

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外，所有的信息都叫做非几何信息。还是回到我们的例子，刚才说了两种解决方案，第一种是先搬鱼缸，在补孔洞开门，那这个先搬鱼缸，再开门的顺序，就是一个信息。第二种方案，是要求生产商生产出可以拆卸安装的鱼缸，那么这个鱼缸该拆装成几份，按照怎样的顺序安装？是购买方自己装还是有人上门给安装？上门安装的时间、地点、联系电话，也同样是一个信息。

再比如预先开洞的这个墙，史什么样的材质？是不是能够承受足够的内力，使建筑不至于倒塌？这是一个信息。安装后的鱼缸是不是需要螺栓来固定，螺栓的尺寸型号是什么？这还是信息。

这些信息，都是用几何信息无法表达的，都是要被各方参与者为了提前发现问题和方便管理，放到BIM模型中去的。

BIM，就是要在这些问题在现实中发生之前，大家在电脑模拟的模型中发现他们，提出方案，解决后再次模拟，持续的预先解决问题的过程。

所以这个M翻译为模拟，它不仅仅是设计的阶段和最终竣工阶段的一个交差的工作，它应该是贯穿在整个建造过程中的。

刚才我们也说到，一个工程项目可能遇到的问题，不仅仅是门和鱼缸碰撞的问题，还会遇到形形

色色其他的问题，那么我们就知道，光是把尺寸这个事儿解决了还是不够的，这就要回到我们BIM中间这个字母I上来了，它才是BIM技术的灵魂。

最后我们看看这个字母I。I是information，也就是信息。这个信息分为几何信息和非几何信息两种。我们先说说几何信息。

刚才我们举的例子中，门的尺寸和鱼缸的尺寸，就是几何信息。BIM模型的一大用处，就是用几何信息来解决碰撞的问题。它可以检查鱼缸是不是和旁边的桌子碰撞了？也就是说，模型中如果这两个东西碰撞了，那再实际建造过程中，我们要么把鱼缸挪开，要么把桌子挪开，一挪开可能又会碰撞到其他的东西，碰撞检查就是用电脑自动地计算各个物体在空间中是不是互相打着架了，来预先解决这样的问题。

除了这个模型的尺寸大小信息之

当然，我们这个例子只是为了让大家都能理解的一个简单例子，而一个项目中被成功运用的非几何信息的多少，往往决定了这个项目BIM技术运用的深度。

我们来看看项目中都有哪些信息要被运用。

项目概念阶段：项目选址模拟分析、可视化展示等等。

勘察测绘阶段：地形测绘与可视化模拟、地质参数化分析与法案设计等等；

项目设计阶段：参数化设计、日照能耗分析、交通线规划、管线优化、结构分析、风向分析、环境分析等等；

招标投标阶段：造价分析、绿色节能、方案展示、漫游模拟等等；

施工建设阶段：施工模拟、方案优化、施工安全、进度控制、实时反馈、工程自动化、供应链管理、场地布局规划、建筑垃圾处理等等；

项目运营阶段:智能建筑设施、大数据分析、物流管理、智慧城市、云平台存储等等；

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摘要:在水利水电工程建设中存在的安全管理问题不断出现，对水利水电工程的施工建设造成很大影响，将BIM技术应用于水利水电工程安全管理中能够提高项目建设管理水平，有助于水利水电工程的顺利发展。文章主要对BIM技术进行分析，并探讨该技术在水利水电施工安全管理中的具体应用。

1、BIM技术在水利水电工程中应用的意义

随着水利水电工程规模、数量的不断扩大，结构形式也逐渐向着复杂化发展，采用传统CAD技术已经不能满足工程实际需求，由于水利水电工程在施工过程中变化因素较多，很容易造成施工安全问题，不利

项目维护阶段：3D点云、维修检测、清理修整、火灾逃生模拟等等；

项目更新阶段：方案优化、结构分析、成品展示等等；

项目拆除阶段：爆破模拟、废弃物处理、环境绿化、废弃运输处理等等。

这些信息，在传统的设计和施工方式中，也一直存在，它们一般是用文字或者表格的方式记录在工程项目中的，很难整理，用的时候也很难对应。

我们的BIM技术，就是要把这些information，放到我们实时变化的模拟中去。

BIM技术在一种近年来流行的建筑项目交付模式－集成项目交付（IPD）中得到广泛应用。BIM把项目交付的所有环节即建筑设计、土木工程设计、结构设计、机械设计、建造、价格预估、日程安排及工程生命周期管理等所有的信息加以联合和互相合作。

文/许光喜

简单来说，就是BIM使得建筑业能够像一般的工业产品那样，实现信息化，高效率的进行生产。

信息是死的，信息化是活的，只有信息化，才能真正体现BIM的价值。信息化，也就是利用计算机、人工智能、互联网、机器人等信息化技术及手段，来实现建设领域的智能化，这些手段所应用的信息，是需要被整理和安排好的，才能够被二次利用。

那么说到这儿，我们再来回顾一下BIM的正确理解，B应该被理解为广义的建筑工程领域而不是单个的建筑，I应该被理解为信息化，而不是简单的信息，M应该被理解为模拟，而不是模型。

所以对BIM这个词更准确的理解应该是：建筑业信息化模拟。

那么市面上经常宣传的BIM就是建模，就是学习一款软件，这种说法也就不攻自破了。

于整体建设的合理化调整，而BIM技术能够很好的补充这方面的不足。在安全管理中这一技术的应用可以通过不同的参数设置出相应的模型，并将项目中的信息进行整和处理，有助于相关人员随时掌握水利工程的详细进度，协调各方的协同合作，切实提高工作效率，降低施工成本费用。

2、BIM技术下的水利水电工程

2. 1参数化三维建模

    在设计过程中，BIM技术的应用主要体现在数字模型方面，也可以称之为数字地形模型，通过专业的设计人员建立地形模型，对水利工程整体布局及施工场地进行模拟演示，以更为直观的方法了解地面变化，为施工人员提供准确、合理的施工方案。首先，工程设计人员将

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3、BIM技术在工程施工中的具体应用

3.1 BIM技术在建筑设计阶段的应用

BIM技术的应用涉及水利水电工程建设整个过程，在设计阶段中通过对工程设计理念、结构形式、施工设计模型的建立，运用相关技术建立施工设计模型，结合工程信息数据，通过BIM技术对工程设计进行相关计算，并通过三维模式展现出来，对设计中存在的问题进行碰撞检查，为设计人员提供合理化建议，切实提高水利水电工程建设的设计水平，将整体工程概况更为直观的展现出来，从而降低工程建设过程中存在的安全风险。设计人员通过BIM技术还能够对工程建设进行全方位的了解与观测，降低设计人员的工作压力，使其能够有更多的时问投入于设计工作中，BIM技术的应用能够缩短工程设计周期，提高项目建设

构建标准图、相关参数、关联公式进行整理、分析，编写具体的操作流程，设计资料与操作流程图经过审核以后交给专业的设计人员。其次，设计人员以B工M技术为基础，根据所提供的构件图纸、流程图、计算公式，在计算机系统卜进行二次开发，整理水利水电工程结构的相关参数，为工程建设过程中参数化设置提供前期准备。最后，设计人员在三维图形的基础上，了解地形地貌与路线走向。通过在设计平台中输入相应的信息，调用库中的三维构件，通过计算分析快速建立水利水电工程的立体模型。

2. 2动态填挖

水利水电施工过程中，经常会遇到一些不合适的地质条件，在这个时候就需要对地形进行动态填挖以满足实际建设需求，这项工作的开展较为复杂，应用B工M技术对其进行建模，能够更清晰准确的判断施工技术与施工作业 

流程。首先，在填挖前对大坝进行曲面设计。其次，确保曲面设计能够符合原有的设计要求，以工程实际情况为基础对于多出点部分进行挖填，确保两者相互统一、完美融合，在这个过程中应用B工M技术能够提高施工技术的准确性，保障工程质量安全。

2. 3实体建模

    BIM模型可以为施工企业提供准确的工程信息模型，由于水利水电施工方案与项目建设相互对应，不同的工程建设所采取的技术方法与施工工艺也不尽相同，其地质条件、结构构造可能存在很大区别，因此施工方案的拟定与优化对项目建设来说至关重要。根据BIM模型可以更加便捷、直观的模拟水利水电施工的整个过程，系统直接对结构安全性进行分析，能够为施工企业提供不同施工方法卜对工程状态产生的影响，以此选择最为合适的施工方案。与此同时，还能够对现有的施工方案进行进一步优化，确保工程建设的稳定运行。

的整体进度。另外，在水利水电工程中使用BIM技术可以有效的减少误差发生的概率。能够先对水利水电设计方案进行优化，这样就会减少在施工阶段出现的误差。还可以根据相关的数据建立三维视图，对工程建设需要设备等的进行分析与检测，对项目建设的安全与稳定性进行评估。

4、水利水电工程施工结构与场地

水利水电工程施工具有一定的复杂性，其面临的环境及影响因素较多。首先，在设计的过程中，设计内部不能只考虑水利水电工程主体结构，还要从自然环境、水文地质综合分析检测。将BIM技术应用于水利水电工程中，将动态的数字信息输入到系统中，分析水利水电工程主体部分，结合GIS技术对施工现场环境进行勘测，最终以可视化的模型呈现出来。与此同时，水利水电工程主体结构的判断，还可以对当前环境进行判断，确定适合施工的位置场所，确保施工过程中的

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摘要:针对BIM技术在水利工程建设及运行维护阶段存在的应用度不高、跨平台性不强的问题，阐述了构建基于Web技术的BIM数据管理及应用平台的技术路线，并对其中的几个关键技术进行了研究。典型水利工程应用表明，Web平台具备较大优势，无需安装任何客户端、插件，联网的设备随时打开使用，可极大降低BIM技术应用的门槛。

水利行业BIM技术起步相对较晚，目前在设计阶段的应用较多，而BIM技术大部分价值产生在建设阶段及运行维护阶段。设计阶段的BIM应用，多是通过BIM建模，有效规避设计过程中的“错、漏、碰、缺”问题，从而提高设计质量和效率，可直观地

安全可靠。

4. 1识别危险因素、划分危险区域水利水电工程安全管理过程中，B工M技术的应用能够将工程建设的信息数据与施工人员进行科学的整理与利用。模拟工程建设的整个过程，汇集项目建设施工信息，从而检测施工现场可能存在的危险因素，并对相关人员进行预警处理。另外，BIM技术还可以对施工区域进行科学的划分，将危险系数高或影响比重大的区域进行分割。在BIM技术的应用中，危险区域划分通常分为四个颜色，每种颜色所代表的危险等级各不相同，根据实际情况 BIM技术系统还对此进行限制，保障施工过程不会超过限定要求。

4. 2优化管理

在水利水电工程建设中应用BIM技术主要是为了建立水利工程全寿命模型，在进行设计的过程中

文/黄河规划勘测设计有限公司（赵凯华、陶富岭、潘炜元）

应该充分考虑施工及运行阶段的相关信息，以此为基础提供及时准确信息数据。首先，优化水利水电施工组织设计，在BIM建筑模型中能够较为全面的反映出与工程建设有关的信息，采用模型进行模拟操作，对各个工序、作业区问进行规划设计，合理分配施工过程中所有的资源配置，提高工作效率。

5、结束语

水电施工安全管理中是时代发展的必然趋势，BIM技术通过模型建立，结合数据库信息资源形成虚拟的安全控制系统，对于潜在的安全隐患进行识别，并给予合理的分析与建议，以此降低水利水电施工中的安全隐患。

进行方案比选，为决策提供直观参考，这些在各设计平台内即可实现。建设阶段及运行维护阶段的BIM应用，发生在BIM设计阶段之后，对设计平台依赖度较小，多应用于4D工程进度模拟、5D工程量计算及可视化验收及运行维护等方面，这些应用需求多样，需要一个健全完善的水利工程BIM数据管理和综合应用平台进行支持。目前，BIM在后设计阶段的应用多采用客户端安装的形式，一方面用户需要安装客户端及相应运行环境，不够方便;另一方面，跨平台兼容性差，且无法直接在移动端使用，通用性不够强。

HTMLS. 0是HTML(超文本标记语言)的第五套标准，新增了canvas标签，用以定义图形，通过脚本可

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图 1  系统架构

以对其图形进行控制。同时，HTMLS. 0也提供了WebGL特性，通过canvas标签来展现。WebGL，是一项基于OpenGL ES2. 0的、用来在网页上绘制和渲染复杂三维图形(3D图形)，并允许用户与之进行交互的技术，它结合了HTMLS. 0和Javaseript，允许开发者在网页( Web页面)上创建和渲染三维图形，可通过着色器编程语言(GLSLES)实现GPU编程。目前，被Chrome, Firefox，Safari, Opera等浏览器支持，IE11以后的版本也支持WebGL。采用WebGL技术可实现水利工程BIM模型在Web端进行加载展示，结合Web开发构建BIM技术的Web应用，可以大幅度节省使用者的硬件及软件投入成本，另一方面，无需安装客户端即可运行，可运行于PC端、移动端的浏览器上，这对BIM技术在水利工程全生命周期推广应用极为有利。

式数据。BIM设计文件需要经过格式转换、轻量化处理后进行存储，须方便数据访问层进行访问。

1. 1. 1 BIM模型文件转换

模型文件转换主要完成三方面工作:

  (1)将设计原始文件转换成平台适用的文件格式，如stl, obj, json, fbx等。其中stl,  obj文件包含了几何图形信息，无法表达材质信息，obj文件配合 mtl文件可实现模型及材质文件同时导入，json, fbx格式可以保存几何属性信息及材质信息。

 (2)几何唯一性表达，对不同构件生成与其一一对应的ID，通过ID将唯一确定该构件。

 (3)数据压缩与加密，压缩后的数据可大大减少网络传输时间，加密可以保证数据安全。1. 1. 2 BIM模型轻量化处理

由于模型数据量大，直接加载会拖慢浏览器端显示效率甚至造成浏览器崩溃，因此必须对模型文件进行轻量化操作。轻量化主要手段包括

综上所述，构建水利工程BIM技术数据管理及应用平台，对于推广BIM技术在水利工程全生命周期应用非常必要，通过Web技术实现在经济上是合理、在技术上是可行的。

1、技术路线

构建基于Web技术的水利工程BIM数据管理及应用平台，可将整个业务应用分为三层，即表示层、业务逻辑层、数据访问层，如图1所示。 工作模式如下:表示层主要完成与用户进行交互，采用WebGL及Javascript技术完成BIM模型的展示及交互、BIM应用业务的交互，并将用户请求传递给业务逻辑层;业务逻辑需完成用户权限控制、接收表示层的请求以及对用户请求合法性校验，并负责处理业务请求，然后以数据访问请求的形式

传递给数据访问层;数据访问层运行在服务器端，接收业务逻辑层的数据访问请求，负责完成对数

据库的访问，并将访问结果反馈给业务逻辑层，由业务逻辑层反馈给表示层，表示层将请求结果呈现给用户。

1. 1数据及数据访问层数据包括BIM数据库及业务数据库中的数据，以及文档、图片等其他形

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LOD、场景空间八叉树划分、增量绘制、绘制对象内存池、图元合并等。其中，LOD，即多重细节层次，可在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型。与原模型相比，每个模型均保留了一定层次的细节。在实时图像通信、交互式可视化、虚拟现实、地形表示等领域都得到了应用，VR版的谷歌地球采用了LOD技术。

通过轻量化处理，模型数据量减小，大幅提高了网络传输效率和Web端的显示效率。

1. 1. 3数据库建设与维护

BIM业务应用离不开数据库的支持。通过数据库，一方面能够完成对用户进行分类管理、权限控制，以及对工程信息、模型构件信息、建设阶段及运行维护阶段

(1)通过ThreeJS引擎构建场景并加载模型，如果是通过stl, obj格式加载几何模型信息缺少材质信息，可通过ThreeJS库API实现贴材质。

 (2) Web前端UI设计，主要完成界面设计、需熟悉前端开发的人员完成，需具备html, 

的信息进行存储、管理;另一方面，可方便地对数据进行增、删、改、查操作，以及对数据维护。

1. 1. 4数据访问层

采用Web技术，须搭建服务器，通过服务器端对数据进行访问。所有客户请求首

先送到A-padre服务器，如果是静态文本则由apache解析，如果是动态请求，如jsp,Apache会将解析工作交给tomcat进行解析，tomcat解析完成后结果仍通过Apache返回给浏览器端，这样可以达到分工合作，实现荷载均衡，提高系统性能的目的。服务器端语言可以选择psp、jsp, asp等，可实现数据访问层功能。

1. 2业务逻辑层

业务逻辑层，在完成对用户请求进行校验、对业务需求进行处理的同时需对用户权限进行控制，以实现可根据用户权限进行不同响应，使得用户获得对自身角色

CSS,Javascript的基本知识，这部分采用前端设计UI框架提升效率。

(3) BIM模型交互设计，主要完成特定的模型交互需求，如模型平移、旋转等基本操作，以及剪切、测量等工程需求。

(4) BIM业务交互设计，需结合具体的BIM应用需求，对前端页面进行定制，并将请求发送到业务逻辑层。

2、关键技术研究

2. 1 Web三维场景构建及模型加载

采用ThreeJS引擎将模型加载到网页，需要三个组件:场景、相机、渲染器，缺一不可。其中，相机相当于用户的眼睛，通过对其控制来实现移动、旋转等基本操作，可实现模拟第一人称视角进行漫游。

 ThreeJS中包括四种相机:透视相机Perspec-tiveCamera、正交投影相机OrthographicCamera、全景相机CuheCamera和3D相机StereoCamera。其中，透视相机最接近自然的视图，满足近大远小

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渲染器包括WehGLRende:和CanvasRender。其中WehGLRende:使用WehGL来渲染图形，速度较J决，但是有些浏览器不支持;CanvasRender浏览器支持性好，使用canvas2d来渲染图形，渲染速度差一些，主要用来渲染2D图形。BIM模型加载使用WehGLRender 。

在引入three.js库之后，可以调用three.js提供的API函数生成三大组件，这里采用Perspec-tiveCamera和WehGLRender。

其中，PerspectiveCamera四个

2. 5测量功能实现

常用的测量功能包括距离测量和高程测量，根据鼠标在模型上点击点的坐标来计算两点之间距离或者某点的高程，ThreeJS并没有提供相应工具，需根据需求来定制开发。实现该功能主要步骤如下：①给<canvas>组件添加鼠标监听事件；②判断是否为左键按下，

参数分别代表垂直方向观察角度、视窗的宽高比、最近视角、最远视角。onGrogess和onError为加载ohj文件过程中以及加载出错时的回调函数，如果加载成功则将模型添加到场景中。

2. 2模型简单交互实现

要实现鼠标和模型互动，让模型动起来，可通过给模型添加ThreeJS的OrhitControl控制器实现模型的平移、转动等操作。在引入OrhitControls. js文件后，可通过代码添加。

2. 3选择功能实现

通过以上两步己经可以将ohj模型加载如场景并使场景动起来，但是并不支持模型选择。实现选择功能，需要开发者自己实现，通过Javascript和ThreeJS配合完成。实现流程如图2所示。

定义模型选中后状态的原理是，在原模型位置上生成新的模型并赋予新的材质，然后添加到场景中。

如果是继续下一步，否则直接退出；;③鼠标点击坐标转换为屏幕坐标；④判断是否与模型相交，如果是继续下一步，否则退出;⑤记录交点坐标；⑥根据坐标信息可获取高程信息，或者计算两点间的距离，从而完成高程测量与距离测量。该部分流程与选中功能实现雷同。

3、典型功能实现

某水利工程采用CATIA进行BIM设计，以设计成果，即CATPart文件为BIM模型，构建了基于Web技术的BIM数据管理及应用平台。采用A-padre + Tomcat搭建了后台服务器，服务器端采用p帅处理客户端请求，数据库采用MySQL，Web前端使用了jQuery库、bootstrapUI框架。将模型转换为stl格式文件加载到场景中，赋予基本材质，并生成了水面效果。完成BIM模型交互功能包括:模型选中、右键菜单、BIM信息查询、剪切盒子、剪切面、测量距离、测量高程。

另外，实现了捕捉功能，可实现距

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图2  选中功能实现流程

文/吉林省水利水电勘测设计研究院、长江水利委员会长江科学院、河海大学（刘金岩、刘云峰、李浩、赵萍、尹笋）

基于BIM和GIS的数据集成在水利工程中的应用框架

4、总结及展望

WebGL技术解决了BIM模型在浏览器端的展示问题，配合前端开发技术及数据库技术，能够应对从简单到复杂的BIM模型交互需求及BIM业务应用需求，通过模型格式转换及数据轻量化处理可以解决远程数据传输效率问题。构建基于Web技术的水利工程BIM数据管理及应用平台，既能保护BIM原始模型数据的安全，同时将BIM模型信息进行展示，又降低了在施工及运行维护阶段推广BIM应用的软件及硬件投入成本，管理部门及政府监管部门的都是BIM技术的受益者，这必将推动BIM技术在水利工程全生命周期推广应用。

GIS ( Geographic InformationS ystem)是一种特定的空间信息系统。在计算机系统(包括硬件和软件)的支持下，它采集整个地球表层或者部分空间中的地理数据，然后可以进行分析、运算、显示和管理，以及存储数据和描述数据。近年来随着信息技术的发展，作为新兴的技术与学科，GIS被广泛应用于各行各业包括水利工程行业，并取得了惊人的发展。BIM (BuildingInformation Modeling)技术是从传统的2D设计向3D数字化建筑设计转变的重要技术，它是以CAD技术作为基础发展起来的。目前，中国的水利建筑行业处在一个转型时代，从传统向现代科技进行转变。随着信息化的发展，2015年水利部正式提出为了促进水利现代

摘要:为促进BIM技术在水利工程的应用，解决BIM和GIS集成的数据转换问题，基于对BIM的数据特征、IFC格式数据的结构层次、GIS系统的CityGML数据格式以及CityGML中语义信息和几何信息的细节层次结构进行详细分析的基础上，总结了BIM和GIS集成时IFC和CityGML数据转换中存在的几个障碍。基于此，提出了可以实现BIM和GIS集成的IFC和CityGML数据转换框架。并探讨了BIM和GIS集成系统在水利工程全生命周期中的应用和前景，为水利工程各个阶段应用BIM和GIS集成系统提供有利的参考建议。

 近年来，信息技术的逐渐发展为水利工程管理提供了新的技术。

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化大力发展建设水利信息化的理念。推进水利工程信息化建设，就要结合BIM技术和GIS技术在水利工程的应用。目前许多城市，政府和企业表现出极大的兴趣在构

建虚拟三维城市、建筑和基础设施(包括水利工程)的模型。欲要实现许多3D模型的结合，需要解决BIM和GIS的3D模型整合问题，最终在同一个3D模型上显示空间和地理信息。但是，BIM和GIS的集成方面，目前还存在诸多问题。

BIM和GIS是采用不同的数据格式，因此首先要解决不同数据格式中的数据转换问题。IFC(Industry Foundation Classes，工业基础分类)作为BIM模型中一个关键且规范的数据交换标准，使得BIM中大量软件的数据交换成为可能。例如Archicad, AutoCAD和Bentley MicroStationo GIS系统使用的是

BIM也表示了逻辑结构且很好地解释了建筑物体的空间性，并可以实现可视化。因此，促进利益相关者信息共享对于BIM是一个很重要的技术，同时给予项目管理者更好的决策指导，包括建筑工程和水利工程项目。BIM包含的丰富信息使得BIM能够为水利工程的应用提供了坚实的基础。

1.1 BIM的数据特征对于BIM和GIS的集成问题，首先要分析清楚BIM的数据特征，以便于解决后续的数据转换问题。

（1）面向对象。BIM系统主要是面向对象开发的方式，便于通过模型导航和跟踪流程。

（2）数据丰富和数据综合全面。BIM可以覆盖建筑物的物理特性和功能特性，包含丰富的数据和综合全面的信息。

（3）空间关系。BIM能使建筑的各个构件的空间关系在一个层次结构方式里表示出来。

（4）语义丰富。BIM在建筑结

CityGML格式。在过去的几年里，有人尝试在建筑和交通基础设施实现BIM和GIS的集成，而在水利工程中的应用尚为空自。因此本文试图解决两个数据格式的交换问题，实现水利工程3D模型中的BIM模型和GIS模型的交互，为水利工程的建设和运营过程提供良好的模型基础。

1、BIM和GIS的数据特征

3D技术作为BIM的基础，使得BIM技术能够集成项目全生命周期内的各个阶段不同类型的信息，比如建筑构件的几何形状，结构的材料等，从而建认项目功能和实体一体化的数字化模型。此3D模型还可以整合项目全生命周期内的全部建造信息，包括设计阶段，施工阶段和运维阶段，从而方便项目管理。

BIM模型中包含了建筑的几何信息和语义信息。BIM也被定义为一个数字表示的建筑的物理特征和功能特征，以及建筑的环境。同时

构和空间关系卜包含了大量的细节和语义信息。

（5）支持视图生成。BIM通常有不同的视图基于用户的需求。这些视图可以基于信息模型生成，并且可以聚合成更大的模型。

1.2 BIM的数据标准格式IFC

IFC是被用来表示建筑行业的基础分类。1995年，欧洲研究计划同意使用IFC代表建筑行业特定的分类图。这些图表通常表示空间对象的图形及其关系的逻辑视图系统规范。它是一组实体及其关系，代表了一个复杂的数据模式。IFC定义了数据元素，并表示建筑的各个部分及空间关系。此外，还包含了关于空间扩展部分的相关信息。

IFC的模式结构具有4个层次结构。每一个层次都有一个概念层作为一个个体模式，并被定义为模式化的结构。这些层次如图6所示。

1.3 GIS

基于GIS技术，可以在3D模型中表达水工建筑物的环境信息。但是这

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里存在两个关键的问题:一是需要考虑水工建筑物先进的几何信息模型，第二是需要解决水工建筑物的建筑模型和所在区域空间环境模型的整合规则和框架。1.4 GIS的数据标准CityGML

随着一个开放标准的广泛需求，CityGML诞生了。CityGML被开发成一个共同的语义信息模型，代表不同的三维城市和地理对象，并且他们之间共享不同的应用程序。CityGML是一个基于XML格式的开放数据标准。它可以被用来存储、交换虚拟的3D物体和城市模型在一些应用程序

图3  IFC结构层次

上。CityGML可以表示图形外观和标准分类，也可以表示城市和区域里具有相关性的地形物体的关系。它不仅可以表示城市中的建筑结构，也可以表示高程、植被、水体和更多的物理对象。因此，CityGML可以实现复杂的分析，重复的任务，支持决策和主题查询。

CityGML被设计在5个不同的细节层次(Levelof Detail, LOD，以下简称LOD)里面，在被用于表示水利模型物体时候，可根据不同的要求给出不同的细节层次的应用模型。

LODO拥有最少的细节，被用来表示大的或者比较少细节的物体，类似于数字地理模型。LOD1通常被用来表示建筑的块状模型。LOD2展现了不同结构的差异，比如屋顶、表面、材料和植被。LOD3考虑了建筑层面，它通过表示纹理来包括更多的建筑和物体的细节，比如墙、屋顶结构、

门、窗和阳台等。LOD4添加了更多的细节去链接外部设计和内部设计。它表达了房间、分区、室内门、楼梯、家具、电量单位、通风设备和装饰部件等。

2、IFC和CityGML的数据整合

因为不同的可视化需求，以及水利工程的计划、建造、3D模拟等需求，人们需要将外部应用和内部应用进行有机的结合。基础设施(包括水利工程)和建筑工程中BIM和GIS的结合已经成为建筑和环境应用结合的核心。对于BIM和GIS的结合，需要开发语言模型去表示空间物体和建筑元素。IFC和CityGML是两个很好的例子，能够基于这两个数据格式建认内部的语义模型(建筑或水工建筑物)和外部的语义模型(水工建筑物周围的环境)。一些研究表明可以整合两者之间的数据交换，但是目前缺乏一个完整的关于信息自动转换的描述性框架。

GIS的模型不同于BIM模型，它是基于语义概念卜的表示建筑环境应用的空间的物体由于建筑元素在语义模型卜的要求，不同的BIM模式已经包含了几何模型信息和语义模型信息。这些模型在BIM和GIS领域内包含几何和语义的表示，并且基于物体的概念数据结构。但是，整合BIM模型和GIS模型，实现数据从一个模型转到其他存在的模型里不是一件容易的事，存在以下障碍:

（1）不同领域的问题。BIM模型和GIS模型是由不同领域的人完成的。其设计者来自于不同的领域和专业背景。这两个领域内存在技术障碍，同时也使得在应用的过程，两个标准不能自动转换。

（2）设计BIM模型的软件问题。如果大多数BIM模型是在设计阶段完成的，那它存在比较好的整合状态。但是大多数的建筑没有完整的

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BIM模型，比如国内的一些水利工程项目是在很多年以前建设的，目前为止还没有它的BIM模型，这就使得既有建筑水工建筑物的模型比较困难。

（3）设计BIM模型依据的文件存在问题。在国内，大多数的BIM模型都是来自于CAD图纸。这样使得BIM模型缺乏物体定义，即缺少大量的语义信息。在整合BIM和GIS的时候，一个语义丰富的BIM模式是十分重要的。

（4）细节层次(LOD)的问题。通常情况下，不同的空间物体表达是根据不同的LOD层次。较低层次的LOD表示区域层次，较高层次的LOD表示建筑物的细节和设备。GIS模型考虑的是在项目层面的信息，而BIM模型考虑的是一个水工建筑物的细节部分。即使实现了数据的自动相互转换，转换也是相对比较耗费时间的。

这些数据通常以X3D，DXF , KML和COLLADA的格式存储，这个格式是被用来创建可视化模型的。需要解决的问题是通过空间文本信息整合语义数据。在这个过程中，需要创建空间语义模型去链接几何构件和语义构件。并且CityGML被用来作为一个目标结构去表达转换过程的中间层。其中包括了3个方面去获取数据。

图4  IFC和CityGML数据转换的框架图和集成模型应用

②设置场景中材质的clippingPlanes属性;③设置渲染器的localClip-pingEnahled属性，通过clipShadows属性可设置是否剪切阴影。

（1）2D信息。通常采用摄影测量法，比如360。旋转拍照、航拍等先进的技术，获取基本的2D信息。然后根据图片和2D信息进行3D几何重建，比如说根据2D图纸去绘制3D的BIM模型。

（5）大地参考系统和投影系统的问题。BIM模型在设计初期，通常使用的是本地坐标系，而GIS通常使用的是大地坐标系。这个问题在数据转换时需要考虑进去。

（6）BIM模型的复杂程度。BIM模型的一些复杂的参数化形状，比较难转换到GIS系统中显示出来。比如BIM模型中的不同管道之间的链接点，如果涉及到比较复杂的设计和参数，可能在转换过程中丢失数据，因此，两者数据转换需要考虑到这一点。

2.2 3D模型数据转换框架

基于卜述数据转换之间存在的障碍，本文提出一个解决BIM模型和GIS模型转换时语义信息和几何信息可以一一对应的框架，从而可以很好地解决两个不同数据标准IFC和CityGML之间的数据转换问题。这个框架下的数据转换包含两个步骤，如图4所示。

第一步:水工建筑物的3D图形和数据，以及区域的信息收集来自于不同的渠道。

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（2）3D信息。通常采用激光扫描(laserscanning)和地面测量(全站仪测量等)，获取3D的信息，直接用于3D模型的绘制。

（3）3D设计。目前有Autodesk公司的Revit可以直接进行3D的模型绘制，直观方便。

未建立的2D几何图形需要和非语义的信息转换为3D的GIS信息和3D的模型。

第二步:将创建好的CityGML转换为IFC模型。以解决CityGML和IFC数据层次的对应关系，从而实现数据模型的转换。图2的框架给出了相似的参考概念，即关于水工建筑物中语义和建筑构件的CityGML的定义和IFC的定义。

在第二步中还需要考虑大地参考系统和投影系统的问题，需要把BIM模型中的本地坐标系转换为GIS系统中的大地坐标系，这样两者方可统一。此外，BIM模型的轻量化处理也是必要的，将

BIM模型中的数据和GIS系统中的数据无缝衔接和传输。根据图5对于BIM数据和GIS数据的转换问题，信息的处理可以实现3个层面的应用:信息和模型的可视化，利用3D模型实现水利工程建筑的设计规划、运营管理，以及工程的建设计划、能源消耗和运维管理。基于此，不仅可以实现BIM模型和GIS系统的集成，也可以使得水利工程建设管理人员根据BIM和GIS的集成系统，进行水利项目的全生命周期的管理和应用。图5为水利工程建设全生命周期

图5  水利工程建设全生命周期BIM+GIS集成应用实现框架图

BIM+GIS集成应用实现框架图。

（1）项目可行性研究阶段。GIS技术能够提供丰富的数据和分析地理空间信息，从而帮助项目管理者建v.地形、地貌等数字模型。GIS不仅能够建认各种类型专业的数据地图，而且形象地展现水工建筑物与周边环境的空间关系。由于水工建筑物通常比较复杂，BIM在可行性设计阶段，可以结合GIS提供的准确的地理信息，设计模拟出场地的利用情况，为水利工程的设计模拟出多个可选择方案，为决策者提供合理的决策建议。

BIM模型的细节层次降低到和GIS的模型一致，从而加载水利工程的BIM模型到GIS系统中，准确现实模型在GIS系统的位置和信息。

对于水工建筑物的建模领域，这个数据转换框架将会实现的初始结果具有两大优势:

（1）CityGML和IFC在水工建筑物的语义层面拥有相同的概念。这个很可能使得两个系统提供一个知识数据库快速访问和查询到对应的建筑模型，包括建筑物的细节元素。

（2）这个框架支持了一个定义好的建筑环境中的用户界面。同时，CityGML也被用作一个信息丰富的语义模型。这些可以帮助在不同的3D模型之间实现无损的连接和信息交换，包括CAD , Revit和复杂的细节的IFC模型。

3、BIM和GIS集成在水利工程的应用

按照上述的IFC和CityGML相互转换数据的框架，可以顺利地实现

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（2）水利工程设计阶段。BIM用三维模型直观地、生动地表达出水工建筑物的各个细节。BIM也可以实现建筑物内部不同专业的碰撞检测功能，大大减少了设计工作量，有效地防止了施工过程的返工风险。并且BIM可以模拟建筑物内部的细节，实现设计的高效和精准。再比如水工建筑物内部的灾害逃生路线设计，都可以在BIM模型中进行仿真模拟，大大提高了设计效率。同时，GIS技术可仿真的模拟整体的洪水淹没情景并分析，进一步提供相应的设计数据。不仅如此，BIM还为业主展示3D可视化，提前查看施工后的3D渲染模型。BIM和GIS的整合，为不同设计专业人员之间的合作提供桥梁，使得设计准确，参数精确，也为后期的运营维护提供了良好的基础。

（3）施工阶段的场地布置。水利工程项目管理者，可以采用

的空间信息以及地理信息。BIM包含了水利机电设备、闸门、通信信号设备等静态信息，为维护管理提供了准确详细的信息。GIS和BIM还可以分析动态信息，例如项目管理者可以监控设备的运营是否安全，在3D模型的情况下，可以清楚的显示各个控件的运营情况。再结合BIM模型对于水工建筑物内部构造的几何信息和非几何的属性信息的分析和管理应用，更大地发挥BIM模型在水利工程的运营阶段发货很大的作用。

4、结语

建认水利工程的BIM 3D模型，可以对工程建造中的成本、质量、进度和安全进行精细化控制。GIS可以提供地理环境、空间地理信息、水文等数据。GIS技术在水利工程中的应用已经相对成熟，但是BIM技术只是刚刚起步。推进水利工程建设的信息化程度，融合以卜两种信息技术是关键。因此，本文分

BIM技术和GIS技术，同时考虑水利工程项目场地的有利条件，预测水工建筑物的结构选型，选择最优的水利工程场地。不仅可以保证项目结构设计能够符合当地水文、地质和气候条件，而且保证了项目施工过程中的安全性，项目结构的稳定性，从而增加项目顺利实施的可能性。

（4）施工质量和安全控制。基于BIM和GIS集成的模型，可以实施全程工程监控和报警预警系统，准确定位各个施工细节和预测未来的可能性。在水利工程建设过程，帷幕灌浆是水利工程地基防渗处理的主要手段，BIM技术使得工程的施工质量控制更加高效。施工阶段还可以4D进度设计和管控，能够良好的控制施工进度。

（5）工程后期的运维管理。施工结束后，为业主提供无纸化电子的模型交付。GIS具有对于水工建筑物周围环境和地理信息的整体性功能，它可以实现覆盖整个河流区域

别对BIM和GIS技术的数据特征进行分析，对各自的数据格式IFC和CityGML进行几何信息和语义信息的层次结构进行分析。不仅总结了集成BIM和GIS过程中数据转换存在的障碍，还提出了可以实现BIM和GIS集成的IFC和CityGML数据转换框架。以期为水利工程建设中BIM和GIS的集成系统提供参考建议，促进水利工程建设发展。

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摘要：伴随全球制造业迈向工业4.0的步伐，建筑信息模型（BIM）正引领着建设行业的第二次革命，然而工程技术人员对BIM在水利工程中的应用情况及现存障碍尚认识不足。结合BIM技术在国内水利工程中的应用情况，对阿海水电站、南水北调中线工程等典型工程BIM应用情况进行比较分析，并对国内水利工程中应用的主流BIM软件进行分析，探讨BIM在国内水利工程中的主要应用障碍，从政策环境、技术环境、行业环境3个面为BIM的推广应用提出，相关对策与建议。

水利工程是我国国民经济和社会发展的重要物质基础。其在防洪、减灾等方面对国民经济的发

我国水利工程中BIM应用现状及障碍研究

文/西南科技大学土木工程与建筑学院（王明明、姚勇、陈代果）

术的引入、模式的改革势在必行。BIM(BuildingInformationModeling)是建设行业一种新的理念和技术。其思想源于20世纪70年代，由美国佐治亚理工大学教授ChuckEastman教授提出。美国国家BIM标准将BIM定义为：“设施物理和功能特性的数字化表达”。

自2002年BIM概念进入中国以来，对BIM的应用及研究得到了快速发展，除了在建筑工程领域的应用，BIM技术也已应用于公路、桥梁、地铁、水利等工程项目中。BIM技术应用于水利工程领域后，被业内称为水利工程信息模型(HydroBIM)或水利水电工程图形信息模型(HPIM，HydropowerProjectInformationModeling)。我国BIM技术的发展仍处于初级阶段，在水利工程中的推广程度更是不够。基于此，本文对BIM技术在我

展做出了重大的贡献，同时在发电、灌溉、生态等方面发挥着巨大作用。水利工程项目规模大、难度高、周期长，且大部分项目位于深山峡谷之中，地形地质条件复杂、空间有限；同时，项目施工作业涉及多专业、多环节、多利益方。这些都给项目的施工组织管理和施工过程的动态控制，带来了极大的挑战。据国家发改委报道，2016年我国在建的重大水利工程投资规模保持在8000亿元以上。然而目前传统的水利工程设计、施工、运维阶段的运作流程及管理模式存在缺陷，使水利工程行业生产效率的提高受到了很大的限制。另外，水利工程在全生命周期内设计效率低、各阶段信息流失严重、信息共享管理水平低等问题，已使传统管理模式无法适应客户及行业需求，新技

国水利工程中的应用现状及障碍进行了调查研究，并提出了应对建议。

1、我国水利工程领域BIM应用现状

BIM是一项全新的理念和技术，必将成为全球建设行业未来的潮流。在欧美等发达国家，应用BIM项目的数量已经超过传统项目的数量。而我国起步较晚，当前的BIM应用率尚不高。我国水利工程行业BIM技术的应用以设计阶段为主，而在施工阶段的应用鲜有报道，在运营阶段应用BIM技术更是无从谈起。所以，BIM技术在水利工程中的研究和探索势在必行且任重道远。

1.1 BIM在国内水利工程典型项目中的应用分析

McGraw-Hill公司将BIM定义为：“创建并利用数字模型对项目进行设计、建造及运营管理的过程”。BIM技术的应用可以有效解决建设项目各阶段及阶段之间信息传递损失、沟通不畅等问题。我国对于BIM的研究及应用起步较晚，尚处

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于起步阶段，可查的水利工程BIM应用项目较少。现将近年来水利工程中应用BIM技术的典型案例汇总，如表1所示。水利工程具有体型大、周期长、参与方众多、多专业协作、结构复杂、多地下工程等特点，BIM技术在水利工程中的应用可以发挥其最大价值和效益，解决周期长及参与方众多造成的信息传递损失、参与方多带来的协调工作量大等问题。BIM技术在水利工程设计阶段的应用已初见成效，在施工过程的动态演示及信息查询方面

去不复返了”。当前，BIM软件以国外开发的软件为主流，国产BIM软件非常稀少，国内工程也主要应用国外的BIM软件。但是，国外软件不能完全符合中国的国情、使用习惯及规范，同时也给信息安全带来了隐患。下面分析国内市场上较有影响力的BIM软件，并介绍其在水利工程领域中的应用情况，从而更深层次地了解BIM在水利工程中的应用。

（1）Autodesk系列。2002年，Autodesk公司收购Revit公司后，提出了BuildingInformationModeling(建筑信息模型)这一术语，旨在实现全方位“建筑工

程生命周期管理”。Autodesk公司的AutodeskCAD软件在过去30余年中，已被建

筑工程技术人员接受并应用于工程实践中，其BIM解决方案所包含的软件符合CAD的使用习惯，易被工程人员接受。

图6为Autodesk产品在水利工

图 6   Autodesk产品在水利工程

设计阶段的使用及其对应专业

程设计阶段的使用及其对应专业。设计阶段的水力参数、结构计算由其他专业软件辅助完成，施工进度管理中常配合P3、MicrosoftProject实现。中国水电顾问集团下属的北京院和昆明院均引进了Autodesk的BIM产品。

（2）Bentley系列。Bentley产品在工厂设计和基础设施领域有无可争辩的优势。中国电建集团华东设计院自2004年已引入Bentley产品，已在30余项大型工程中全面使用。

（3）Dassault系列。达索公司为建筑行业提供了全流程BIM解决方案，涵盖建筑行业所涉及的项目全生命周期，可满足用户在各个阶段对BIM数据的处理需求。如：

也有所进展，同时也存在诸多问题。

1.2 BIM在水利工程中的应用软件分析

理论和技术的应用都需要依赖于一定的工具。软件正是保证BIM技术得到推广应用的不可或缺的工具。BIM在水利工程中的应用涉及不同的参与方、不同的专业和不同的阶段，会涉及众多的软件，绝不是一个或一类软件可以解决的。美国BuildingSMART联盟主席DanaK.Smitnz断言：“依靠一个软件解决所有问题的时代已经一

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均引入达索系列产品来实现三维协同设计。（4）Nemetschek系列。Nemetschek公司自2007年收购Graphisoft之后， ArchiCAD/AllPLAN/VectorWorks三个产品都被归到同一公司旗下。 ArchiCAD早已被国内 工程设计人员熟悉，但其仅限用于建筑专业；AllPLAN主要市场在德语区，VectorWorks是其在美国市场使用的产品名称。目前尚无报道国内的水利工程中应用该系列产品。 

综上所述，BIM软件众多，但适用于国内水利工程领域的BIM软

件尚不完善，亦不系统，国外软件的本地化程度较低，不能适应国内行业规范及工程人员的使用习惯。水利工程中的应用仅处于设计阶段，尚未实现水利工程信息化的全阶段贯通；在设计阶段“计算分析”、“规范检查”环节仍出现了“信息孤岛”现象。所以，如何统筹管理，实现BIM在水利工程各阶段、各专业间的协同应用，是未来研究的重点。

2、 BIM在国内水利工程中应用障碍分析

结合水利工程项目案例和已用BIM软件的分析，BIM在水利工程行业的应用主要存在以下障碍。

（1）水利工程行业BIM技术应用的政策环境不成熟。从都江堰工程2000多年的历史可见，水利工程是历史悠久的传统工程领域，水利工程领域技术的发展、更新较慢。尤其是在施工阶段，施工工艺传统、工程技术人员习惯于传统思维、施工效率低。我国水利工程行

素导致水利工程行业BIM推广并应用的技术环境不成熟。

（3）水利工程行业BIM技术应用的行业环境不成熟。当前国内已有部分水利设计院采用BIM技术进行项目设计，但大多处于初始和探索阶段，技术熟练度不高、项目数量有限，致使BIM技术应用的投资收益得不到准确的统计；且行业内对BIM的应用价值尚无准确评估。当前，水利工程行业BIM技术主要用于设计阶段，施工阶段的BIM应用较少，且缺乏施工阶段BIM技术的应用模式；BIM技术初期投入费用高、人才短缺、培训难度大、应用前期工作效率低，制约了BIM技术在水利工程行业的推广及应用。因此，水利工程行业BIM技术应用的行业环境尚不成熟。

3、BIM在水利工程中推广应用的建议

自2002年BIM引入我国以来，尽管国内BIM技术得到了迅速发展，在水利工程领域也有了较好的推广和

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受BIM、学习并应用BIM。

（2）技术环境方面。政府和行业协会可鼓励企业、高校、科研院所对目前使用的BIM软件进行二次开发，以适应国内水利行业的规范及工程技术人员的使用习惯，并鼓励研发我国自主品牌的BIM软硬件产品；可借鉴国外将模型“化整为零”的思路，探索将水利工程模型“化整为零”的技术路线，以降低对计算机硬件的要求。水利主管部门可督促企业、协会、高校探索适合国内水利工程领域BIM应用的合同模式及索赔方案等。

（3）行业环境方面。行业协会可收集较为完整的水利工程BIM案例，评估BIM应用价值，通过政府、行业协会、高校、科研院所在行业内进行宣传、推广，以消除工程人员的顾虑并激发他们对BIM的兴趣，让更多的从业人员认识并接受BIM技术；高校可借鉴国外BIM课程，结合国内项目案例，开设BIM相关课程，为行业储备后续

BIM人才；水利工程的建设单位可在招标中强制要求施工阶段应用BIM技术，以促使施工单位人员学习BIM技术，促进BIM技术在水利工程施工阶段的应用。

4、结语

近年，BIM技术在国内得到了快速发展，建筑业相关人员及企业、高校、科研院所对BIM都做了大量的研究和探索。但是，BIM技术的应用仍然处于初级阶段，尤其在水利工程领域，有大量需要解决的技术和管理问题。RandyDeutsch曾经说“BIM是10%的技术问题加上90%的社会文化问题”。目前大量的研究集中在技术问题层面，因此在后面的研究中，除了技术层面的研究外，更应该结合中国的文化习俗，对BIM技术在水利工程中的应用模式、合同模式等工程管理学方面的问题进行研究和探索。

BIM技术在大型复杂项目、地下空间项目、体型奇异项目中的应用更能发挥其潜在价值，而水利工程项目正符合这类特征；且水利工程运行周期通常达百年，能够体现BIM在运营阶段的价值，所以，BIM技术在水利工程领域的推广、应用将带来巨大的价值，市场前景广阔。

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摘要：水利工程具有地形条件复杂、设计选型独特、涉及专业广等特点，存在图纸信息繁冗、工程枢纽布置复杂、土方量计算不精确的问题，针对这些问题提出构建水利工程信息模型的方法，通过绘制水利工程的地形以及水工建筑物BIM模型，完整实现水利工程仿真信息的数字化查询，并结合多款BIM软件协同完成水利工程的枢纽布置、土方量计算。以洪都拉斯帕图卡Ⅲ水电站项目工程为例，介绍了BIM技术在该水利工程中的应用点，可为水利工程建设管理提供参考。

目前，BIM技术的应用越来越广泛，成为建筑业许多课题的支撑。MYalcinkaya通过应用LatentSemanticAnalysis（LSA）的方法，分析975篇和BIM有

文/华北水利水电大学水利学院（孙少楠、张慧君）

BIM技术在水利工程中的应用研究

关的学术论文摘要，指出了现阶段BIM研究的模式和趋势；LVBerlo通过案例介绍了基于BIM技术的项目中心服务器的创建及BIM数据的共享；张建平等自主研发了建筑工程施工BIM建模系统和基于BIM的4D施工项目管理系列软件；何关培通过对几种可能技术路线的分析，提出了建筑施工企业BIM技术路线在BIM应用不同成熟阶段的发展走向。这些研究对建筑工程有一定的指导意义，但是水利工程和建筑工程的特点有所不同，前者的研究成果并不完全适用于水利工程。水利工程设计选型独特，CAD设计图纸信息繁多，需要专业人员解析才能获得工程三维形态，且图纸修改过程复杂，设计人员协同困难，使得设计周期增长，设计质量难以控制，BIM作为一种集成建筑

完整数字化信息的三维框架，能够实现水利工程可视化查询和设计的关联修改。水利工程施工技术复杂，施工人员整体素质较低，工程质量难以保证，运用BIM技术对关键节点进行施工放样，能有效指导现场工人科学有序施工，从而提高工程质量，减少返工，缩短工期，便于施工交底和后期的运营管理。再者，水利工程地形条件复杂，在施工前期需要大量的挖、填土方，土方量计算是否精确关系到水利工程最终造价是否准确。运用BIM技术对水利工程进行地形和相关建筑物的建模，实现水工建筑物可视化查询和关键节点质量控制、简化施工总布置优选过程，同时，在此过程中完成快速精确计算土方量，使工程管理与信息技术高度融合，对于提高水利工程信息化率，方便后期运行管理具有重要意义。

1 、BIM模型的构建

BIM模型的构建是运用BIM技术对建设项目进行信息管理的前提，本文为了实现水利工程项目完整的数字化查询，对项目的地形和水工建筑物分别进行BIM模型的构建。

1.1 地形BIM模型的构建 

地形模型是描述工程施工总布置的基础，是所有建筑物及施工活动的场所，也是地形开挖的受体，本文采用BIM建模软件实现水利工程项目地形的建模。首先，对原始数据资料进行分析，对河道地形等高线仔细检查，修改有问题的等高线（以免最后生成的地形模型与实际产生偏差），然后根据检查后的等高线创建曲面。曲面创建主要使用不规则三角网（TIN）来描述，三角网是由组成曲面三角剖分的三角形组成，通过对某高程点所在三角形的顶点高程进行高程值的内插计算得到的就是曲面高程，这种曲面是缺省的曲面，适用于由不规则分布的采样数据得到的多变复杂的曲

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面，能充分表现地形的高低起伏变化。再对曲面上高程过高或者过低的错误点进行修改，最终生成所需要的地形模型。对修改好的地形再次进行分析修改，最终形成符合工程实际的地形。

1.2 水利工程建筑物BIM模型的构建

建立一个真实描述工程设计的数字信息模型，是实现可视化仿真技术的基础。水利工程与普通建筑工程不同的特点，其建模顺序、方法、要求也有所不同，目前一些地方相关部门对于建筑工程运用BIM技术出台了相关规定，但还没有针对水利工程相关规定，本文针对水利工程的构建BIM模型的步骤如下：

（1）根据BIM技术主导方的需要确定模型应用阶段，进而确定建模精度。建筑工程的模型精度等级分为LOD100~LOD500，见表1。水利工程模型精度划分还未有详细界定，可以参照建筑项

目BIM模型精度划分。BIM模型精细度越高，包含参数信息越多，花费人力、时间越多，同时，受制于现阶段BIM技术水平，综合考虑水利工程受气候影响大、工期长的特点，研究中模型等级多以LOD300为准。施工图阶段设计信息详细，可根据设计信息完成水利工程设计地形、建筑工程、施工临时工程和关键节点的建模，为设计碰撞、进度管理、技术交底等提供参考。后期的信息化管理也可在该精度基础上进一步完善。

（2）了解工程概况，搜集各专业完善的CAD图纸，认真阅读设计总说明，了解工程建设具体要求。

（3）进行人员分工，各自做好项目分解。水工建筑物的型式、构造和尺寸，与建筑物所在地的地形、地质、水文等条件密切相关，设计选型独特，各构件不具有通用性。构件在BIM建模过程中称为“族”，通过建模的实验证明，水利工程BIM建模应以族为单位建立各构

件，最后将各构件进行拼装形成完整的水工建筑物模型。因此，水利工程建模工作开始之前，首先要对水工建筑物以可划分为族的构件为单位进行项目分解。由于BIM软件本身的限制，在对建筑物进行族的划分时，应尽量分解到最小单元，方便后期施工模拟的进行。

（4）对于模型进行图形管理和信息管理。图形管理主要包括模型配色和线型要求，模型信息管理主要包括模型的几何信息和非几何信息，几何信息包括形状、尺寸、坐标等。非几何信息包括项目参数、设备参数、生产厂家、成本价格、运维信息等。项目各阶段模型应

包括的信息如表2所示。

（5）采用BIM软件，结合各专业图纸严格按照设计构建BIM模型，在建模过程中发现的图纸问题，要对图号、轴网等进行详细记录。经相关单位同意后，对原设计错漏问题进行修改的，修改前后模型都应保留。

（6）BIM模型质量审核。BIM模型建成以后，要进行质量审核。审核内容包括：模型是否达到最初设定的建模标准；构件定位是否准确；关键节点是否与图纸一致等。

2、BIM模型的应用

2.1 基于地形BIM模型的土方量计算

水利工程建设中的土方量测量与计算是工程施工各项环节的重要依

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两个空间三维曲面会产生交点并连接成线，交线即原始地形曲面与施工设计曲面的交汇线，所包围的空间体积即为需要开挖或者填筑的土方量进而生成体积曲面。基于BIM技术的原始地形曲面和设计地形曲面是动态关联的，在方案选择阶段可在模型基础上快速进行土方的开挖和填筑实验，准确计算土方的开挖和填筑量，从而选出最佳土方开挖方案。

2.2 水工建筑物BIM模型的应用

2.2.1 基于水工建筑物BIM模型的枢纽布置

水利工程枢纽布置的任务是确定各建筑物在平面和高程上的布置。水利工程的枢纽布置直接影

66%，减少50%~70%的信息请求，缩短5%～10%的施工周期，减少20%~25%的各专业协调时间。项目比选阶段的案可视化也能够使项目参建者迅速把握关键项目控制点，确定施工重难点，分析资源配置合理性，为后续的施工组织设计优化调整提供决策支持，能为水利工程的施工组织设计及宏观决策提供有效的分析依据。

2.2.2 BIM模型信息的应用

一个建筑信息模型是一个单一的、完整一致的建筑信息数据库，建立完整的项目BIM数据信息，使工程构件参数化，从而实现工程项目管理信息化和技术信息化。

（1）管理信息化。建筑施工过程是一项典型的协同工作，不同专业、不同职责的施工主体之间需要进行信息共享和交流。同样，在水利工程建设与管理过程也中会产生大量信息，项目参建各方各自为政，产生信息孤岛和信息断层问题，导致信息在工程全生命周期各阶段流失严重，信息共享管理水平低，信息的使用与表达不能有效地

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洪都拉斯帕图卡Ⅲ水电站项目是中国水电建设集团公司与洪都拉斯以EPC方式合作的水电项目，该工程枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、岸边引水发电系统组成。坝基高程237.00m，坝顶高程为294.00m，坝顶宽10.00m，最大底宽61.872m，最大坝高57.00m，坝顶全长207.93m。大坝由左岸挡水坝段、河床溢流坝段、右岸底孔坝段、右岸坝身取水坝段和右岸挡水坝段组成。由于项目工期紧、建筑物布置不合理等原因，公司希望通过BIM技术进行枢纽布置的调整及工期优化，同时由于建筑物布置发生变化，对原地形开挖方案随之变化，土方量也要重新计算。

3.1 工程总承包方主导的BIM应用模式

由于BIM的核心价值体现于解决工程项目中多参与方和多专业信息交换与共享的问题，因而需要建立能够协调多参与方的应用模式。该工程采用建设项目工程总承包模式，工程总承包方的工作涉及项目实施

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在沙盘的基础上，BIM咨询方基

3.2.2 基于BIM技术的非溢流坝段混凝土工程量的提取

水利工程中混凝土工程量以成品实体方计量，初设阶段主要依据CAD图纸分部位、分强度、分级配计算，与实际工程量相差大，本工程通过BIM软件

于BIM模型形成了施工现场监控布置方案。在项目施工阶段，工程总承包方应用咨询方提供的BIM模型进行施工过程管理和工程项目综合管理，对一些关键节点反馈信息，完善模型，对现场施工进行指导。同时，对施工过程进行模拟，对实际工期与计划工期进行对比分析。在整个过程中保存各个阶段模型的更改，形成一个动态、实体、可追溯的工程项目主体变更档案，实现对项目的全方位管控。

3.2 BIM技术的具体应用

3.2.1 土方量计算

首先对原图纸详细研究，然后利用本文的方法按照设计对原地形进行处理，生成原始地形曲面与设计曲面，构成填挖土方量的体积曲面，

按照参数化族库建设—工程主体BIM模型建立—提取工程量的步骤进行工程量统计。在建好的BIM模型基础上，软件能根据模型已包含的参数信息息完成工程量的自动统计，极大地提高了工作效率和准确性。同时，在模型建立过程中，一些错漏问题已经进行修改，工程量会关联性自动修改，避免工程量反复计算。但是研究发现，对于以体积为统计单位的工程量非常精准，而以面积、质量为单位的统计信息与国内计量软件存在差异，这是由于

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国内外在这些方面的计量方式存在差异造成的，该水利工程中的混凝土工程量采用BIM软件进行统计，以非溢流坝段混凝土工程量统计为例，如图12和表5所示。

3.2.3 工程进度模拟

传统的进度管理是通过Project，P3，P6等软件来实现，专业性强，涉及的逻辑关系复杂，基于BIM技术的进度管理软件能同上述常用进度软件对接，把进度计划和施工过程结合，使复杂的进度管理过程转化成可视化的模拟视频，对施工过程进行预演，从预演中发现问题，做出分析与判断，修改完善相关的工作计划。由于该工程需要在汛期前完成碾压混凝土坝的浇筑，因此针对坝

体浇筑过程进行了进度模拟，如图13所示。

3.2.4 该工程BIM技术的应用成果

（1）通过建立BIM模型，对图纸进行详细审核，起到了深化设计的作用。同时，由于本工程是涉外工程，业主同该工程单位语言沟通不畅，BIM模型有效提高了双方沟通效率。

（2）BIM模型把复杂难懂的图纸变成了完整的沙盘模型，在此基础上发现上游围堰布置距离大坝太近，相互施工干扰较大，不利于加快施工进度，在BIM模型基础上进行围堰位置快

速任意调整，形成合理的枢纽布置。

（3）各专业模型相结合进行碰撞检查，在工程开工前提交相关报告。

（4）在大坝模型建成后，该工程单位相关人员认为闸门启闭装置设计过于简单，需要加固措施。

（5）通过关键节点的施工放样，形成施工交底文件。

（6）施工进度模拟为工程的进度管理提供了依据。

以上问题的解决，精确了工程土方量，减少了项目建设过程中的返工，有利了双方的信息交流，节约

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4、结语

水利工程建筑物选型独特，技术复杂，设计效率低，且参建各方信息共享水平低，通过引入BIM技术建立水利工程信息模型能有效解决这些问题。同时，基于BIM技术的土方量计算严密科学，方便修改，弥补了水利工程中传统土方算量方法的不足，提高了土方量计算的精度和效率，并在计算土方量的同时生成地形模型，为项目的方案决策奠定了基础。但是，水利工程BIM模型各构件现有族少，因此，构建水

图13  碾压混凝土坝浇筑过程进度模拟

利工程BIM模型时，应根据需要建立包含完整参数的构件，丰富水利工程族库，同时提高水利工程中族的重复利用率。

实例研究证明，BIM技术在大型水利工程的方案决策阶段能提供完整、可追溯的沙盘模型，对及时发现枢纽布置不合理，防止返工，缩短工期，节约成本资源具有重要意义。基于模型可生成相应的工程量及进度模拟，方便工程的投资控制和进度管理，同时也能有效提高我国水利工程信息化程度。

文/长江勘测规划设计研究有限责任公司（王宁，陈嵘，杨新军，王进丰）

基于BIM技术的水利工程三维设计研究与实现

1研究背景

BIM (Building Information Modeling，建筑信息模型)是以三维数字技术为基础并集成建筑工程项目各种相关信息的工程数字模型，是对工程项目相关信息完整的数字化表达。BIM技术的实施解决了工程信息在规划、设计、施工、运营全生命期各阶段的有效利用与管理。在设计阶段，BIM模型与传统三维设计模型相比具有可视化、协同性、参数化、模拟性

摘要:BIM技术是勘测设计行业继“甩图版”、三维设计之后又一次技术变革。在水利工程三维设计中采用BIM技术，可以提高设计质量和工作效率，从而提高勘测设计企业的技术实力和市场竞争力。简述了BIM技术在国内水利行业的发展现状，介绍并对比了主流BIM设计平台的特点。依托Revit软件平台，以某涵闸项口为例，展示了水利工程BIM三维设计的具体现实过程，并详细阐述了BIM设计成果的具体应用。相关经验可为BIM技术在水利工程设计中应用与推广提供借鉴。

和可出图性等几大优势。

近 10年来，BIM技术己经在建筑行业得到广泛的应用，住建部和各地方政府均出台了相关政策，要求全面推进BIM技术在建筑行业工程设计、施工和运行维护全过程中的应用。上海中心大厦、上海迪斯尼公园等超大型工程中BIM技术的成功应用对工程建设提供了重要的技术支持。与建筑行业相比，水利行业对BIM技术的应用还处于普及阶段。与普通工民建工程相比，水利工程体

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量大，结构复杂，涉及到的专业众多，施工周期长，施工受现场环境因素影响较大，因此需要在吸收建筑行业BIM技术经验的同时，研究适合水利工程的BIM三维设计方式。合理的水利工程BIM三维设计能充分发挥BIM技术的优势，提高水利工程设计效率与质量，最终提高设计单位市场竞争力。

2设计平台与数据组织

水利工程BIM三维设计的成果与设计平台的选取是分不开的。选取平台要考虑软件的建模能力、数据格式转换兼容性、参数化设计、多专业协同设计等多种因素。

2.1设计平台比选

目前还没有专门针对水利行业订制开发的三维设计软件，大多数软件平台都来自于建筑设计、机械制造、飞机或汽车制造业。因此当前在水利工程设计行业流行的是以Autodesk公司的Revit, 

Bentley公司的MicroStation和Dassault公司的Catia为代表的三大BIM三维设计平台。

Dassault的Catia具有强大的曲面建模功能，适用于拱坝等复杂水工结构参数化设计，配套的ENOVIAVPM软件提供完善的协同数据管理，因此Catia被成勘院与长江设计院等单位采用作为水工三维设计平台。Bentley系列设计软件由于采用了统一的数据格式，多专业间设计成果不需要进行数据格式转换，并且在厂房设计、管线布置上具有优势，因此被华东院、中南院所采用。Revit是Autodesk针对建筑行业开发的基于BIM技术的建筑三维设计软件。Revit提供建筑、结构、MEP(给排水、暖通、机电)多专业设计模式。在Revit中利用中心文件和工作集，可实现多专业协同设计工作模式。由于同属Autodesk系列产品，Revit可以方便地与Inventor, AutoCAD, Civil, Infraworks, 3DSMAX等欧特克设

计软件进行数据格式交换。Revit格式BIM模型也可以转换为标准格式(如IFC, FBX,SAT,STL等)参与第三方分析、模拟软件中处理等。相比Catia和MieroStation平台，Revit在建筑建模方面具有优势，因此部分设计单位也开始将Revit作为水工项目中建筑三维设计的工具，如昆明院和北京院。

鉴于Revit软件的建模优势，本文采用Revit软件作为BIM三维设计平台。以典型的某涵闸工程为例，详细阐述基于BIM技术的三维设计在水利工程中的应用，并通过工程算量、三维配筋等实际应用，拓展BIM模型在设计阶段的附加价值。

2. 2模型数据组织方式

该涵闸项目BIM模型采用基于中心模型模式，通过不同专业工作集链接模型的方式进行多专业协同设计。采用中心模型方

式组织管理BIM数据有利于BIM模型的统一管理，保证了数据的安全性和一致性。在设计方案发生变更时，避免了设计人员频繁地互提模型，只需与中心文件进行同步即可。

根据该涵闸项目水工建筑的功能与位置进行合理的划分，将模型分为闸室、底板、翼墙、交通桥、设备管理房等5大部分，为此在中心模型中对应建立5个工作集。各专业设计人员通过与中心模型链接的方式完成各部分BIM模型的创建。图14所示为本项目采用的BIM模型组织方式。

图14  中心模型链接方式的涵闸BIM模型的数据组织方式

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3基于BIM的水利工程三维设计

该项目如意湖排涝防潮闸位于福建省东部平潭综合实验区金井湾，是一座集防洪排涝、纳潮防潮、市政交通、水体交换、控制环境、维持景观水位等功能为一体的工程，主要建筑物等级为1级，次要建筑物为3级，防洪标准为50年一遇，防潮标准100年一遇，主要防护对象为II等。该工程作为片区综合配套的环湾岸线海堤工程的组成部分，主要由闸室、岸墙、上下游消力池、上下游海漫、翼墙、管理房以及环湖路公路桥等组成。

3.1翼墙的创建

利用Revit结构创建模块中的结构板、结构墙等部件，能够便利地创建翼墙的底板和墙身。在创建翼墙初期，需根据工程设计要求，设定墙和板的厚度与材料。Revit可以自动统计翼墙的体积和用料，获取翼墙的工程量信息。翼墙的体量和形状可以通过编辑

板墙的轮廓形状来改变。利用墙面轮廓编辑功能，可以实现斜边切角。倾斜的翼墙顶板可以通过Revit中楼板的“修改子图元”功能实现。该项目涵闸由于左右岸翼墙对称，所以可以利用中轴线镜像复制的方式将一侧翼墙复制到另一侧位置。

3. 2水工建筑的创建

该项目水工建筑(包括闸墩、底板、闸门等)采用公制常规模型族方式进行创建。采用族方式创建便于多个项目调用，并可根据项目要求以修改族参数的方式实现参数化驱动设计。闸室的基本建模步骤为:①首先根据底板、闸墩的尺寸形状建立对应模型的轮廓，轮廓通过尺寸参数进行约束;②利用族创建工具拉伸、融合、放样、放样融合等方式创建对应的实体;③对于需要修剪、打孔的部位，通过创建空心形状的方式，对实体进行剪切修改;④设定各部件的材料。图15中以项目中某块底板为例，展现了

利用公制常规模型族和族工具建立水工建筑物的过程。

利用图15中所示方法，可以很方便地创建项目中其他水工建筑物，如闸室中的底板、闸墩、连接部件、弧形闸门等，最后在闸室族中载入各部件族，利用平移、对齐功能，最终拼接完成闸室整体模型。图3所示闸室各个部件模型与整体拼接后的结果。其中闸室模型采用了族嵌套调用的方式，只需要修改某一个部件的尺寸，重新载入到整体模型后，整体模型会实时更新。

3. 3交通桥的创建

该项目交通桥位于排涝防潮闸上游侧，设计桥型为5跨预应力

混凝土简支T梁桥。根据设计方案，将交通桥模型分为上部和下部两个部分，分别利用公制常规模型族建模。上部结构模型中的T梁采用截面轮廓拉伸和放样方式创建，下部结构模型中的桥台(墩)同样采用拉伸和放样工具创建承台，桩则利用自带桩族修改参数获得。最后对每个部件赋予对应的材料属性信息，便于后期统计工程量。

该项目设置管理用房与门机房，分别布置在左右两岸岸墙的顶部。此类建筑可按照Revit中标准民用建筑方式进行设计。在初步设计阶段，在确定建筑外观样式和大致体量后，即可通过外墙、屋顶、门窗快

图16   闸室的创建

图15  基于公制常规模型族创建底板

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速完成房屋的搭设;在施工详图阶段，则通过在初步模型中布置柱、内墙、楼板、门窗、楼梯、屋顶完成建筑的精细化建模。还可以根据需要创建配套结构模型与机电模型，出施工图纸，为后期施工提供参考。

当底板、翼墙、交通桥、闸室和附属建筑完成创建后，可利用载入族和链接模型的方式将建好的模型拼接在一起。对于具有相同坐标位置的模型(族)，可通过“原点到原点”方式链接(载入);如没有统一参照坐标，则需要利用平移、旋转、对齐方式将模型移动到正确的位置。

4 BIM模型的拓展应用

传统的水利工程三维设计方式注重建筑物形体的创建，最终三维设计成果(模型)几乎不包含其他属性信息，导致模型用途有很大的局限性。当采用基于BIM的三维设计技术后，模型创建过程中包括了除几何构造和尺寸之外的

丰富信息，其设计成果不仅可以用于设计阶段，也可以用于施工管理与运维管理阶段，充分发挥其在水利工程全生命周期中的价值。在该项目中，由于采用BIM进行三维设计，提高了设计质量，并且快速地提取了工程量;利用BIM设计成果还可以进行闸室重心分析、结构三维配筋等工作，充分体现了BIM技术的优势。

4.1提高设计质量

该项目通过采用BIM技术进行三维设计，提高了工程的设计质量。利用Revit软件完善的设计功能和丰富的族库，完整地实现了工程设计方案，全面反映了设计工程师的设计意图。由于Revit采用了参数化设计驱动方式，因此可以通过调整参数快速对设计模型进行修改，方便项目变更。

利用Revit或Navisworks软件，对模型进行多专业模型间碰撞检查，生成碰撞检测结果。通过检测报告快速定位到设计中错误点，便于修

改设计。通过优化、修正过的BIM设计成果生成的二维平、立、剖面和轴测图纸，可避免错、漏、碰问题。

4. 2工程量统计

利用BIM技术创建的建筑信息模型，不仅包含有工程的几何形体信息，还包括部件的规格、型号、材料、造价信息，可很方便地生成工程量信息。在该项目三维建模过程中，对每个工程构件赋予了完整的材料信息，通过Revit工程量统计功能，自动生成材料统计表和工程量清单，也可以通过导入第三方算量软件的方式进行工程量计算。这不仅可以作为设计项目工程造价的参考，也为后续工程施工管理提供重要的借鉴。

4. 3闸室重心获取

在闸室的稳定性分析中，闸室的重心位置是一个重要的设计参考数据。由于闸室的形体特

点，不易通过形体计算获得其重心的准确位置(特别是在各部件材料比重不同时)。可以通过将Revit建好的闸室模型导入到Inventor软件中，利用Inventor软件直接获取重心的准确位置。再通过水闸稳定分析，确保设计方案满足相关设计规范要求。

4. 4三维配筋

在传统的水工设计中，水工结构配筋是一项繁琐的任务。设计人员需要将平面图纸复原为三维空间实体，并进行剖切获得典型剖面，以便绘制二维钢筋图纸，并统计钢筋表。在创建了完整的水工BIM模型之后，可以利用现有的三维配筋软件直接在模型上进行三维配筋，能提高配筋效率，并减少错误。该项目三维配筋采用了笔者单位自主研发的三维配筋技术。该技术可以直接对Revit导出的模型进行交互式配筋，并可将软件中生成的钢筋图纸导出成CAD格式，真正实现了三维配筋、二维出图。

4. 5 BIM技术的其他应用

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BIM技术的价值不仅仅体现在设计阶段，还可以往后延伸到施工阶段与运维阶段。BIM模型通过Navisworks等施工模拟软件，结合时间进度安排与造价信息，进行4D/5D虚拟施工模拟。也可以通过二次开发的方式，建立施工管理信息平台的方式，将施工阶段中进度、质量和投资管理与BIM模型信息紧密结合，提高施工管理信息化水平。

工程建设完成后的运维阶段同样可以依靠BIM技术受益，如可以在运维管理平台上，将3D GIS信息与BIM模型进行整合，提供工程运行阶段的实时监测数据，并可以通过BIM模型定位特定的管线与设备，为后期维护提供便利。

5结语

目前BIM技术在建筑行业正得到大力推广，在不少工民建项目中得到了成功实施，这些成功的经验可以被水利工程项目所借鉴。

在水利工程规划设计、施工和运维等全生命周期的各个阶段均可以利用BIM技术。在设计阶段，利用BIM技术进行三维设计，可以提高设计质量，减少图纸错误;在施工阶段，BIM技术可以提高施工进度、质量和投资管理的工作效率;在运维阶段，BIM技术与3D GIS技术结合，可为用户提供更加直观、方便的运维管理平台。

本文通过某闸站项目的BIM三维设计实践，反映了水工结构中BIM三维设计的完整过程。这些技术的实现表明了在水利工程设计阶段推广使用BIM技术的重要意义。目前水利工程BIM三维设计平台均有一些不完善之处，如没有统一的数据交换格式、模型格式转换带来信息丢失、异形曲面建模难度大、没有完善的参数化元件库(模板、族库)、在施工及运维阶段也没有专门针对水利工程的BIM信息管理平台系统。随着BIM技术的不断发展、相关软件环境的成熟，设计单位也要

尽快制定相关的BIM三维设计标准化流程，完善水工建筑参数化族库的建设，使得水利工程BIM三维设计工作流程化、规范化，真正体现BIM的价值。

  

引言

传统的水利工程设计以CAD为主，在工程设计上，主要的参与者是设计与施工的专业技术人员，工程设计方案的主要形式是二维CAD的工程图。二维CAD工程图的识图需要一定的专业技术基础，参与水利工程设计施工的其他人员往往难以直观地了解与熟悉具体的工程

文/新疆水利水电勘测设计研究院（李敏）

基于BIM技术的可视化水利工程设计仿真

摘要:水利工程是一项建筑、能源、地质、水文、生态等多专业交叉应用的复杂项口，因此在水利工程的设计过程中，需要进行多方而的信息沟通与共享，尤其是工程技术与施工管理之间的协调。传统的水利工程设计基于CAD技术，不利于信息共享，且难以与成本、进度等项口管理对接。BIM技术是新兴的集成了3D建模+4D施工组织设计管理的建筑信息建模系统，相比传统CAD具有可视化、时序化、集成化的仿真模拟效果。本文首先介绍BIM技术的基本构架，进而分析BIM技术的具体仿真应用及注意要点。

方案，不利于工程信息的交换与共享。BIM技术是近年来逐渐兴起的一种新的可视化三维设计技术，集成了CAD建模、项目进度管理、施工过程、物业维护等多种功能，能够实现技术信息与成本信息的共享与管理。

1 BIM技术介绍

1. 1 BIM技术的起源

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BIM即Building Information Modeling(建筑信息建模)，最早是在20世纪70年代由美国的建筑与计算机领域的研究者提出的。其基本构想是:将建筑工程的所有几何模型信息、构件与设备性能信息、施工信息、环境信息等，整个建筑工程项目全生命周期内的所有信息整合到一个模型中，使得建筑工程从设计、施工、维护等全部过程的信息都得以统筹管理。

1. 2 BIM应用模块的构成

发展至今，BIM技术在国外己经发展地较为成熟，以较为常用的Autodesk公司出品的BIM系统为例，一般包含以下几个模块:CAD工程设计模块、Civil 3 D地形处理模块、Revit建筑结构建模、AIM快速表现模块、Navisworks施工动画模拟模块。

CAD模块集成了以AutoCAD为代表的二维计算机辅助设计软件以及机电设备建模的各类三维

CAD软件。其中二维模块可以将AutoCAD格式的工程设计图纸以超链接打开进行编辑与保存。二维模块也可以说是BIM系统最终设计产品的出口，因为无论是参数化的三维结构设计、机械设计、电气布置，还是施工组织布置，最终还是要以二维工程图的形式出具。三维模块主要配置了Autodesk公司自行出品的inventor等软件，同时兼容igs等通用格式的三维模型文件。

Civil 3 D软件可以根据点、折线等传统测量数据进行地形曲面建模。同时通过布局工具生成地块模型，且生成的地块模型之间有过渡关联，即对某一地块进行变更，其相邻地块与之过渡区域也会相应变化。而其道路建模与土方量计算功能则更为实用。Civil 3 D能将水平与垂直的几何图形与定制化截面组件进行结合，建立公路和其他交通道路动态三维模型。土方量计算则利用平均断面积算法，实现曲面土

方量的计算。

Revit主要支持建筑工程方面的建模与应用。其包含建筑设计、MEP工程设计与结构工程3个模块。建筑设计模块能够提供强大的概念设计与外观设计功能。MEP则给暖通、电气和管道工程师提供了用于复杂建筑系统的设计工具。结构工程主要提供建筑结构工程的强度校核、配筋等功能。AIM可以将CAD, Civil与Revit建立的模型导入进行布置，以展示施工不同时间点的状况与施工布置。具体见图17。 BIM中动态效果、施工进度动画展示，通常使用Navisworks或者3 Dmax软件，能实现优秀的可视化效果。

2可视化BIM水利工程设计仿真应用

2. 1水利工程CAD建模应用

BIM中的仿真设计中，首先是建立水利工程的可视化工程模型。水利工程的BIM三维建模主要包括以下几个方面:大坝总体结构的建模，如图18所示;坝体与厂房细节结构建模，如图19所示;水利机电设备的建模，如图20所示。

图17  水利工程BIM施工组织设计应用模块

图18  大坝总体结构建模

图19  坝体与厂房细节结构建模

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在水利工程结构设计与施工组织设计中，3D建模都十分重要。在BIM中的主要用途有3个方面:①将2D工程数据转化为3D可视化模型，便于工程人员与施工管理人员消化熟悉工程的具体结构与布置;②可赋予3D模型材料属性与边界条件后，用于工程力学仿真分析;③为后续的地形仿真、施工布置、施工进度仿真、施工动画模拟提供实体模型。当前实体建模的方式有许多，可以利用AutoCAD中自带的三维实体建模模块，或者从其他软件中导入通用格式的三维实体模型文件。对于水利机电设备，也可以导入由设备制造方提供Solid-works等机械三维设计软件建立的模型。

在CAD应用中，要注意以下2点:

 (1)统一三维建模标准。由于水利工程项目分工精细、工程浩大，不同的供应商和设计单位所采用的三维建模标准往往有所区别。为了提高设计效率，工程项

目部应编制统一的三维建模标准，通告给参与工程的各方。

(2)明确图纸的实效性。在水利工程设计中，往往要进行多次设计变更，可能是建筑工程方面也可能是机电设备方面。因此图纸与模型必须保证实效性，无论参与设计各方的图纸是哪个版本的，均应以项目部统一出具的图纸为准，不得擅自更改。

2. 2地形处理仿真应用

BIM系统中地形处理仿真一般采用Civil 3 D等软件处理，可以创建三维的地形曲面，并且赋予地形地质的特征，将河流、山川、植被等数据直接赋予实体模型，如图21所示。

除了进行地形仿真之外，Civil 3 D还能够在地形曲面上进行土方工程的明挖基坑与渠道、放坡、施工道路设计等操作，并且能够计算土方量并生成土方施工图，同时输出土方量的计算表，见表7。

Civil 3 D建模中，进行土方量计算时，应该要注意可直接用于本工程填方的挖方工程量计算以及回填用挖方的挖掘地点的设计与布置，这一点对土方工程的成本控制有十分巨大的影响。

2. 3建筑施工结构仿真应用

BIM中还集成了建筑施工结构工艺仿真模块，常见的有Revit软件等，主要进行建筑结构配筋、施工设备建模、施工布置等。Revit软件可以赋予三维模型多种建筑材料特性，比如结构钢、现浇混凝土、预制混凝土、砖砌等多个种类。进行混凝土结构配筋设计时，可以直接利用现有三维模型，选取不同类型的配筋形式转化成施工配筋模型，供后续施工进度模拟，如图22所示。另外，还可以建立施工设备模型，并且进行布置，图23为塔带机模型。

图21   Civil3D地形处理效果

图22  混凝土结构配筋模型

图23  塔带机设备模型

图20  水利机电设备建模

表7施工道路挖填土方计算输出

  

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使用Revit进行结构工程的设计计算时，在强度设计方面，应该要注意材料特性设置以及载荷的定义。相比PKPM等专业结构设计软件，Revit的功能更多的体现在MEP与建筑设计方面，因此用于正式评审的强度计算报告，应该用专业的结构力学计算软件进行分析后与Revit的计算结果进行对比。

2. 4施工方案布置展示仿真

BIM系统一般还配置有AIM软件，可用于在虚拟环境中快速布置建筑、设备、地形等模型。可以将以上几个模块建立的模型快速导入其中，并且进行虚拟布置，其中由Revit模块建立不同时段的施工混凝土结构模型，也可以进行时序化布置，以进行工程各阶段的施工展示，如图24所示。

在应用AIM模块进行施工方案快速布置展示时，应注意不同施工场景文件的分类与时序化管理。

BIM的4D施工管理除了3D之外的第4个参数就是时间，对于施工进度的体现，是BIM的一个非常重要的特色功能，因此时序化在AIM设计中要认真处理。

2. 5实时动态仿真与施工进度管理

BIM系统还集成了Navisworks或者3 Dmax等动态仿真与动画渲染软件。其中Navisworks可以将CAD, Civi13D, Revit等软件建立的建筑结构、设备、地形、施工设备等模型导入，并且进行渲染与动态进度模拟。同时导入导出施工进度数据。另外，还能够将力学分析数据、土方计算数据、AIM全时段施工布置数据导入其中，从而查询水利工程的4D施工面貌与具体结构强度以及具体地形道路施工土方作业数据等，具有强大的功能。

要注意的是，Navisworks的功能

虽然十分强大，但是由于需要集成前面多个模块的数据，因此对计算机的压力较大，多以服务器作为载体。除体现施工进度成本、施工分时效果、工程量之外，还能将结构力学计算的结果集成其中，不过建议将结构力学分析的结果单独存储，避免对系统造成过大压力。

3结语

BIM技术作为能够实现3D建模+时间管理的4D管理系统，不应该仅仅被用于出具可视化效果图这样的粗浅功能。但是，要实现施工进度与成本造价的模拟，则必须在地形处理、施工场地和设备模拟、成本项等方面都下足功夫，才能够初步实现真正意义的BIM工程仿真。水电工程的设计在数十年前，经历从手工绘图到电脑CAD的设计方式的转变，如今推广BIM的可视化设计，又是

一次手段与工具的革新，工程技术人员应该积极地学习并适应。

图24  水利机电设备建模

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