摘要:BIM技术是工程物理特性和功能特性的数字化承载和可视化表达，具有可视化、集成化和参数化的特点。利用BIM技术的优势，可以实现水利工程中的多专业协作和大量数据的频繁传输，从而实现可视化决策、虚拟设计、协同施工、精细化管理和科学运营。本文通过工程案例分析了BIM技术在海外项目中的应用现状，并对BIM技术在海外项目中的应用模式进行了探索，可为BIM技术在其他海外项目中的应用提供借鉴。
关键词:BIM技术；境外水利水电项目；3D模型
水利水电工程涉及测绘、地质、水利工程、机电工程、建筑等。在项目实施过程中，各专业之间有频繁的数据交换。在传统的设计模式中，设计师以图纸为工作对象，结果容易形成信息孤岛，使得专业之间的合作被人为地条块分割，设计过程具有明显的串行特征。BIM技术是工程物理特性和功能特性信息的数字化承载和可视化表达。通过创建和使用BIM，可以创新水利工程的规划、设计、施工、运营和维护的管理模式。BIM协同设计模式以协同平台的三维模型为对象，实现各专业间工作内容的实时联动，弱化传统设计流程中的节点约束，形成基于模型的并行工作流。同时，BIM协同设计的统一环境也保证了整体项目效率和设计质量的提升。随着“走出去”战略的实施，我国水利水电企业已经走出国门，开始参与国际水利水电市场的竞争。然而，在海外工程项目的设计、实施和管理过程中，中国企业仍面临诸多挑战。将BIM技术应用于海外水利水电项目的设计和实施管理，可以有效提高项目设计和实施的效率、管理水平和国际竞争力。
一、BIM在我国水利水电工程中的应用现状
近年来，随着信息技术的不断发展，BIM技术在水利水电工程建设领域得到了广泛应用。基于BIM技术的工程全生命周期管理逐渐成为业界的共识。BIM技术及其衍生的GIM(地质信息模型)和城市信息模型(城市信息模型)逐渐成为数字中国建设的基础，为BIM技术的应用带来了更加广阔的市场前景。此外，全国各地纷纷出台BIM应用政策，上海、广东、浙江、湖南、海南、重庆等17个省(直辖市)相继推进BIM技术应用指导和项目审核、招投标管理、激励措施等配套政策。上海、湖南等地要求2022年90%以上的政府投资新建项目要全面应用BIM技术。要求重庆在2023-2024年大型新建水库工程和调水工程实施BIM技术应用，一般中型新建水库工程实施BIM技术应用。各地涌现出一大批BIM技术在设计、施工、运营和维护阶段应用的示范工程，BIM技术的应用发展正在加快。目前，我国水利水电行业各级设计院已投入资源大力推进BIM技术的应用。近年来，领先的设计院相继推出了行业代表性的BIM应用示范项目，BIM技术应用也成为一些大中型水利工程设计招标的必要选项。近年来，一些海外和国内业主在勘察设计项目成果提交中明确提出了BIM数字化交付的要求，BIM技术的应用逐渐成为勘察设计企业进入市场的门槛。
二。中水北方公司BIM技术开发
2012年，中水北方勘测设计研究院有限公司(以下简称“中水北方公司”)正式成立BIM技术应用团队。根据发展需求，将于2022年整合升级为智慧水利事业部BIM仿真中心。经过近10年的发展，中水北方公司已成为拥有专业仿真分析和可视化团队的先进BIM技术应用企业，拥有涵盖水利工程、地质、水机、金属结、电一、电二、建筑、施工、测绘等专业的BIM技术人员，并成为全国水利水电BIM设计联盟成员。公司的BIM技术团队具有丰富的实践经验，多次获得国内外BIM技术应用奖项，具备为业主提供工程数字化咨询、设计、实施等一体化服务的能力。根据公司自身的发展理念，结合专业设计和工程应用需求，建立了8个BIM技术应用设计子模块，形成具有公司特色的整体BIM技术应用解决方案(图1)。
三。海外典型应用案例分析
1.项目背景:曼威莱水电站位于喀麦隆南部马安省恩泰姆河上，靠近赤道几内亚，处于热带丛林地区。它是一座大流量明渠引水电站，主要任务是发电。水电站采用导流径流开发，拦河坝长1.62km，最大坝高28.3m，正常蓄水高程392m，总库容1.3亿m3，总装机容量211MW。项目规模大(2)。工程主体建筑由位于工程区左岸的第一座挡水泄水建筑物和引水发电系统建筑物组成。工程建设于2012年12月开工，2016年8月16日开闸蓄水，2022年2月8日完成主体验收。该项目获得中国勘察设计协会2022年度优秀工程勘察岩土工程一等奖、2022年海河杯天津市优秀勘察设计市政公用工程——水利工程一等奖、2022年海河杯天津市优秀勘察设计工程一等奖等多项省部级奖项。2022年，该工程获得中国建筑工程最高奖——中国建筑工程鲁班奖。曼威莱水电站勘测设计初期，中水北方公司就为此项目组建了BIM应用团队。结合项目特点，BIM团队从地勘地质三维建模、工程建筑三维建模、基础BIM模型计算分析、工程建筑三维参数化建模、施工进度模拟分析、三维设计绘图、虚拟现实技术应用等方面开展研究。2.地质勘探与地质三维建模。地质勘探数据和地质信息的处理与分析一直是水利水电工程勘察设计中的重点和难点。曼威莱工程的BIM设计团队利用地质三维勘测设计系统，将原始测绘数据拟合成高精度的三维地形图，并将之前的平面地质剖面信息导入到三维模型室空中，形成高精度的三维地质模型(如图2)。将BIM计算应用到地质勘探和地质三维建模中，不仅方便了勘测数据的整合和以往地质成果的核对，还大大提高了设计效率，设计成果更加直观和有针对性。此外，三维地质模型还可用于生成符合现行水利水电工程制图标准的平面图、剖面图、水平切面图和钻孔柱状图。3.工程建筑三维建模应用BIM三维建模技术，对工程总平面和水工建筑物进行三维建模(如图3)。该模型方便、直观地展示了工程的总平面布置和建筑物之间的相对关系，为工程设计者和建设者全面、准确地了解工程提供了更加便捷的手段。4.基础BIM模型的计算与分析基于BIM三维模型，利用大型计算软件对重点工程建筑进行有限元计算与分析。设计人员可以根据计算分析结果对工程结构进行调整和细化，从而达到最优的设计目的。以曼威莱水闸结构为例，基于BIM技术，建立水闸结构的三维模型，利用Flow3d中的CFD模块，对上游水位393.8m时水闸的流态进行数值模拟，为水闸的后续设计提供充分的理论依据(如图4)。5.三维参数化设计在BIM技术应用的前期，BIM技术的应用通常是利用完成的平面设计成果建立三维信息模型。这种逆向设计过程不仅不利于提高设计效率，还增加了设计人员的工作量。曼维尔项目的BIM设计团队利用三维参数化设计技术，逐步解决了“正向设计”的问题。通过预设一组或多组对应关系和约束，然后通过关键参数集对实体进行描述，通过对应关系和约束可以得到实体的其他参数，实现了参数驱动，大大简化了实体模型的建立和修改过程，大大提高了模型的精度。Manville项目的一些三维参数化设计结果如图5所示。6.施工进度模拟分析利用BIM技术将三维信息模型与施工进度计划联系起来，使施工系统各部分及其在进度计划中的关系以可视化图形和动画的形式展现出来，并可实时动态查询工程的三维可视化信息，从而提高项目管理的效率和质量。7.三维设计图纸传统的二维设计图纸存在信息不直观、不完整、工程量计算不准确、不同专业图纸“错、漏、碰”等问题。基于三维建模技术，各专业在三维协同设计平台上共同完成三维模型设计，生成三维设计图纸。三维模型直观生动，避免了“错、漏、碰”等问题。利用该模型计算的工程量完整、准确。8.虚拟现实技术在BIM领域的应用。利用虚拟现实(VR)技术对单体建筑和空房间的规划进行演示，可以使人们从不同的俯仰角度审视其动态形象及其平面布局的特点。在这个项目中，也尝试了VR技术的应用。厂房三维模型导入Unity3D，设置左右眼摄像头，通过Cardboard等程序实现厂房内部的VR效果(如图6)。9.总结BIM技术在喀麦隆Manville水电项目中的成功应用，取得了良好的效果。在设计过程中，设计错误减少了95%左右，综合设计效率提高了40%左右，节省了专业间的合作时间和沟通成本。在施工过程中，BIM技术的应用提高了现场设计交底、现场施工指导、设计联络会的沟通效率，提高了现场问题的处理效率，提高了工程服务质量，有效节约了工程投资。BIM设计成果得到了项目参与各方的一致好评，并结合曼威莱水电站开展的“水电工程参数化设计及应用”入围2013年Be创新奖。此外，在巴基斯坦阿扎德帕坦项目的详细设计中，BIM技术的设计结果直观准确，获得了项目业主的一致好评。根据业主要求，项目设计人员制定了本项目设计、施工、运营全生命周期的BIM应用方案，积极推进本项目BIM应用进程。
四。BIM技术在海外水利水电工程应用中遇到的困难
BIM技术的应用受到限制。BIM技术在水利水电工程中的应用还存在很多制约因素，如合同条款、基础数据深度、业主要求、咨询工程师考试等。有的项目合同要求二维设计，提供的成果必须是二维设计成果；一些基础数据，如地质、地形数据，深度不够，无法满足建模要求；部分业主和咨询工程师不具备BIM技术审核能力。在BIM技术应用初期，大部分项目实施单位仍然不接受3D图纸作为施工图，仍然习惯于2D图纸。随着BIM技术的发展，现在已经可以将3D模型转换成2D图纸，但是这种做法费时费力，相当于二次绘图，而且在绘图和绘制钢筋方面仍然存在困难。专业协作有困难。有些项目设计不是一个设计单位承担的。当土建设计单位和机电设计单位分属两个设计单位时，协调BIM协同设计的难度很大。对于一些中小型项目，业主认为没有必要采用BIM技术，但这些项目往往结构简单，规模小，易于专业协调。综上所述，BIM技术在水利水电工程中的应用遇到了很多问题和挑战。然而，随着BIM技术的不断发展，国内外一些大型水利水电工程或跨流域调水工程对BIM技术的应用需求越来越大。参与项目建设的各方逐渐认识到，应用BIM技术不仅可以提高项目建设的设计效率和管理水平，还可以将BIM技术的应用延伸到项目运营阶段，更好地发挥项目的经济效益，节省运维成本。
五.结论
目前，中水北方公司正在实施数字化转型战略，其中一个重要目标就是业务数字化。BIM技术与公司相关业务的深度融合是业务数字化的重要组成部分。3D设计的推进需要与数字化转型的实施同步，融合物联网、5G、大数据、云计算、人工智能、虚拟现实等技术，支撑公司各项业务的创新发展。实现BIM技术在工程设计、施工、运维等全生命周期工程数字化服务中的应用，形成相关软件产品，开展相关业务，打造基于BIM的工程数字化技术品牌。华北水务公司将继续扩大BIM技术在海外项目中的应用范围，深化应用程度，将BIM技术与勘察设计、智能水利、工程总承包、全过程咨询、监测检测等各项业务充分融合。，在企业设计技术管理上形成优势产品，不断拓展海外市场。
