1.1了解行业发展迈出BIM脚步

 

　　目前，国内勘查设计行业正在由传统的二维设计向三维协同设计迈进，其中机械、电子、石油、电力及航天等行业已经率先进行了二维设计向三维协同设计的变革，设计效率、设计产品质量及产品市场竞争力都有较大的提升。水电行业的三维协同设计研究工作起步于2003年左右，以水电顾问集团下属华东院、成勘院等为首的设计单位分别开展了基于Bentley等几家公司的三维设计平台应用研究，经过多年探索，从2008年左右开始尝试应用于部分水电工程项目的厂房和电站设计。

 

　　河南省水利勘测设计研究有限公司（以下简称“河南省水利院”）从2010年左右开始关注三维协同设计。2011年年初到2012年11月份之间，经过近两年的外部调研、平台选型、人员筹备等，于2012年底以前坪水库工程试手三维协同设计，迈出三维协同设计的步子，既是市场的需要，也是设计院自身发展的需要。

 

　　1.2成立机构开展导航项目

 

　　三维协同设计项目的启动，既是必然，也有契机。

 

　　组织模式对三维协同设计的实施起决定作用，河南省水利院通过前期的考察和调研，在战略层面对三维协同设计工作给以了高度重视，由专门机构负责具体实施，在公司层面进行了三维协同设计人员的公开选拔，脱离原岗位专门从事三维协同设计学习和试点项目实施工作，并在被选拔人员的待遇、设计师等级评定方面予以一定的倾斜，保证参与三维设计人员积极性。在公司层面，由主管副总经理主抓，高效解决需要公司协调的问题；主管技术总监为技术总负责，在技术上总体把握和协调。

 

　　水库工程对省级设计院而言，是所有专业最全的项目，通过一个全专业覆盖的项目开展试点应用既可以达到检验三维协同设计软件与工程设计的契合度，也可以达到熟悉软件锻炼队伍的作用。于是我们采用正在进行可研阶段设计的前坪水库工程作为导航项目，二维设计与三维设计并行工作。

 

　　1.3达到预期初战告捷

 

　　三维设计团队夜以继日，共计42天完成了的导航项目，项目成果不仅有水库工程完整的三维数字信息模型，利用模型剖切的全套的设计图纸，还有对二维设计的项目优化报告。

 

　　通过三维协同设计与二维设计的对比，三维设计的优点突显。在可研阶段二维设计成果受限于手段和工具，在工程布置方面无法如三维设计一样进行场地模型的开挖，在几个重要建筑物进口的布置上经过开挖模型的组合，发现泄洪建筑物与输水建筑物进出口的布置相互影响比较大，进行了优化，既使工程布置合理、又节省了开挖工程量，这是在二维设计中很难发现的。其次在工程量计算方面，利用三维设计的数字模型可以非常快速精确的计算工程量，与二维设计有差异的地方经过详细核实，最终还是采用了三维设计的计算结果。

 

　　经过导航项目的试手，达到了测试软件、锻炼队伍的目的，同时也为进一步开展三维设计推广BIM技术奠定了基础。

　　图1～2前坪水库导航项目三维设计成果图

 

　　2、渡过短暂迷茫试问路在何方

 

　　2.1消化吸收做好规划

 

　　河南省水利院经历过三维设计处女作的激动之后，也和其它单位一样有过一个短暂的迷茫期，导航项目之后，三维协同设计如何推广实施，与原有二维设计体系如何衔接？是直接全面推广还是循序渐进？省级水利设计院的项目类型多、体量小、设计周期短，不能完全复制导航项目模式，此外，导航项目的学习毕竟只是开端，相对还比较粗浅，在短短42天内尝试应用的三维设计平台软件还需要消化吸收。面对这些困惑和难题，公司领导提出先做好三维设计推广计划，结合规划有续开展应用与研究，探索全面推广所面临的制约问题。

 

　　找准定位并在导航项目团队基础上成立了集生产、科研、管理于一体的专职机构-数字工程中心，结合生产项目进行三维设计的相关科研探索，再将科研成果指导生产，在良性循环中梳理全面推广的技术和经验，同时提出了三维协同设计的发展规划：一年打基础，两到三年技术基本成熟，四到五年逐步推广。并且在生产过程中与各生产院的重点项目相结合，在全员推广前培育BIM技术氛围。

 

　　2.2以点带面典型应用

 

　　从2012年12月开始导航项目到2013年年初制定三维设计推广规划后，以数字工程中心为首，陆续开展了省级水利设计院业务范围内的各类型项目。

 

　　2013年4月开始承接山西省吕梁北川河治理工程，从可研阶段开始12座水闸的三维设计，模型一旦建好，后期没有大的变化，施工图阶段直接利用前期模型进行三维配筋，钢筋图就能够自动生成，由于采用了三维技术进行了碰撞检查，后续施工过程中基本没有因为图纸质量问题发生的变更。保证了项目的顺利实施。

　　图3～4北川河治理工程三维模型生成的典型效果图

 

　　2013年8月，又承接了陕西宝鸡峡灌区漆水河渡槽改建工程。该从可研阶段开始全部三维设计，在可研阶段方案比选过程中借助于三维设计的优势在很短时间内提交结合不同施工方案不同跨度不同断面型式的八种比选方案，与二维设计相比充分利用了有限的设计同期，赢得业主高度的认可，也使初步设计顺利通过批复。

　　图5～6陕西宝鸡峡灌区漆水河渡槽改建工程三维设计成果

 

　　2013年10月，河南水利还把三维协同设计业务推广到了海外，在尼日利亚做了LOKOJIA制水厂的工程设计、Argongu的道路设计。

　　图7～8尼日利亚制水工程、路桥工程三维设计成果

 

　　2013年开展了的综合规模世界第一的沙河渡槽工程三维设计，并利用三维模型进行了施工仿真模拟，在施工领域进行了尝试，并借助于三维工程设计及施工仿真创新成果获得2013年度全球基础设施创新特别荣誉奖。

　　图9～10沙河渡槽工程三维设计及施工仿真成果

 

　　成功案例驱动着一个又一个新项目的诞生。三维协同设计在业务范围内的典型应用积累了技术，破解了瓶颈，为后全员推广奠定了坚实基础。

 

　　2.3制定标准全员推广

 

　　伴随着典型项目的成功应用，在积累着三维设计技术经验的同时，也相应开展了河南省水利院的企业三维设计标准、设计环境的定制，并开始全员推广和培训。

 

　　目前经过近三年的逐步积累和推广，全院三维设计培训率已达92%。

　　图11～14河南省水利院三维设计标准文件

 

　　3、需求导向，多元BIM创新应用

 

　　河南省水利院经过多年三维协同设计的探索和研究，在取得技术积累同时也总结经验，继续深入挖掘BIM技术的深度应用，提出了跨平台技术联合应用的整体解决方案，以三维设计平台为基础、结合地理信息GIS平台、洪水分析平台、地形制作平台以及UnrealEngine三维开发平台的联合应用，完成从前期工程三维设计到后期运用管理各阶段的工作，充分发挥三维协同设计的优势，并在实际项目工程中取得了较好的效果和效益。

 

　　3.1遥感及无人机技术助力工程设计

 

　　实例1：尼日利亚公路设计

 

　　尼日利亚菲利亚公路项目由于处于前期立项阶段，受制于当地治安条件，无法收集或进场收集地形地质资料，为使业主对工程充分了解，促进工程实施，设计团队通过联合GIS地理信息平台、地形制作平台以及以三维协同设计平台共同完成了工程的前期三维协同设计。

 

　　（1）采用GIS技术，利用航拍影像图生成低精度地形等高线和DEM高程灰度图。

　　（2）采用地形制作平台，以低精度DEM数据为基础，逐步将低精度地形雕刻成包含河流、冲沟、雨水冲刷与侵蚀痕迹的高精度逼真地形，供三维协同设计平台使用。

　　（3）利用MicroStation为核心的三维协同设计平台进行工程三维设计，建立公路、跨河桥梁、居民房屋等地面附属物的精确三维模型。

　　在该项目中，我们通过采用多平台联合应用，实现了乏信息条件下的工程设计，满足了工程早期设计阶段各方面的要求。

 

　　实例2：采用无人机技术完成三维建模

 

　　宝鸡峡灌区漆水河渡槽在进行施工图设计时，由于进出口处地形地质条件复杂，与前期设计相比，地形条件变化较大，为满足工程设计和布置需要，采用了无人机三维实景建模技术，与三维设计平台进行联合使用完成了渡槽进出口和工路桥梁的布置与设计。

　　图15～16无人机三维实景建模在工程设计中的应用

 

　　在洪水风险分析洪灾损失评估中，通过无人机航拍后再相关软件进行三维实景建模，准确掌握了洪水模拟淹没区的地形地物和社会经济情况，相比采用平面地形图评估的传统方法要精确和准确，同时也节省了大量实地调查的人力和时间。

　　图17在洪水风险分析项目中应用的三维实景模型

 

　　3.2跨平台技术提升防洪调度水平

 

　　编制洪水风险图是贯彻落实新时期中央水利工作方针、实施洪水风险管理、最大程度减轻洪涝灾害的一项重要的基础性工作。我公司在承担2013～2015年度全国重点地区防洪风险图编制工作时，综合运用水利专业技术、GIS技术、BIM技术、二三维可视化技术、互联网IT技术等跨平台技术的联合应用，解决了项目编制过程中的诸多难题，在资料收集整理、模型构建、成果展示、应用系统开发等方面进行创新，获得了各界专家的一致好评。

 

　　实例1：前坪水库工程设计及其溃坝的跨平台应用

 

　　（1）采用三维设计平台得到各建筑物精确三维信息模型。

 

　　（2）以工程三维模型为参考，再进行场地的三维开挖，包括各建筑物地基开挖和河道治理扩挖，得到开挖后的地形场景。

 

　　（3）根据开挖后的场地模型，利用洪水分析软件对DEM地形数据进行网格和高程插值。

　　图18～19水库三维设计模型及场地开挖模型

 

　　（4）采用水文学及河流动力学平台构建溃坝洪水分析计算模型，得到各时刻洪水要素，包括水深、流速、水位等。

　　（5）将三维设计模型、开挖后的场地模型以及洪水计算结果在整合起来，制作前坪水库三维溃堤洪水模拟场景，实现洪水的动态演进。

　　3.3互联网+BIM助推智慧水利

 

　　通过以上跨平台技术联合应用，反映了BIM技术跨平台联合应用的优势，也使我公司在三维协同设计中的优势凸显，不拘泥于一种软件、一个平台、一种方法，取长补短，充分发挥BIM技术优势，同时在各个阶段发挥三维设计成果的最大利用价值，也借助于互联网技术形成了自主知识产权的跨平台核心技术，并以此技术为依托开展了水利工程从前期设计到施工建设和后期运行维护等工程全生命周期服务，以及利用该技术开展智慧水利业务，目前已初见成效，正在进行项目有在在建前坪水库、出山店水库建设期信息化管理系统、开封市城市洪水风险管理系统、郑州市智慧水务综合信息管理系统以及四川省水利工程产权三维可视化管理平台等。

 

　　实例1：开封城市洪水风险管理系统

　　图20采用跨平台技术开发的开封市洪水风险图应用系统

 

　　实例2：水利工程三维可视化综合信息化管理平台

　　图21～23水利工程信息化管理系统平台网络端、移动端系统平台

 

　　实例3：河南省防汛抗旱、及流域信息化管理系统平台

　　4、科技兴企路漫漫，仍将上下而求索

 

　　宏观层面，政府推进供给侧结构性改革，推动经济转型升级，为水利水电勘测设计行业的可持续发展和创新提供了发展空间。面对外部环境、政策环境和市场环境的改变，勘测设计单位需要进行自我改革与创新，改革原有的业务模式、人资资源、组织架构，从而完成向现代服务业的转化。河南省水利院以“互联网+”的思维和BIM的跨界应用进行水利技术创新，实现了水利工程设计的附加值，并取得了探索新盈利模式的阶段性成果。在探索和实施“BIM+水利”创新战略的同时，我们也认识到对目前的阶段成果不能固步自封，还要清醒的认识到自身的不足。

 

　　在实施“BIM+水利”智慧水利创新战略的同时，人才队伍的建设任重道远，特别是复合型创新人才的培养绝非一日之功；BIM技术在公司内部全面推广与应用是一个长期系统工程，不是一蹴而就可以完成的，与之相应的质量、生产管理、考核制度等仍需要不断完善；在进行企业业务向智慧水利转型的过程中，如何为业主提供人性化的服务，完成企业向现代服务的转化，将服务也做为一种产品，挖掘潜在业主需求，为业主提供多元化的解决方案，都是未来创新路上需要不断探索的。