BIM定義水利工程建設和管理的未來

今天我們進入了全新時代，云計算、大數據、物聯網、移動化和人工智能簡稱“云、大、物、移、智”成為人人都在關注的話題。水利工程建設管理與信息技術深度融合成為公認的趨勢，標志著水利工程建設和管理走進了“BIM定義的時代”。

工程數據在“藍圖時代”無法將信息100%的貫穿工程建設全生命周期。很長一段時間，圖紙是工程師的語言，被人腦或者電腦識別并存儲在相應的系統中。但是大量以圖紙呈現的工程數據，在水利工程建設的各階段無法完成100%的信息傳遞，特別是在完成工程建設以后就不再被使用、分析、甚至訪問。他們由于沒有與其他數據發生價值關聯，或者價值關聯沒有被呈現，成為了死數據，但其實這類數據本身不是死的，而是尚未被激活。

用BIM定義水利工程建設和管理，水利工程管理將會是持續發揮價值的最佳手段。

 水利工程BIM的發展

BIM在我國水利工程建設和管理中的發展大概分為三個階段：

第一階段（2009年--2015年）——用BIM技術提高設計效率和質量階段。這一階段，水利工程設計進入三維模型時代，逐步實現了水利工程三維真實建模，基于三維設計模型的工程仿真（CAE）和基于三維設計模型的碰撞檢查，剖切出圖等。

第二階段（2015年--2016年）——BIM資源整合階段。 BIM技術在水利工程建設行業開始逐步創造了一個新的職業-BIM工程師。BIM技術應用到水利工程設計、施工和驗收等全部建設期，基于4D工程進度模擬、5D工程量計算和可視化驗收等被應用到工程實踐中。設計、施工和工程建設管理單位也將BIM從項目級應用向企業級應用擴展，由個性化應用逐步轉變為標準化應用。

第三階段（從2016年起至今）——BIM價值重新發現階段。BIM在水利工程建設領域開始進入多維時代。BIM由單一技術應用走向服務化和網絡化，并已經滲透到工程建設的方方面面，由設計階段的虛擬現實技術（VR）向施工階段的增強現實技術（AR）和運營階段的混合現實技術（MR）轉變。BIM結合地理信息系統（GIS）、可視化和人工智能技術（AI) 形成了新的數字化工程和新的產業。從這一階段起，我們開始認識到，可以用BIM來定義水利工程建設和管理的未來。

由水利工程BIM的發展的三個階段可以看出，BIM技術在水利工程建設和管理領域的核心價值隨著不同的發展階段在不斷被發掘和變化。第一階段的價值主要是提高設計效率和質量，減少設計過程中的“錯、漏、碰、缺”，為工程決策提供更加直觀的參考支撐。第二階段的價值是提高工程建設和管理的水平，工期預計更準確，工程量計算更精確。第三階段的價值是通過工程數據的不斷積累，定量分析工程可靠性，消除水利工程的不確定性，并可進行衍生式設計，反向設計，分析設計是否合理，是否保守，是否有設計缺陷。這一階段單靠BIM技術本身還不能做到，還需要與互聯網技術、虛擬現實技術、地理信息系統技術、增強現實技術、大數據技術和人工智能技術相結合。

從近年來水利工程的造價來看，信息化的比重一直在持續地增加，有的工程已經占到了工程造價的10%以上。特別是 BIM催生了工程建設新的模式的變化，隨著三維協同技術、GIS+BIM的平臺技術、互聯網技術、云技術和大數據技術不斷被應用到水利工程建設和運行管理領域，這一比例還將持續提高。一些有前瞻性的水利水電工程項目業主，如“國網新源”已經要求新建抽水蓄能電站項目，必須采用數字化交付，并進行單獨計價。單個工程僅數字化交付的造價就達到1000萬元人民幣，如果加上信息化平臺建設，單個工程的數字交付+信息平臺造價將達到5000萬元人民幣。當前，水利部和國家能源局也已經開始進行數字流域研究和建設。我們大膽預計水利行業已建的472座大型水庫，在未來10年均有進行數字化改造的需求，僅此一項未來10年，每年水利工程數字化+信息平臺建設產值將不會低于20億元人民幣。

未來我們正在進入一個BIM定義水利工程的時代，其基本的特征表現在萬物可互聯，一切均數字化，并在這個基礎上支撐大數據應用和人工智能應用。海量多元的信息資源，需要新的BIM定義的方式進行管理。人機料法環融合的環境下新的應用模式也正在不斷地誕生，在這種情況下怎么實現它的有效管理，并支撐各種各樣的應用，需要構建一個共性的基于水利行業標準數據格式的BIM數據管理平臺。

3.基于水利行業標準數據格式的BIM數據管理平臺

3.1問題的提出

當前，我國市場上還沒有一個以實現水利工程BIM數據管理和綜合應用的完善和健全的平臺。主要有四方面原因：一是BIM數據格式繁雜，二維時代CAD遍天下的局面已經不在，各個主流廠商的BIM平臺，各種不同方向應用的BIM軟件，導致數據格式眾多，很難以一種統一的格式進行管理；二是BIM軟件眾多且操作復雜，不同的應用方向使用軟件的也不同，給BIM數據從BIM數據生產者（設計單位）到消費者（業主）的傳遞帶來的巨大的障礙，對于真正需要消費BIM數據的業主和使用BIM數據的用戶而言，往往因為巨大的學習成本和復雜操作而無法真正使用，造成BIM數據無法進入水利工程全生命周期應用；三是硬件與軟件投入巨大，一方面為了滿足各方向、專業的應用，需要大量的軟件許可，另一方面BIM軟件一般對硬件要求比較高，需要高性能的硬件設備，這兩方面應用成本也影響了BIM數據平臺的推廣和成熟；四是BIM數據量巨大，一個典型水利工程項目的BIM模型往往是數Gb或者十數Gb，這樣的數據量，如何便捷的在多人、多平臺和多終端的環境中進行傳輸、加載和使用，也是一個技術難題。

3.2解決思路

單就技術手段而言，現有的技術方式要實現現有工程數據平臺化管理和數據的共享和互聯，初步和保守的估計也是數十億人民幣的投入。有鑒于此，我們可以嘗試用BIM定義的方式來實現數據的管理，通過解決BIM數據的標準化、輕量化、安全性、易操作性和BIM數據顯示、處理，建立水利標準的數據格式和自主的BIM顯示、解析引擎。

數據標準化：通過定義一個面向水利水電行業BIM交付的水利標準數據格式，開發專門的轉換工具，可以將各主流BIM平臺的數據轉換為標準數據，一方面解決了在后續使用中對國外軟件平臺的依賴，同時也解決了目前行業內多個BIM平臺同時共存，數據無法統一的問題。

輕量化：輕量化包含數據量的輕量化和使用的輕量化兩個層面，新的標準化的數據格式要能支持對BIM數據進行大幅度的壓縮和優化，同時操作和使用要簡便輕量，降低對使用者的要求。

易操作：基于瀏覽器，“0”客戶端，直接支持桌面及移動端,無需安裝任何應用程序，即可使用BIM數據。

安全性：數據生產者保有源數據的所有權，數據管理平臺只傳輸加密壓縮后的輕量化模型，無需源模型，保證數據安全。

效能：水利水電行業的工程規模普遍比較大，數據管理平臺需要有超大模型的支持能力。

水利標準：建立水利標準的數據格式、數據轉換、數據處理、解析和顯示引擎，不依賴第三方軟件和數據。

3.3技術路線

3.3.1平臺BIM引擎的技術基礎

隨著HTML5和WebGL的廣泛應用，主流瀏覽器如Google的Chrome，Mozilla的Firefox， 微軟的Edge，蘋果的Safari都在第一時間支持WebGL。WebGL是一種3D繪圖標準，這種繪圖技術標準允許把和OpenGL ES 2.0結合在一起，通過增加OpenGL ES 2.0的一個綁定，WebGL可以為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣Web開發人員就可以借助系統顯卡在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型了，還能創建復雜的導航和數據視覺化。WebGL技術標準免去了開發網頁專用渲染插件的麻煩，可被用于創建具有復雜3D結構的網站頁面，實現“0”客戶端的 BIM應用。

3.3.2模型輕量化、標準化及轉換原理

研究從數據的壓縮和數據的碎片化兩個方面來解決模型輕量化的問題。BIM幾何數據和屬性數據輕量化過程見圖3.1。

BIM數據主要分兩大類，第一類數據是描述幾何形態的幾何數據，包括三角面片，紋理數據。三角面片又包含，頂點描述和三角形索引數據，頂點法向量，頂點顏色數據。紋理數據包含紋理坐標，和紋理圖片，還有比較復雜的bump紋理。第二類是BIM構建的屬性數據，如板、梁、柱族的屬性。

幾何數據通過幾何數據壓縮技術來實現輕量化，并采用共享場景節點技術，對幾何形體相同和相似的對象進行壓縮，降低模型的大小。

BIM構件的屬性數據采取數據庫服務器的存儲方式，通過唯一的ID與幾何數據關聯起來。只有當目標對象被查詢時才會將數據從服務器端加載，從而實現了屬性數據本地輕量化。

3.3.3模型數據的標準化

目前的BIM軟件平臺多種多樣，三維數據格式數量眾多，需要水利標準的中間數據格式組織形式。在前端，顯示組件只負責解析自有的數據格式，數據處理則通過插件或者水利標準的轉換組件，將不同的三維數據格式轉化為平臺的標準數據格式，中間標準化數據組織如圖所示：

 

3.3.4模型的流加載及安全

雖然模型的幾何表示數據經過了壓縮處理，但對于復雜、大型的BIM模型，數據量仍然很大。在數據處理上，可以將大的模型切分成很小的片段保存在模型服務器上，當需要加載模型時，系統即初始化三維場景，即時下載即時處理。模型片段化的同時，將片段進行分類，根據各個實例對象的類型和需求依次加載模型。

所有的模型幾何數據和屬性數據都以數據流的方式提供給客戶端，不在本地留下緩存，最大程度保證模型數據的安全性。

3.3.5大模型優化

一個完整的水利工程模型通常都包含數百萬個至上億個多邊形，要在這樣的環境中作實時漫游和流暢操作，必須進行可見性預處理。通常當視點位于建筑物的內部時，只有少數面是可以看見的，而絕大多數面都被遮擋住了。如果能夠只對這一小部分面進行消除或渲染處理，就可以大大提高計算速度。

同時基于預定義的優先級來加載和渲染對象，確保在模型操作過程中的幀率，保證操作的流暢度，待模型操作停止后，再重新完整渲染和顯示全部對象，實現操作和加載模型量之間的平衡。

3.4平臺總體架構

平臺總體架構可劃分功能架構、服務架構和業務平臺整合架構，分別見圖。

3.4.1功能架構

水利標準格式的BIM數據為核心的多維度數據管理平臺功能架構，需要滿足工程點、單體及多項目數據管理需要。功能架構以BIM為核心數據，實現GIS場景調用和定位，并可進行文檔管理和業務協同。

 

 

3.4.2服務架構

在考慮BIM數據的同時，要兼顧GIS、文檔、協同和數據分析等部分，同時為了考慮數據安全及未來高并發的需要，需要滿足高可用的云架構系統設計。

 

3.4.3與業務平臺整合架構

對BIM和GIS的數據的管理同時，還是行業數據的服務平臺和大數據的基礎，平臺在數據收集時已對BIM模型數據進行了結構化組織，并具有水利標準的圖形引擎，解決與業務系統交互中最核心的結構化數據關聯，以及業務系統中顯示和操作BIM模型數據的需求。

4.建立水利工程BIM生態

隨著信息技術的不斷進步，水利部提出 “全面提升水利信息化水平，推動‘數字水利’向‘智慧水利’轉變，以水利信息化、網絡化和智能化帶動水治理體系和治理能力現代化”的總體思路。水利工程建設體系、方法學和思維方式均面臨重構。未來水利工程建設必須堅持創新驅動的發展戰略，BIM將重新定義水利工程建設和管理。因此，建立水利工程BIM生態圈，構建自主可控的BIM體系，助力水利工程技術的轉型升級；構建產、學、研、用的BIM創新體系，營造良好的BIM產業發展環境；大力培養優秀的BIM人才，為BIM發展提供人才保障；將BIM應用到工程建設全生命周期，成為當務之急。

水利工程BIM生態由生產者、參與者、消費者、推動者、環境和能量幾大要素構成。隨著BIM在水利工程應用的深化和擴展，水利工程BIM生態模型在不同時期有所不同。前文所述的第一階段和第二階段，主要圍繞建設期，設計單位從軟件廠商購買軟件和服務提高設計產品的品質，這一時期還不能形成圍繞BIM的生態，供應、消費和收益關系見圖。

未來水利工程BIM圍繞工程全生命周期，BIM供求關系發生了根本變化，由以設計為核心的生態，轉變為以全生命周期，特別是運營為核心的生態。這一階段我們認為，BIM已經成了一件人人都可以獲得的先進技術。使用了BIM技術，未必會取得領先。但是，你不使用BIM技術，你的競爭對手使用了，你可能連競爭機會都沒有。因此，將逐步產生共享機制下基于水利標準數據格式的水利工程BIM生態，生態模型見圖。由圖看出，設計企業、施工企業、軟件廠商和個人是生態系統的“生產者”。生產什么（生產多少），如何生產，為誰生產是生產者關心的問題。政府部門、業主、運營企業、科研單位是生態系統的“消費者”。BIM價值，帶來的效益是消費者關心的問題。除了生產者和消費者以外，技術的引導者，標準的制定者，生態的構造者和數據的擁有者構成了水利BIM生態的“推動者”和“主導者”。

未來的水利工程BIM有三個特點。第一是建模能力，隨著BIM的本地化和行業化加快，建模技術將不再是難點，擁有快速的建模能力和技術將不再是優勢。第二是BIM的工程應用和開發，隨著大量的應用點被發掘，利用BIM+GIS平臺的應用會逐漸普及到工程全生命周期，在設計優化、施工仿真、風險預警、安全生產、成本控制、設備管理和工程監控等方面創造價值。應用技術的門檻也會逐步降低，最終就像OA系統一樣普及。第三是工程數據，當建模和應用不再是門檻，未來只有工程數據是門檻的時候，有數據的人才有競爭優勢。根據共享機制下基于水利標準數據格式的水利BIM生態模型，我們總結了新的水利BIM生態應用框架，見圖。

這個框架中，管理體系和技術體系是生態系統的“環境”。沒有行業主管的肯定，企業決策者在做任何調整和長期投入之前總會猶豫不決。制度的認可和技術體系的建立，更容易被企業接受為共同參照物，并視其為思想和行為指導。因此依靠政策催發建立的管理體系是建立BIM生態的制度基礎，這里包括行政支撐體系、價格體系、認證體系和知識產權保護及共享體系。依靠技術驅動建立的技術體系是建立BIM生態的技術基礎，這里包括標準體系、培訓體系、協同技術。水利標準格式的數據管理平臺技術、互聯網技術、云服務技術。

創新應用和價值發現是整個生態的“能量”來源。通過創造更多的BIM項目，創造增量，打造獲得政策、資本、技術和連接市場的通路。

BIM數據作為生態核心在生態中流動，依靠創新應用和新價值成為整個生態的能量來源，并借助政策催發、技術驅動、價值發現和持續投入四種手段來完成生態的建造。

總結

面對BIM定義水利工程的未來，面對創新，水利工程建設必然走向BIM。但是走向BIM之路無法預測，我們必須承認對BIM價值的無知和不確定性。但可以預見的是“合作”成為主流，任何一方都不能在BIM的全部環節做專做精，靠獨門絕技包打天下已經不再可能，取而代之的是依靠在BIM價值鏈上的多方分工協作。找準定位，形成BIM生態。

在BIM定義水利工程的時代，技術變化加快，一步就實現預定的目標已不可能。不斷修正目標，快速迭代，堅持擴規模、多元化、強連接、倡共享、重運營、技術與應用并重，才能形成水利BIM產業。

擴規模：就是增加BIM工程數量和BIM技術的供給，形成規模；

多元化：就是堅持BIM技術的多元性，在技術競爭中促進技術進步；

強連接：就是政策、資本、技術、市場和產業鏈緊密連接和協同，在協作時代，BIM產業鏈的分工不再只是縱向一體化，同樣強調水平一體化，形成網狀連接，工序會進一步細分。弱連接很難形成規模，總想著自己把全部的活兒都干了，把所有錢都掙了，最后反而會喪失競爭力。

倡共享：就是倡導知識和信息共享，強化信息有序開放和共享，甚至是信息的“自由流動”；

重運營：BIM技術在運營的重要性將超過建造的重要性，在建設期就籌謀運營期BIM應用；

技術與應用并重：實干中不斷積累的應用技術和細節，決定了產業規模的擴張能力，實驗室技術和應用同樣重要，

水利BIM必須努力嘗試促進BIM應用和發揮效益的措施，堅持實用路線，將一切置于實踐檢驗之下。通過對資源進行重新組合后，讓價值和利潤等效，將BIM由成本中心變為利潤中心。