水利工程BIM设计流程研究

摘要

模型是BIM技术的载体。水利工程BIM流程的标准化是模型在二维设计方案的空间、信息多维度延伸的基础上，高效完成综合交付的重要一环。对多种水利工程的BIM实践，以协同技术为依据，提出模型构建的标准化流程；以BIM模型可作为交付数据的整体方案为目标，建立区别于传统二维方案的BIM三维校审流程，包含完整性、合理性、碰撞检查、集中会审四种模块；基于BIM模型具有全寿命期的数据共享属性，建立具有版本控制功能的BIM模型定型流程，由内容定型、环境定型、版本定型、应用定型和权限定型五层架构组成，并建立相互间的关系矩阵。

引言

模型作为BIM技术的载体，建立模型的过程则是BIM技术的基础工作和前提。模型的正确与否直接影响着BIM综合交付的高效协作水平，模型的创建效率直接决定BIM技术的发展效益。技术人员多根据经验完成建模工作，但各行业建立模型的规则差异较大，水利工程建模的方法及流程更无规可循，现有BIM标准多集中于BIM技术体系的整体架构，除了模型自身的核心数据如IFC数据结构外,对三维模型确立的内在流程和组织关系较少涉及；BIM模型可分为两类：其一作为设计方案的翻版模型，即翻模，多依赖于设计方案自身的正确性与合理性，翻模无需进行较复杂的校审和版本变更；其二作为整体设计方案及优化的完整BIM模型，即正向模型，被作为设计或全寿命期交付数据对象，包含了设计意图与明细方案，版本控制的工作量呈现几何倍数增长，需要建立完全区别于二维设计的三维校审体系和模型定型（版本定型）体系。在水利工程项目实践方面，有了标准化的BIM流程，模型便可在二维设计的空间、信息的多维延伸基础上，发挥其核心数据共享功能，以流程作为模型自我发展和完善的催化剂，实现高效率的综合交付。

1、BIM模型构建流程研究

某泵闸工程BIM项目涉及地质、基坑、水工、建筑、结构、金结、电气、水机、给排水、暖通、桥梁共计11个专业，各专业按协同流程建立相应的专业模型，专业模型内容详见表 1.1。

所有建模均基于协同平台，建模流程图如图 1.1 所示。

图 1.1 水利工程BIM模型构建流程图

具体建模流程为以下几点：

（1）建立轴网和基准坐标系

轴网指建筑轴网，建筑、结构、暖通依据此轴网建立模型；基准坐标系以水工站身和闸室特征点（闸室下游与站身相邻的闸室边墩角点为坐标原点）为坐标原点建立正交坐标系，泵闸闸室和站身顺水流向为X轴，垂直水流向为Y轴，Z向按系统默认，表示真实的高程坐标，除建筑、结构、暖通外的其他专业依据此坐标系建立模型，此坐标系实质是绝对坐标系，只是模型位于其原点附近。

（2）水工先行，其他专业并行建模

水工专业依据二维方案图纸进行三维布置和三维建模，建立站身和闸室主体机构模型后，其他专业参考其位置并作为基准建立相应模型。由于采用了三维协同设计，在协同平台中，各专业的建模流程与传统的二维设计图纸流程并不相同，且各专业可以采用“并行建模”的任务处理方式（具体协同的流程详见3.6节），因此其他专业作为为一种并行任务的建模方式。

（3）依据工艺关系建模

某泵闸工程基坑安全等级为一级，采用逆作法施工，同时考虑施工作业的先后顺序，基坑围护模型主要依据工艺关系建立模型。为了建立模型的方便（主要是建模过程中的视觉方便）将基坑围护整体拆分为既有结构、内河围堰、外河围堰、围护桩、桩基础及基坑立柱（格构柱）、坑底加固、防渗帷幕、支撑与土方开挖等独立子模型，然后依次按相对位置关系相互参考逐步建立各子模型。最后对子模型组成的基坑组装模型构件添加施工进度计划时间，使基坑围护模型与逆作法施工工艺相匹配。

（4）功能和位置分区分段建模

水工专业按从上游至下游分为上游附属设施、上游连接段、站身闸室、下游连接段、下游附属设施建模；按功能划分区段分为排涝泵闸和引水泵闸建模，建模依次为抛石防冲槽、内河翼墙及海漫、清污机桥段、进水前池、进水池、消力池、闸室、站身、出水池、消力池、东闸路桥段、外河翼墙及海漫、抛石防冲槽；按层次划分区段分为地基基础和主体结构建模，其中地基基础主要指桩基础和地基处理，主体结构自下而上依次为铺垫、底板、闸墩（泵墩、翼墙等）、胸墙、进出水流道、闸室站身结构层、排架、上部附属设施等。

建筑和结构专业依据水工专业功能分区划分为排涝泵闸厂房区和引水泵闸管理区模型，皆按楼层划分模型，通过软件楼层管理器工具快速定位构件位置，建立各楼层模型。厂房区分为主厂房和副厂房模型，区分1、2、3号楼分别建模，管理区作为自然散落建筑模型依靠室外交通（场地）模型连接。

（5）专业建模先总体、后局部，先主体、后细节原则

各专业先建立总体模型（不影响位置的整体框架），再进行局部细化。如水工专业先进行底板、闸墩、胸墙、排架等主体结构建模，再进行局部开孔、围栏、支墩、玻璃钢盖板等细节建模；建筑和结构专业先进行梁板柱、墙门窗楼板等主体结构建模，再进行台阶、楼梯、栏杆、装饰条连接等细部构造建模。

（6）从元件库（数据库）到模块化拼装

地质专业需先配置（搭建）后台数据库平台（较为独立的专业数据库平台），然后进行地质数据库建立和维护，包括地质定义、勘探布置、地质测绘、地质勘探、物探数据、试验数据、观测数据、查询统计等，最后进行地质勘探建模， 包括地层切分、地质钻孔、开挖地质模型等。

电气专业需先配置（搭建）后台数据库平台（较为独立的专业数据库平台）。其中电气专业需建立模型库（元件库），再根据需求提取数据库模型组建电气模型，分为电气一次与电气二次建模，包括主变压器柜、站用变压器柜、高低压开关柜、进出线柜、控制箱、电缆桥架、LCU柜、照明、火灾报警、视频监控、测量仪表等几部分。

建筑专业门窗，装饰部件，水机专业主泵、电机、齿轮箱、辅助设备等几部分，其中辅助设备包括技术供排水系统、消防供水系统、检修排水系统、渗漏排水系统、起吊设备等，给排水专业雨污水井、阀门、雨水口等均可与主体建模并行，预先建立模型元件库，为整体模型重复调用提供便利，也可同时作为企业级数据库，作为其他同类项目的元件库。

（7）先模型后属性或模型与属性并行建模

在各专业和各任务建模（各子模型）时，可以按一个构件+一个属性集方式建立信息模型，也可以按整体模型+拆分构件+批量赋属性的方式建模（此处属性集包括图层、颜色、切图属性、材质、工程量等属性集合，在Bentley平台中成为family part,详见协同平台章节叙述），例如：水工专业一般可建立整个（或大部分）三维模型后，再进行统一添加属性集；而建筑、结构、给排水、暖通、桥梁等专业则可在建立构建前预先选择属性集（或将属性集挂接至参数化构件），形成标准化信息化构件，再进行统一建模。

（8）专业模型组装

在各专业和各技术人员建立了各自的子模型后，可采用Bentley平台提供的“参考（Reference）”工具将各子模型（或子文件）组合在一起形成专业组装模型。

（9）建立带真实地理坐标的专业总装模型

各专业模型需移动相关模型至真实地理坐标，形成带真实地理坐标的总装模型，便于后期开展基于地理坐标的模型应用。

（10）以真实地理坐标总装模型为基础建立设计场坪模型

在形成带真实地理坐标的总装模型后，同时“参考”该专业总装模型，利用其位置依据，基于现状的场地地形建立设计场坪模型。

（11）建立项目总装模型

将带真实地理坐标的专业总装模型与设计场坪模型通过“参考”组装为项目总装模型。

2、BIM模型定型及可视化流程研究

2.1 三维校审流程

从建模过程到形成项目总装模型的过程应遵循一定的三维校审流程，主要指对专业组装模型、专业总装模型、项目总装模型进行完整性检查、合理性检查、碰撞检查、集中会审。三维校审流程图如图 2.1 所示。

图 2.1 BIM三维校审流程图

三维设计成果的校核与审查有别于传统打印图纸的校审模式，三维设计的校审工作，可以借助Navigator、AECOsim Building Designer软件实施，通过导入三维模型进行浏览、添加批注、保存视图、碰撞检查等方式完成校审工作，高效且节能。

一、完整性检查指通过浏览项目总装模型或专业总装模型的子模型（子文件）组成以及通过对模型本身浏览、观察、剖切、视角切换、漫游等行为检查模型某些位置和某些构件（设备、部件）等的缺失来判断模型是否完整的过程。具体流程为

（1）打开“参考”文件工具，检查模型组成目录树结构，以功能完备性和结构完整性两条原则检查文件缺失情况；

（2）浏览和观察模型，检查子模型、构件（系统、设备、部件、功能元素）是否缺失；

（3）通过剖切、漫游等工具检查模型内部空间（厂房、房屋内部等）和模型细部构造（连接、开孔等），检查内部构件位置和完备性。

二、合理性检查指通过与设计技术（工程技术、标准规范、方案优劣）的对接以及通过三维数字化模型检验设计技术的合理性过程。具体流程为

（1）首先检验模型是否满足设计技术（技术要求、标准规范）的规定；

（2）其次在满足设计控制性要求的前提下，综合检查模型与模型（空间布置、功能逻辑、技术衔接）之间对接的合理性；

（3）通过对模型和设计技术的综合考察，探索设计技术（包括模型）是否有优化的空间；

三、碰撞检查指通过BIM软件平台自动完成对构件与构件（不同类别的元素）之间空间净空、安装间距、作业空间是否满足要求的过程。具体流程为

（1）统计规划需要进行碰撞检查的专业、模型、构件、设备等要素；

（2）按规划顺序进行两要素间的碰撞检查；

（3）对碰撞检查结果进行二次筛选；

（4）保存并输出统计经筛选后的碰撞检查结果，并输出为表格保存；

（5）分析碰撞检查结果出现的原因、类型、调整方式、调整结果，形成碰撞检查报告，作为BIM技术报告的中期报告（中间报告）或称为其一部分。

四、集中会审指召集BIM技术模型负责人员和设计技术控制相关负责人员集中对项目总装模型进行联合校审的过程，一般包括专业三维会审和项目三维会审。

（1）专业三维会审主要目的是对本专业三维总体设计进行校审，主要内容如下：

1）水工专业各部分结构型式、总体布置是否与项目总体策划匹配。

2）专业内部是否存在不匹配之处。

3）本专业结构是否与电气、水机、金属结构等其它专业存在干扰、冲突。

4）其它需要会审的内容。

（2）项目三维会审是在各专业完成本专业三维总体设计和三维会审后，项目组组织召开项目三维会审会议，集中对项目总装模型进行会审的过程，主要内容如下：

1）项目总体布置是否合理、美观。

2）各专业间的结构、设备、管线是否存在干扰、冲突。

3）孔洞、通道、集水井等隐蔽工程是否满足功能及使用要求。

4）讨论、协调专业间的布置冲突；确认各专业的三维设计进度是否满足要求。

5）其它需要会审的内容。

2.2 模型定型流程

经过三维设计成果的校核与审查后，各专业组装模型及项目总装模型已基本定型，在进行项目出图之前，必须完成三维模型定型，以确保设计成果的正确性和精准性，在此基础上才能进入下一阶段的出图，如此才能保证高效和精准。模型定型按照模型自身的结构关系可分为内容定型、环境定型、版本定型、应用定型和权限定型五个环节,模型定型的内容及相互关系可以用矩阵表表示，如表 2.1 所示。

一、内容定型主要指在进行模型校审后，各专业的模型、专业组装模型、专业总装模型、项目总装模型系统、设备、部件（构件）满足完整性、合理性和碰撞检查以及相应的技术要求，可以作为正确的数据模型固定下来，开展后期模型应用。该环节的具体流程为：

（1）整理模型存储目录，按规范命名模型文件名；

（2）删减多余的线、面、体（如辅助线、面等要素）和冗余属性及信息；

（3）删除底层文件冗余的“参考”链接文件，梳理组装文件的文件链接层级，避免过多嵌套“参考”；

二、环境定型主要针对协同平台，是对本项目的共享数据库（属性库和元件库）的定型，由于采用ProjectWise协同平台，环境定型多是由协同平台管理员管理和维护，并不影响其他专业BIM技术人员的模型定型工作。具体地，环境定型主要包括项目级共享数据库的定型，如在某泵闸工程项目中建筑和结构专业反复应用的楼层管理器。地质、电气专业数据库配置平台以及基本数据库也随着其模型内容的定型而固定下来。

三、版本定型是随着项目实施推进产生的较大（或较多）模型改动后产生的多次模型内容定型的版本，如项目在一个建设阶段产生的企业内部的初次定型版本、重大节点定型版本、阶段最终定型版本三个基本的模型定型版本。定型版本的数量是制约BIM技术设计生产效率的关键因素，因此应做好BIM技术整体策划，加强协调和管理来限制定型版本的数量，使其与模型应用目标以及设计基本需求相匹配。版本定型的方式为：

（1）在协同平台中建立完整的版本定型目录结构，以A版、B版……等为定型版本根目录（版本号），项目进行中一般建立A版、B版两种目录，在有更多定型版本时再新建新的版本号，内部目录结构按标准化结构目录进行（详见协同流程）；

（2）版本定型后建立版本说明文件，说明工程属性、项目属性、版本适用性、版本建立时间等相关要素。

四、应用定型即以应用目标为导向的模型定型。在项目进展过程中，有时并非所有的节点、任务、需求都需要完整的项目总装模型，而单独考察其中几项内容，例如在前期的基坑影响评价、三维模型到二维图纸抽取等应用过程。伴随着水利工程建设的逐步推进，对模型的关注点多是不同的，可以建立以这种以重要节点的应用目标为依据的定型模型，即应用定型，可单独建立版本，也可与版本定型相结合进行。应用定型按以下步骤进行：

（1）整理应用目标，通过新模型模板（种子文件）建立应用子模型；

（2）标准化命名子模型，描述子模型应用目标、主要内容、面向对象、提交时间等信息；

（3）协同平台上建立相应的应用定型目录，存储应用子模型用于指定的应用目标。

五、权限定型作为以上四种模型定型管理权限的界定。在某种版本确定为定型版本（或者新建某种定型版本）后，由协同平台管理员对其定型版本的文档权限和人员角色权限作出调整，即定型后的版本只对主要负责人员开放文档控制权限，包括读、写权限，但无删除权限。

某泵闸按BIM标准化设计流程得到施工图阶段设计模型如图 2.2 所示，某河道工程按BIM标准化设计流程得到施工图阶段设计模型如图 2.3 所示。

图 2.2 基于标准化BIM设计流程的某泵闸工程BIM可视化

图 2.3 基于标准化BIM设计流程的某河道工程BIM可视化

3、结 论

目前水利工程BIM建模的方法及流程无规可循；模型可视化往往被独立于BIM技术之外独立完成，不能发挥BIM模型的核心数据共享功能。

笔者针对以上问题，研究水利工程多种工程实践成果，提出：

（1）BIM模型构建的流程可分为11个过程，在协同平台上按各过程的先后顺序与主次关系进行建模，可有效降低建模过程的随意性带来的效率延滞。

（2）BIM模型的校审流程包括完整性、合理性、碰撞检查及集中会审；定型流程包括内容定型、环境定型、版本定型、应用定型和权限定型。