BIM如何定义水利工程建设和管理的未来？

1.前言 

今天我们进入了全新时代，云计算、大数据、物联网、移动化和人工智能简称“云、大、物、移、智”成为人人都在关注的话题。水利工程建设管理与信息技术深度融合成为公认的趋势，标志着水利工程建设和管理走进了“BIM定义的时代”。

2. 水利工程BIM的发展

BIM在我国水利工程建设和管理中的发展大概分为三个阶段：

第一阶段（2009年--2015年）——用BIM技术提高设计效率和质量阶段。这一阶段，水利工程设计进入三维模型时代，逐步实现了水利工程三维真实建模，基于三维设计模型的工程仿真（CAE）和基于三维设计模型的碰撞检查，剖切出图等。

第二阶段（2015年--2016年）——BIM资源整合阶段。 BIM技术在水利工程建设行业开始逐步创造了一个新的职业-BIM工程师。BIM技术应用到水利工程设计、施工和验收等全部建设期，基于4D工程进度模拟、5D工程量计算和可视化验收等被应用到工程实践中。设计、施工和工程建设管理单位也将BIM从项目级应用向企业级应用扩展，由个性化应用逐步转变为标准化应用。

第三阶段（从2016年起至今）——BIM价值重新发现阶段。BIM在水利工程建设领域开始进入多维时代。BIM由单一技术应用走向服务化和网络化，并已经渗透到工程建设的方方面面，由设计阶段的虚拟现实技术（VR）向施工阶段的增强现实技术（AR）和运营阶段的混合现实技术（MR）转变。BIM结合地理信息系统（GIS）、可视化和人工智能技术（AI）形成了新的数字化工程和新的产业。从这一阶段起，我们开始认识到，可以用BIM来定义水利工程建设和管理的未来。

由水利工程BIM的发展的三个阶段可以看出，BIM技术在水利工程建设和管理领域的核心价值随着不同的发展阶段在不断被发掘和变化。第一阶段的价值主要是提高设计效率和质量，减少设计过程中的“错、漏、碰、缺”，为工程决策提供更加直观的参考支撑。第二阶段的价值是提高工程建设和管理的水平，工期预计更准确，工程量计算更精确。第三阶段的价值是通过工程数据的不断积累，定量分析工程可靠性，消除水利工程的不确定性，并可进行衍生式设计，反向设计，分析设计是否合理，是否保守，是否有设计缺陷。这一阶段单靠BIM技术本身还不能做到，还需要与互联网技术、虚拟现实技术、地理信息系统技术、增强现实技术、大数据技术和人工智能技术相结合。

从近年来水利工程的造价来看，信息化的比重一直在持续地增加，有的工程已经占到了工程造价的10%以上。特别是 BIM催生了工程建设新的模式的变化，随着三维协同技术、GIS+BIM的平台技术、互联网技术、云技术和大数据技术不断被应用到水利工程建设和运行管理领域，这一比例还将持续提高。一些有前瞻性的水利水电工程项目业主，如“国网新源”已经要求新建抽水蓄能电站项目，必须采用数字化交付，并进行单独计价。单个工程仅数字化交付的造价就达到1000万元人民币，如果加上信息化平台建设，单个工程的数字交付+信息平台造价将达到5000万元人民币。当前，水利部和国家能源局也已经开始进行数字流域研究和建设。我们大胆预计水利行业已建的472座大型水库，在未来10年均有进行数字化改造的需求，仅此一项未来10年，每年水利工程数字化+信息平台建设产值将不会低于20亿元人民币。

未来我们正在进入一个BIM定义水利工程的时代，其基本的特征表现在万物可互联，一切均数字化，并在这个基础上支撑大数据应用和人工智能应用。海量多元的信息资源，需要新的BIM定义的方式进行管理。人机料法环融合的环境下新的应用模式也正在不断地诞生，在这种情况下怎么实现它的有效管理，并支撑各种各样的应用，需要构建一个共性的基于水利行业标准数据格式的BIM数据管理平台。

3.基于水利行业标准数据格式的BIM数据管理平台

3.1问题的提出

当前，我国市场上还没有一个以实现水利工程BIM数据管理和综合应用的完善和健全的平台。主要有四方面原因：一是BIM数据格式繁杂，二维时代CAD遍天下的局面已经不在，各个主流厂商的BIM平台，各种不同方向应用的BIM软件，导致数据格式众多，很难以一种统一的格式进行管理；二是BIM软件众多且操作复杂，不同的应用方向使用软件的也不同，给BIM数据从BIM数据生产者（设计单位）到消费者（业主）的传递带来的巨大的障碍，对于真正需要消费BIM数据的业主和使用BIM数据的用户而言，往往因为巨大的学习成本和复杂操作而无法真正使用，造成BIM数据无法进入水利工程全生命周期应用；三是硬件与软件投入巨大，一方面为了满足各方向、专业的应用，需要大量的软件许可，另一方面BIM软件一般对硬件要求比较高，需要高性能的硬件设备，这两方面应用成本也影响了BIM数据平台的推广和成熟；四是BIM数据量巨大，一个典型水利工程项目的BIM模型往往是数Gb或者十数Gb，这样的数据量，如何便捷的在多人、多平台和多终端的环境中进行传输、加载和使用，也是一个技术难题。

3.2解决思路

单就技术手段而言，现有的技术方式要实现现有工程数据平台化管理和数据的共享和互联，初步和保守的估计也是数十亿人民币的投入。有鉴于此，我们可以尝试用BIM定义的方式来实现数据的管理，通过解决BIM数据的标准化、轻量化、安全性、易操作性和BIM数据显示、处理，建立水利标准的数据格式和自主的BIM显示、解析引擎。

数据标准化：通过定义一个面向水利水电行业BIM交付的水利标准数据格式，开发专门的转换工具，可以将各主流BIM平台的数据转换为标准数据，一方面解决了在后续使用中对国外软件平台的依赖，同时也解决了目前行业内多个BIM平台同时共存，数据无法统一的问题。

轻量化：轻量化包含数据量的轻量化和使用的轻量化两个层面，新的标准化的数据格式要能支持对BIM数据进行大幅度的压缩和优化，同时操作和使用要简便轻量，降低对使用者的要求。

易操作：基于浏览器，“0”客户端，直接支持桌面及移动端,无需安装任何应用程序，即可使用BIM数据。

安全性：数据生产者保有源数据的所有权，数据管理平台只传输加密压缩后的轻量化模型，无需源模型，保证数据安全。

效能：水利水电行业的工程规模普遍比较大，数据管理平台需要有超大模型的支持能力。

水利标准：建立水利标准的数据格式、数据转换、数据处理、解析和显示引擎，不依赖第三方软件和数据。

3.3技术路线

3.3.1平台BIM引擎的技术基础

随着HTML5和WebGL的广泛应用，主流浏览器如Google的Chrome，Mozilla的Firefox， 微软的Edge，苹果的Safari都在第一时间支持WebGL。WebGL是一种3D绘图标准，这种绘图技术标准允许把和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个绑定，WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。WebGL技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面，实现“0”客户端的BIM应用。

3.3.2模型轻量化、标准化及转换原理

研究从数据的压缩和数据的碎片化两个方面来解决模型轻量化的问题。BIM几何数据和属性数据轻量化过程见图3.1。

BIM数据主要分两大类，第一类数据是描述几何形态的几何数据，包括三角面片，纹理数据。三角面片又包含，顶点描述和三角形索引数据，顶点法向量，顶点颜色数据。纹理数据包含纹理坐标，和纹理图片，还有比较复杂的bump纹理。第二类是BIM构建的属性数据，如板、梁、柱族的属性。

几何数据通过几何数据压缩技术来实现轻量化，并采用共享场景节点技术，对几何形体相同和相似的对象进行压缩，降低模型的大小。

BIM构件的属性数据采取数据库服务器的存储方式，通过唯一的ID与几何数据关联起来。只有当目标对象被查询时才会将数据从服务器端加载，从而实现了属性数据本地轻量化。

3.3.3模型数据的标准化

目前的BIM软件平台多种多样，三维数据格式数量众多，需要水利标准的中间数据格式组织形式。在前端，显示组件只负责解析自有的数据格式，数据处理则通过插件或者水利标准的转换组件，将不同的三维数据格式转化为平台的标准数据格式，中间标准化数据组织如图所示：

3.3.4模型的流加载及安全

虽然模型的几何表示数据经过了压缩处理，但对于复杂、大型的BIM模型，数据量仍然很大。在数据处理上，可以将大的模型切分成很小的片段保存在模型服务器上，当需要加载模型时，系统即初始化三维场景，即时下载即时处理。模型片段化的同时，将片段进行分类，根据各个实例对象的类型和需求依次加载模型。

所有的模型几何数据和属性数据都以数据流的方式提供给客户端，不在本地留下缓存，最大程度保证模型数据的安全性。

3.3.5大模型优化

一个完整的水利工程模型通常都包含数百万个至上亿个多边形，要在这样的环境中作实时漫游和流畅操作，必须进行可见性预处理。通常当视点位于建筑物的内部时，只有少数面是可以看见的，而绝大多数面都被遮挡住了。如果能够只对这一小部分面进行消除或渲染处理，就可以大大提高计算速度。

同时基于预定义的优先级来加载和渲染对象，确保在模型操作过程中的帧率，保证操作的流畅度，待模型操作停止后，再重新完整渲染和显示全部对象，实现操作和加载模型量之间的平衡。

3.4平台总体架构

平台总体架构可划分功能架构、服务架构和业务平台整合架构，分别见图。

3.4.1功能架构

水利标准格式的BIM数据为核心的多维度数据管理平台功能架构，需要满足工程点、单体及多项目数据管理需要。功能架构以BIM为核心数据，实现GIS场景调用和定位，并可进行文档管理和业务协同。

3.4.2服务架构

在考虑BIM数据的同时，要兼顾GIS、文档、协同和数据分析等部分，同时为了考虑数据安全及未来高并发的需要，需要满足高可用的云架构系统设计。

3.4.3与业务平台整合架构

对BIM和GIS的数据的管理同时，还是行业数据的服务平台和大数据的基础，平台在数据收集时已对BIM模型数据进行了结构化组织，并具有水利标准的图形引擎，解决与业务系统交互中最核心的结构化数据关联，以及业务系统中显示和操作BIM模型数据的需求。

4.建立水利工程BIM生态

随着信息技术的不断进步，水利部提出 “全面提升水利信息化水平，推动‘数字水利’向‘智慧水利’转变，以水利信息化、网络化和智能化带动水治理体系和治理能力现代化”的总体思路。水利工程建设体系、方法学和思维方式均面临重构。未来水利工程建设必须坚持创新驱动的发展战略，BIM将重新定义水利工程建设和管理。因此，建立水利工程BIM生态圈，构建自主可控的BIM体系，助力水利工程技术的转型升级；构建产、学、研、用的BIM创新体系，营造良好的BIM产业发展环境；大力培养优秀的BIM人才，为BIM发展提供人才保障；将BIM应用到工程建设全生命周期，成为当务之急。

水利工程BIM生态由生产者、参与者、消费者、推动者、环境和能量几大要素构成。随着BIM在水利工程应用的深化和扩展，水利工程BIM生态模型在不同时期有所不同。前文所述的第一阶段和第二阶段，主要围绕建设期，设计单位从软件厂商购买软件和服务提高设计产品的品质，这一时期还不能形成围绕BIM的生态，供应、消费和收益关系见图。

未来水利工程BIM围绕工程全生命周期，BIM供求关系发生了根本变化，由以设计为核心的生态，转变为以全生命周期，特别是运营为核心的生态。这一阶段我们认为，BIM已经成了一件人人都可以获得的先进技术。使用了BIM技术，未必会取得领先。但是，你不使用BIM技术，你的竞争对手使用了，你可能连竞争机会都没有。因此，将逐步产生共享机制下基于水利标准数据格式的水利工程BIM生态，生态模型见图。由图看出，设计企业、施工企业、软件厂商和个人是生态系统的“生产者”。生产什么（生产多少），如何生产，为谁生产是生产者关心的问题。政府部门、业主、运营企业、科研单位是生态系统的“消费者”。BIM价值，带来的效益是消费者关心的问题。除了生产者和消费者以外，技术的引导者，标准的制定者，生态的构造者和数据的拥有者构成了水利BIM生态的“推动者”和“主导者”。

未来的水利工程BIM有三个特点。第一是建模能力，随着BIM的本地化和行业化加快，建模技术将不再是难点，拥有快速的建模能力和技术将不再是优势。第二是BIM的工程应用和开发，随着大量的应用点被发掘，利用BIM+GIS平台的应用会逐渐普及到工程全生命周期，在设计优化、施工仿真、风险预警、安全生产、成本控制、设备管理和工程监控等方面创造价值。应用技术的门槛也会逐步降低，最终就像OA系统一样普及。第三是工程数据，当建模和应用不再是门槛，未来只有工程数据是门槛的时候，有数据的人才有竞争优势。根据共享机制下基于水利标准数据格式的水利BIM生态模型，我们总结了新的水利BIM生态应用框架，见图。

这个框架中，管理体系和技术体系是生态系统的“环境”。没有行业主管的肯定，企业决策者在做任何调整和长期投入之前总会犹豫不决。制度的认可和技术体系的建立，更容易被企业接受为共同参照物，并视其为思想和行为指导。因此依靠政策催发建立的管理体系是建立BIM生态的制度基础，这里包括行政支撑体系、价格体系、认证体系和知识产权保护及共享体系。依靠技术驱动建立的技术体系是建立BIM生态的技术基础，这里包括标准体系、培训体系、协同技术。水利标准格式的数据管理平台技术、互联网技术、云服务技术。

创新应用和价值发现是整个生态的“能量”来源。通过创造更多的BIM项目，创造增量，打造获得政策、资本、技术和连接市场的通路。

BIM数据作为生态核心在生态中流动，依靠创新应用和新价值成为整个生态的能量来源，并借助政策催发、技术驱动、价值发现和持续投入四种手段来完成生态的建造。

5.结语

面对BIM定义水利工程的未来，面对创新，水利工程建设必然走向BIM。但是走向BIM之路无法预测，我们必须承认对BIM价值的无知和不确定性。但可以预见的是“合作”成为主流，任何一方都不能在BIM的全部环节做专做精，靠独门绝技包打天下已经不再可能，取而代之的是依靠在BIM价值链上的多方分工协作。找准定位，形成BIM生态。

在BIM定义水利工程的时代，技术变化加快，一步就实现预定的目标已不可能。不断修正目标，快速迭代，坚持扩规模、多元化、强连接、倡共享、重运营、技术与应用并重，才能形成水利BIM产业。

扩规模：就是增加BIM工程数量和BIM技术的供给，形成规模；

多元化：就是坚持BIM技术的多元性，在技术竞争中促进技术进步；

强连接：就是政策、资本、技术、市场和产业链紧密连接和协同，在协作时代，BIM产业链的分工不再只是纵向一体化，同样强调水平一体化，形成网状连接，工序会进一步细分。弱连接很难形成规模，总想着自己把全部的活儿都干了，把所有钱都挣了，最后反而会丧失竞争力。

倡共享：就是倡导知识和信息共享，强化信息有序开放和共享，甚至是信息的“自由流动”；

重运营：BIM技术在运营的重要性将超过建造的重要性，在建设期就筹谋运营期BIM应用；

技术与应用并重：实干中不断积累的应用技术和细节，决定了产业规模的扩张能力，实验室技术和应用同样重要，

水利BIM必须努力尝试促进BIM应用和发挥效益的措施，坚持实用路线，将一切置于实践检验之下。通过对资源进行重新组合后，让价值和利润等效，将BIM由成本中心变为利润中心。