水利工程BIM的發(fā)展的三個階段

1.前言

今天我們進入了全新時代，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、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”。

2. 水利工程BIM的發(fā)展

BIM在我國水利工程建設和管理中的發(fā)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(zhì)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(xiàn)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(yè)開始逐步創(chuàng)造了一個新的職業(yè)-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(yè)級應用擴展，由個性化應用逐步轉變?yōu)闃藴驶瘧谩?/p>

第三階段(從2016年起至今)——BIM價值重新發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡化，并已經(jīng)滲透到工程建設的方方面面，由設計階段的虛擬現(xiàn)實技術(VR)向施工階段的增強現(xiàn)實技術(AR)和運營階段的混合現(xiàn)實技術(MR)轉變。BIM結合地理信息系統(tǒng)(GIS)、可視化和人工智能技術(AI)形成了新的數(shù)字化工程和新的產(chǎn)業(yè)。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(fā)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(fā)展階段在不斷被發(fā)掘和變化。第一階段的價值主要是提高設計效率和質(zhì)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(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)技術、虛擬現(xiàn)實技術、地理信息系統(tǒng)技術、增強現(xiàn)實技術、大數(shù)據(jù)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(xù)地增加，有的工程已經(jīng)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(xié)同技術、GIS+BIM的平臺技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、云技術和大數(shù)據(jù)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(xù)提高。一些有前瞻性的水利水電工程項目業(yè)主，如“國網(wǎng)新源”已經(jīng)要求新建抽水蓄能電站項目，必須采用數(shù)字化交付，并進行單獨計價。單個工程僅數(shù)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(shù)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(jīng)開始進行數(shù)字流域研究和建設。我們大膽預計水利行業(yè)已建的472座大型水庫，在未來10年均有進行數(shù)字化改造的需求，僅此一項未來10年，每年水利工程數(shù)字化+信息平臺建設產(chǎn)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(xiàn)在萬物可互聯(lián)，一切均數(shù)字化，并在這個基礎上支撐大數(shù)據(jù)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(huán)融合的環(huán)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(xiàn)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(yè)標準數(shù)據(jù)格式的BIM數(shù)據(jù)管理平臺。

3.基于水利行業(yè)標準數(shù)據(jù)格式的BIM數(shù)據(jù)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(xiàn)水利工程BIM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式繁雜，二維時代CAD遍天下的局面已經(jīng)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(shù)據(jù)格式眾多，很難以一種統(tǒng)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(shù)據(jù)從BIM數(shù)據(jù)生產(chǎn)者(設計單位)到消費者(業(yè)主)的傳遞帶來的巨大的障礙，對于真正需要消費BIM數(shù)據(jù)的業(yè)主和使用BIM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yè)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(shù)據(jù)平臺的推廣和成熟;四是BIM數(shù)據(jù)量巨大，一個典型水利工程項目的BIM模型往往是數(shù)Gb或者十數(shù)Gb，這樣的數(shù)據(jù)量，如何便捷的在多人、多平臺和多終端的環(huán)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(xiàn)有的技術方式要實現(xiàn)現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)平臺化管理和數(shù)據(jù)的共享和互聯(lián)，初步和保守的估計也是數(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)的管理，通過解決BIM數(shù)據(jù)的標準化、輕量化、安全性、易操作性和BIM數(shù)據(jù)顯示、處理，建立水利標準的數(shù)據(jù)格式和自主的BIM顯示、解析引擎。

數(shù)據(jù)標準化：通過定義一個面向水利水電行業(yè)BIM交付的水利標準數(shù)據(jù)格式，開發(fā)專門的轉換工具，可以將各主流BIM平臺的數(shù)據(jù)轉換為標準數(shù)據(jù)，一方面解決了在后續(xù)使用中對國外軟件平臺的依賴，同時也解決了目前行業(yè)內(nèi)多個BIM平臺同時共存，數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一的問題。

輕量化：輕量化包含數(shù)據(jù)量的輕量化和使用的輕量化兩個層面，新的標準化的數(shù)據(jù)格式要能支持對BIM數(shù)據(jù)進行大幅度的壓縮和優(yōu)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(shù)據(jù)。

安全性：數(shù)據(jù)生產(chǎn)者保有源數(shù)據(jù)的所有權，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)安全。

效能：水利水電行業(yè)的工程規(guī)模普遍比較大，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)處理、解析和顯示引擎，不依賴第三方軟件和數(shù)據(jù)。

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(fā)人員就可以借助系統(tǒng)顯卡在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型了，還能創(chuàng)建復雜的導航和數(shù)據(jù)視覺化。WebGL技術標準免去了開發(fā)網(wǎng)頁專用渲染插件的麻煩，可被用于創(chuàng)建具有復雜3D結構的網(wǎng)站頁面，實現(xiàn)“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(shù)據(jù)的壓縮和數(shù)據(jù)的碎片化兩個方面來解決模型輕量化的問題。BIM幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)輕量化過程見圖3.1。

BIM數(shù)據(jù)主要分兩大類，第一類數(shù)據(jù)是描述幾何形態(tài)的幾何數(shù)據(jù)，包括三角面片，紋理數(shù)據(jù)。三角面片又包含，頂點描述和三角形索引數(shù)據(jù)，頂點法向量，頂點顏色數(shù)據(jù)。紋理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，如板、梁、柱族的屬性。

幾何數(shù)據(jù)通過幾何數(shù)據(jù)壓縮技術來實現(xiàn)輕量化，并采用共享場景節(jié)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(shù)據(jù)采取數(shù)據(jù)庫服務器的存儲方式，通過唯一的ID與幾何數(shù)據(jù)關聯(lián)起來。只有當目標對象被查詢時才會將數(shù)據(jù)從服務器端加載，從而實現(xiàn)了屬性數(shù)據(jù)本地輕量化。

3.3.3模型數(shù)據(jù)的標準化

目前的BIM軟件平臺多種多樣，三維數(shù)據(jù)格式數(shù)量眾多，需要水利標準的中間數(shù)據(jù)格式組織形式。在前端，顯示組件只負責解析自有的數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式轉化為平臺的標準數(shù)據(jù)格式。

3.3.4模型的流加載及安全

雖然模型的幾何表示數(shù)據(jù)經(jīng)過了壓縮處理，但對于復雜、大型的BIM模型，數(shù)據(jù)量仍然很大。在數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jù)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(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的安全性。

3.3.5大模型優(yōu)化

一個完整的水利工程模型通常都包含數(shù)百萬個至上億個多邊形，要在這樣的環(huán)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(nèi)部時，只有少數(shù)面是可以看見的，而絕大多數(shù)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(yōu)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(xiàn)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(yè)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(shù)據(jù)為核心的多維度數(shù)據(jù)管理平臺功能架構，需要滿足工程點、單體及多項目數(shù)據(jù)管理需要。功能架構以BIM為核心數(shù)據(jù)，實現(xiàn)GIS場景調(diào)用和定位，并可進行文檔管理和業(yè)務協(xié)同。

3.4.2服務架構

在考慮BIM數(shù)據(jù)的同時，要兼顧GIS、文檔、協(xié)同和數(shù)據(jù)分析等部分，同時為了考慮數(shù)據(jù)安全及未來高并發(fā)的需要，需要滿足高可用的云架構系統(tǒng)設計。

3.4.3與業(yè)務平臺整合架構

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

4.建立水利工程BIM生態(tài)

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(shù)字水利’向‘智慧水利’轉變，以水利信息化、網(wǎng)絡化和智能化帶動水治理體系和治理能力現(xiàn)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(chuàng)新驅動的發(fā)展戰(zhàn)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(tài)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(chǎn)、學、研、用的BIM創(chuàng)新體系，營造良好的BIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境;大力培養(yǎng)優(yōu)秀的BIM人才，為BIM發(fā)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(tài)由生產(chǎn)者、參與者、消費者、推動者、環(huán)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(tài)模型在不同時期有所不同。

未來水利工程BIM圍繞工程全生命周期，BIM供求關系發(fā)生了根本變化，由以設計為核心的生態(tài)，轉變?yōu)橐匀芷冢貏e是運營為核心的生態(tài)。這一階段我們認為，BIM已經(jīng)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(chǎn)生共享機制下基于水利標準數(shù)據(jù)格式的水利工程BIM生態(tài)，生態(tài)模型見圖。由圖看出，設計企業(yè)、施工企業(yè)、軟件廠商和個人是生態(tài)系統(tǒng)的“生產(chǎn)者”。生產(chǎn)什么(生產(chǎn)多少)，如何生產(chǎn)，為誰生產(chǎn)是生產(chǎn)者關心的問題。政府部門、業(yè)主、運營企業(yè)、科研單位是生態(tài)系統(tǒng)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(chǎn)者和消費者以外，技術的引導者，標準的制定者，生態(tài)的構造者和數(shù)據(jù)的擁有者構成了水利BIM生態(tài)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(yè)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(yōu)勢。第二是BIM的工程應用和開發(fā)，隨著大量的應用點被發(fā)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(yōu)化、施工仿真、風險預警、安全生產(chǎn)、成本控制、設備管理和工程監(jiān)控等方面創(chuàng)造價值。應用技術的門檻也會逐步降低，最終就像OA系統(tǒng)一樣普及。第三是工程數(shù)據(jù)，當建模和應用不再是門檻，未來只有工程數(shù)據(jù)是門檻的時候，有數(shù)據(jù)的人才有競爭優(yōu)勢。

這個框架中，管理體系和技術體系是生態(tài)系統(tǒng)的“環(huán)境”。沒有行業(yè)主管的肯定，企業(yè)決策者在做任何調(diào)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(yè)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(fā)建立的管理體系是建立BIM生態(tài)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(chǎn)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(tài)的技術基礎，這里包括標準體系、培訓體系、協(xié)同技術。水利標準格式的數(shù)據(jù)管理平臺技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、云服務技術。

創(chuàng)新應用和價值發(fā)現(xiàn)是整個生態(tài)的“能量”來源。通過創(chuàng)造更多的BIM項目，創(chuàng)造增量，打造獲得政策、資本、技術和連接市場的通路。

BIM數(shù)據(jù)作為生態(tài)核心在生態(tài)中流動，依靠創(chuàng)新應用和新價值成為整個生態(tài)的能量來源，并借助政策催發(fā)、技術驅動、價值發(fā)現(xiàn)和持續(xù)投入四種手段來完成生態(tài)的建造。

BIM模型在施工過程中的應用可全面提升工程造價行業(yè)效率與信息化管理水平，優(yōu)化管理流程，高效率、高精準度的完成工程量計算工作。以上內(nèi)容就是“水利工程BIM的發(fā)展的三個階段”，更多BIM熱點資訊/教程分享歡迎關注微信公眾號“BIM實訓”，也可點擊下方免費下載領取精品學習資料。