随着水利进入新发展阶段，高质量发展已成为水利工作的主题[1-2]。水利部党组把推进智慧水利建设作为新阶段水利高质量发展重要实施路径。充分运用物联网、大数据、云计算、人工智能、数字孪生等新一代信息技术与水利业务的深度融合，提升水利业务的数字化、网络化和智能化管理水平，是新阶段水利高质量发展的重要体现。近年来，以建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术[3]为核心的信息化、智能化建造已成为水利行业的焦点之一[4-8]，在水利工程设计、施工、养护、运营管理信息的传递、共享、协同和应用工作中发挥着支撑性的作用，促进工程建设项目全程信息化。

本文以海河防潮闸除险加固工程为依托，从初步设计到施工图阶段的整个设计阶段采用BIM技术开展工程设计，地质、水工、施工、建筑、机电等多个专业参与项目。研究BIM技术正向设计应用[9-12]，为实际项目应用提供良好的参考借鉴。

1 工程概况

海河防潮闸位于天津市滨海新区海河干流入海口，是筑牢天津市200年一遇城市防洪圈东部海挡防线的关键节点工程，工程任务是泄洪、排涝、挡潮，兼顾航运等。海河防潮闸除险加固工程为Ⅰ等大（1）型工程，主要建筑物级别为1级，主要建设内容为：拆除重建闸室及其上部结构、岸翼墙、上游铺盖、下游消力池等；更换闸门、启闭机及配套电气设施；修复加固上、下游连接段护坦、护坡及防冲槽；拆建防浪墙与现状达标防浪墙衔接；复建两岸控制楼、启闭机房、亭子等仿古建筑；对现有管理用房进行改造；对防潮闸周边进行绿化和铺装；新增运行管理所需的自动化系统、视频监控系统、工程信息化系统及安全监测等设施等。

2 设计过程BIM应用

本工程在初步设计阶段采用BIM技术进行全专业三维协同正向设计。在初设工作开展初期，先采集项目区的高精度倾斜摄影实景模型，准确反映工程场地现状。在初设阶段，把协同设计、实景模型、三维地形、三维地质、参数化建模、三维计算、可视化展示等多项BIM技术综合应用于本工程中的设计工作中，开展三维协同正向设计工作，设计范围涵盖水工、施工、金结、建筑、地质、测量等全专业。在设计完成后，将设计成果整合交付，提交给项目业主，实现项目数据在设计、施工、运维各阶段的传递。

2.1项目级BIM应用标准

在项目启动之初，建立完善的项目级BIM应用标准，规范了项目各参与方的应用行为，为专业协同、数据传递提供基础，确保各专业协同应用和BIM成果交付工作的顺利进行。

图1  BIM应用标准

Fig.1 BIM Application Standards

2.2建模软件

选用Bentley平台作为三维协同正向设计软件。采用MicroStation、OpenBuildings Designer、GEOPAK、GeoStation、ContextCapture等软件对工程中所涉及到的闸室、上下游岸墙翼墙、护坡、启闭机、闸门、控制楼、启闭机房、导流明渠、地形地质等构筑物进行三维设计建模。

图2  工程总装三维模型

Fig.2 Engineering final assembly 3D model

2.3协同设计管理

采用ProjectWise作为三维协同设计工作平台，通过不断升级、完善的企业标准《三维协同设计导则》来规定文件的管理、命名，模型深度、架构、分界、单位，人员组织、职责，所有项目参与人员在同一建模环境下、遵循同一制图规范、使用同样的元构件库进行工作。

图3  PW协同设计平台

Fig.3 PW Co-design platform

2.4定制工作空间

本工程重点研究了工作空间在辅助模型创建和三维出图中的强化作用，在设计过程中根据设计人员偏好，以及设计工作中的需求，进行功能的扩展定制，将需求内置到工作空间中，供设计团队使用，形成设计标准，为设计工作者提供友好式、模板式设计界面，提高了成果质量和设计效率，后期可将此标准工作空间简单、快速复用于其他工程。

图4  工作空间配置

Fig.4 Configuration of the workspace

图5  工作空间资源

Fig.5 Resources of the workspace

2.5地质勘察工作新模式

采用自主研发的三维地质勘察系统开展勘察和三维地质建模工作，为BIM设计应用提供准确的基础地质数据。

图6  地质勘察工作流程图

Fig.6 Flow chart of geological survey work

构建海河防潮闸工程三维地质模型，用于地质体三维分析，实现与其他专业进行数据交互。

图7  地形地质三维模型

Fig.7 3D model of topographic geology

2.6实景模型应用

设计工作开始前先采集项目区的高精度倾斜摄影实景模型，准确反映河道、防潮闸、堤防、管理区房屋、高压线路、道路、桥梁、林木等工程场地现状数据。基于倾斜摄影实景模型，可准确统计房屋拆迁量和占地量，减少工作人员外业工作时间，提高工作效率；可充分利用BIM+实景模型，明确工程建设场地条件，确定海河闸除险加固工程建设方案，有效进行设计前后对比和优化调整，提前纠正设计错误及降低设计成本，确保工程布置的合理性。

图8  方案优化对比

Fig.8 Comparison of scheme optimization

2.7建筑物参数化设计

对于复用率高的建筑物类型如挡土墙、闸室底板、闸墩、护坡等采用基于Bentley平台二次开发的参数化建模程序等方式提高建模效率，快速建立构件模型。

图9  挡墙参数化建模

Fig.9 Parametric modeling of retaining wall

图10  闸室参数化建模

Fig.10 Parametric modeling of gate chamber

2.8古建筑精细化建模

海河防潮闸建于1958年，控制楼和启闭机房均采用古建筑风格。本次除险加固，在设计过程中，维持原有闸上控制楼及启闭机房的古建筑风格，同时保留控制楼外墙的朱德题词。采用精细化建建模，完整、真实的展现了古建筑结构复杂和风格之美。

图11  古建筑精细化模型

Fig.11 Fine model of ancient architecture

2.9三维计算

BIM建模技术与三维有限元分析程序结合，将BIM模型的关键部分结构转换为计算模型，计算出截面内力用于配筋设计，应用于闸室三维设计。基于CAD-CAE一体化应用，实现高效建模与数值计算的紧密融合，大幅度提高设计工作效率。

图12  CAD-CAE一体化应用

Fig.12 CAD-CAE integrated application

2.10三维配筋设计

实现单体建筑物的三维配筋设计，完成后期施工图BIM设计，采用三维配筋软件并结合BIM模型实现快速高效的二维钢筋图，提高了设计，校审的工作效率，并大大减少了图纸常规性错误，节约了设计工时。

图13  三维配筋出图

Fig.13 3D reinforcement drawing

2.11三维算量

与传统算量方式不同，本工程基于设计阶段的三维模型可直接得到工程量，在完成工程量统计后，软件可按材料、构件分类自动生成工程量表，既提高效率又节省时间，且有助于把控项目成本。随着BIM模型的修改完善，也可随时更改工程量计算结果。

图14  三维软件自动算量

Fig.14 The 3D software automatically calculates the quantity

2.12三维出图

三维出图的质量和效率对三维协同设计推广至关重要。至于效率问题，尽管三维设计增加了建模工作量，但大大减轻了图纸绘制的工作量，尤其在工作空间的辅助下，图纸质量、三维效果、出图速度都具有很大的优势，如下图所示。

图15  工程三维布置图

Fig.15 Three dimensional layout of the project

图16  工程三维剖视图

Fig.16 Three dimensional section view of lock room

2.13数字化交付及施工期应用

对BIM设计成果进行数字化交付，在施工阶段基于BIM设计应用成果，搭建项目建设数字化管理平台，继续开展施工期BIM应用，实现对施工过程的数字化管理。让数据在工程全生命周期发挥价值。

图17  工程管理系统

Fig.17 Project management system

图18  系统大屏展示

Fig.18 Large-screen display of the system

3 应用效益

（1）该工程于已完成施工招标，目前已经进入快速建设阶段。BIM设计及施工过程BIM应用，对于提高设计、施工质量、加快工程建设、促进工程效益尽早发挥起到了重要作用，取得了良好的经济技术效益和社会效益。

（2）BIM应用设计提升了设计成果质量，实现了设计优化，后期设计变更减少约50%。基于数字化理念的施工期BIM应用，辅助对施工过程进行了精细化的管理，预计节约成本约200万元，节省工期30天。

4 总结

本工程在设计阶段采用BIM技术，开展全专业三维正向设计应用，设计范围涵盖全面，包括水工、施工、金结、建筑、地质、测量等全专业；BIM应用方向广泛，包括工作空间、协同设计、精细化建模、实景模型、三维地质、参数化建模、三维计算、正向出图、可视化展示等多方面，提高成果质量和设计效率，凸显了三维协同正向设计的优势。希望本工程能够对国内三维正向设计的发展起到一定的借鉴和促进作用。

参考文献：

[1] 水利部信息中心. 水利部印发关于推进智慧水利建设的指导意见和实施方案[J]. 水利建设与管理. 2022,42(1): 5.

[2] 徐元明. 顺应高质量发展要求精心谋划“十四五”水利工程运管工作[J]. 水利建设与管理, 2021, 41（8）: 4-7.

[3] 孙斌, BIM技术的现状和发展趋势[J]. 水利规划与设计, 2017, (03) : 13-15.

[4] 梁冰寒. BIM技术在水闸设计中的应用[J]. 水利信息化, 2022,（05） : 15-19.

[5] 易家平, 咸宁. BIM技术在桥梁工程中的应用综述[J]. 工程建设与设计, 2022, (13) : 231-236.

[6] 冯伟军. BIM技术在市政路桥施工中的应用[J]. 智能建筑与智慧城市, 2022, (10) : 141-143.

[7] 刘晓彬, 夏涛, 于敬舟, 等. 基于BIM+GIS的灌区工程可视化研究[J]. 水利水电快报, 2022, 43(01) : 97-101.

[8] 刘晓彬, 于敬舟. 基于OpenRoads Designer的堤防三维设计应用探索[J]. 人民长江, 2021, 52(S1): 151-154.

[9] 马超超, 臧延伟, 沈霄云, 等. 基于BENTLEY平台的地铁车站结构三维正向设计研究[J]. 工程技术研究, 2020, 5(17): 210-212.

[10] 贾学军, 王久强, 史琦. 北京某主题公园BIM正向设计应用实践及创新[J]. 土木建筑工程信息技术, 2022, 14(04): 62-67.

[11] 焦柯, 陈少伟, 许志坚, 等. BIM正向设计实践中若干关键技术研究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2019, 11(05): 19-27.

[12] 杨远丰. 全面BIM正向设计的关键技术与管理要点[J]. 土木建筑工程信息技术, 2021, 13(05) : 1-11.

作者简介：于敬舟（1991年—），男，工程师

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