BIM Process Used to Design Five Mile Reclaimed Water Pipeline without Disrupting Existing Utilities
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來源：水利水电BIM设计联盟
1.前言
今天我們進入了全新時代，雲端運算、大數據、物聯網、移動化和人工智慧簡稱「雲、大、物、移、智」成為人人都在關注的話題。水利工程建設管理與資訊技術深度融合，成為公認的趨勢，標誌著水利工程建設和管理走進了「BIM定義的時代」。
我們首先來瞭解三個概念：
概念1：萬物是物質的，也是比特的。我們認為世界萬物是物質的，即原子的；萬物可以被數位表達，即比特的。
概念2：工程數據在「藍圖時代」無法將資訊 100% 的貫穿工程建設全生命週期。很長一段時間，圖紙是工程師的語言，被人腦或者電腦辨識，並儲存在相應的系統中。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%的資訊傳遞，特別是在完成工程建設以後，就不再被使用、分析、甚至訪問。
他們由於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。
概念3：用 BIM 定義水利工程建設和管理。BIM 是工程的數位式表達，是不斷激活工程數據，使之持續發揮價值的最佳手段。
2. 水利工程 BIM 的發展
BIM 在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3D 模型時代，逐步實現了水利工程 3D 真實建模，基於 3D 設計模型的工程仿真（CAE）和基於 3D 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，基於 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，走向服務化和網路化，並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）和營運階段的混合現實技術（MR）轉變。
BIM結合地理資訊系統（GIS）、可視化和人工智慧技術（AI）形成了新的數位化工程和新的產業。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品質，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準，工期預計更準確，工程量計算更精確。
第三階段的價值是透過工程數據的不斷累積，定量分析工程可靠性，消除水利工程的不確定性，並可進行衍生式設計，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，還需要與網路技術、虛擬現實技術、地理資訊系統技術、增強現實技術、大數據技術和人工智慧技術相結合。
從近年來水利工程的造價來看，資訊化的比重一直在持續地增加，有的工程已經佔到了工程造價的 10% 以上。特別是 BIM 催生了工程建設新的模式的變化，隨著 3D 協同技術、 GIS + BIM 的平台技術、網路技術、雲端技術和大數據技術，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，已經要求新建抽水蓄能電站項目，必須採用數位化交付，並進行單獨計價。單個工程僅數位化交付的造價，就達到 600萬元美元，如果加上資訊化平台建設，單個工程的數位交付 + 資訊平台造價，將達到1000萬美元。
當前，對岸中國水利部和他們國家能源局，也已經開始進行數位流域研究和建設。我們大膽預計水利行業已建的 472 座大型水庫，在未來 10 年均有進行數位化改造的需求，僅此一項未來10年，每年水利工程數位化 + 資訊平台建設，產值將不會低於 4 億美元。
未來我們正在進入一個 BIM 定義水利工程的時代，其基本的特徵表現在萬物可互聯，一切均數位化，並在這個基礎上支撐大數據應用和人工智慧應用。
海量多元的資訊資源，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，在這種情況下怎麼實現它的有效管理，並支撐各種各樣的應用，需要建構一個共性的，以水利行業標準數據格式的 BIM 數據管理平台。
3.基於水利行業標準數據格式的 BIM 數據管理平台
3.1問題的提出
當前，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台。主要有四方面原因：
一是 BIM 數據格式繁雜，2D 時代 CAD 遍天下的局面已經不在，各個主流廠商的 BIM 平台，各種不同方向應用的 BIM 軟體，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軟體眾多且操作複雜，不同的應用方向使用軟體的也不同，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，對於真正需要消費 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，和複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週期應用；
三是硬體與軟體投入巨大，一方面為了滿足各方向、專業的應用，需要大量的軟體許可，另一方面 BIM 軟體一般對硬體要求比較高，需要高性能的硬體設備，這兩方面應用成本也影響了 BIM 數據平台的推廣和成熟；
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、多平台和多終端的環境中，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台化管理，和數據的共享和互聯，初步和保守的估計，也是上億美元的投入。
有鑒於此，我們可以嘗試用 BIM 定義的方式，來實現數據的管理，透過解決 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：透過定義一個以水利水電行業 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 平台的數據，轉換為標準數據，一方面解決了在後續使用中，對國外軟體平台的依賴，同時也解決了目前行業內，多個 BIM 平台同時共存，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，要能支援對 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：基於瀏覽器，「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，數據管理平台只傳輸加密壓縮後的輕量化模型，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，數據管理平台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平台BIM引擎的技術基礎
隨著 HTML 5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，還能創建複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，可被用於創建具有複雜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，還有比較複雜的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，並採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構件的屬性數據採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軟件平台多種多樣，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台的標準數據格式，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，但對於複雜、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伺服器上，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遊和流暢操作，必須進行可見性預處理。通常當視點位於建築物的內部時，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。
同時基於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，待模型操作停止後，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平台總體架構
平台總體架構可劃分功能架構、服務架構和業務平台整合架構，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台功能架構，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，並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併發的需要，需要滿足高可用的雲架構系統設計。
3.4.3與業務平台整合架構
對BIM和GIS的數據的管理同時，還是行業數據的服務平台和大數據的基礎，平台在數據收集時已對BIM模型數據進行了結構化組織，並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 「全面提升水利資訊化水平，推動‘數位水利’向‘智慧水利’轉變，以水利資訊化、網路化和智慧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策略， 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週期，成為當務之急。
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週期，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體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、消費和收益關係見圖。
未來水利工程 BIM 圍繞工程全生命週期，BIM 供求關係發生了根本變化，由以設計為核心的生態，轉變為以全生命週期，特別是營運為核心的生態。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於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、軟體廠商和個人是生態系統的「生產者」。
生產什麼（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、營運企業、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平台的應用會逐漸普及到工程全生命週期，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。
根據共享機制下基於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。
根據共享機制下基於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，並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，這裡包括行政支撐體系、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，這裡包括標準體系、培訓體系、協同技術。水利標準格式的數據管理平台技術、互聯網技術、雲服務技術。
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，這裡包括行政支撐體系、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，這裡包括標準體系、培訓體系、協同技術。水利標準格式的數據管理平台技術、互聯網技術、雲服務技術。
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，並借助政策催發、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。
5.結語
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。找准定位，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、重營運、技術與應用並重，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乾了，把所有錢都掙了，最後反而會喪失競爭力。
倡共享：就是倡導知識和資訊共享，強化信息有序開放和共享，甚至是資訊的「自由流動」；
重營運：BIM技術在營運的重要性將超過建造的重要性，在建設期就籌謀營運期BIM應用；
技術與應用並重：實幹中不斷累積的應用技術和細節，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，將一切置於實踐檢驗之下。通過對資源進行重新組合後，讓價值和利潤等效，將 BIM 由成本中心變為利潤中心。
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