2.2　HydroBIM体系架构

水电工程具有规模大且布置复杂、投资大、开发建设周期长、参与方众多以及对社会、生态环境影响大等特点,是一个由主体维(政府、业主、管理方、设计方、施工方、监理方等,还可按专业进一步细分)、空间维(枢纽、水库、生态环境、社会环境、机电等)及时间维(规划阶段、勘察设计阶段<预可研、可研、招标、施工图>、施工阶段、运行维护阶段、退役报废等)构成的复杂的系统工程,要求全面控制安全、质量、进度、投资及生态环境。水电工程全生命周期的“五维”结构图见图2.2(a)。根据主体维各方需求和工程开发建设规律,将水电工程全生命周期管理核心内容概况为“三个阶段四大工程”,见图2.2(b)。水电工程勘测设计、工程建设、运行管理一体化HydroBIM,通过集成勘测设计、施工、运营各个阶段的工程信息,实时准确地反映工程进度或运行状态,各阶段主体方共享集成信息实现协同设计,达到缩短工程开发周期、降低成本及提高工程安全和质量的目的。

2.2.1　HydroBIM平台框架

以工程主体方需求和工程开发建设规律为依据,借助物联网技术、3S技术、BIM技术、三维CAD/CAE集成技术、云计算与存储技术、工程软件应用技术以及专业技术等,开发以工程安全和质量管理为中心,以BIM+GIS为核心平台,以协同管理为控制平台的水电工程规划设计、工程建设、运行管理一体化HydroBIM综合平台。采用三维数字模型及数据库,关联工程建设过程中的进度、质量及枢纽水库环境信息,关联设计文件、相关会议纪要、设备资料等,通过多维信息模型可查询、管理所有工程信息、即时施工信息以及工程运行期实时安全监测信息,实现施工期施工质量和进度的监控及运行期工程安全的监测;通过提供一个跨企业(行政主管机构、业主、建管、勘测设计、施工、监理等)的合作环境,来控制全生命周期工程信息的共享、集成、可视化和标记,实现工程建设实施过程及运行管理过程的设计质量、工程质量、建设管理、工程安全、综合效益“五位一体”的有效管理,为工程各阶段验收提供准确、全面、可信的数据资料。

根据水电工程HydroBIM综合平台的建设目标及功能要求,结合先进的软件开发思想,设计了四层体系架构:分别由数据采集层、数据访问层、功能逻辑层、表现层组成,见图2.9。四层体系架构使得各层开发可以同时进行,并且方便各层的实现更新,为系统的开发及升级带来便利。

(1)数据采集层。建立数据采集系统和数据传输系统实现对工程项目自然资源信息(包括水文、地质、地形、移民、环保等相关信息)的收集工作。

(2)数据访问层。建立数据库建设与维护系统实现对BIM中的数据进行直接管理及更新。

(3)功能逻辑层。该层是系统架构中体现系统价值的部分。根据水电工程全生命周期安全质量管理系统软件的功能需要和建设要求,功能逻辑层设计以下五个子系统和两个平台:①工程勘测系统;②枢纽工程系统;③机电工程系统;④生态工程系统;⑤水库工程系统;⑥枢纽信息管理及协同工作平台;⑦水电工程信息可视化管理分发平台。

(4)表现层。该层用于显示数据和接收用户输入的数据,为用户提供一种交互式操作的界面。

从体系框架图中可以看出,功能逻辑层中的枢纽信息管理及协同工作平台隔离了表现层直接对数据库的访问,这不仅保护了数据库系统的安全,更重要的是使得功能逻辑层中的各系统享有一个协同工作环境,不同系统的用户或同一系统的不同用户都在这个平台上按照制定的计划对同一批文件进行操作,保证了设计信息的实时共享,设计更改能够协同调整,极大地提高了设计效率,为BIM的数据互用及协同管理的实现奠定了基础,故该平台是系统软件安装的必需基础组件。

由于系统软件涉及系统较多,考虑到在水电工程规划设计、工程建设、运行管理一体化管理中有些系统功能在某些阶段可能应用不到,故系统软件采用组件式分块安装模式,除了枢纽信息管理及协同工作平台必须安装以外,用户可根据实际情况自行决定是否安装其他系统,提高了系统的使用灵活性。结合水电工程阶段划分及业务功能需求,将HydroBIM综合平台划分为四大系统:HydroBIM-乏信息条件下前期勘测设计系统、HydroBIM-3S及三维CAD/CAE集成设计系统、HydroBIM-EPC信息管理系统、HydroBIM-工程安全运行管理系统,系统功能框架见图2.10~图2.13。

2.2.2　HydroBIM工作流程

数据采集层利用3S、物联网等技术架构工程信息(勘测设计信息、施工过程信息及运行管理信息等)自动/半自动采集、传输系统;数据采集层获取的数据自动进入数据访问层的数据库建设与维护系统,通过数据库管理技术分类整理、标准化管理后录入指定的信息数据库中;然后由功能逻辑层中建立的枢纽信息管理及协同工作平台对信息数据库进行调用,并结合四大功能系统实现信息共享,协同工作,建立包含勘测设计、工程建设和运行管理阶段在内的HydroBIM信息模型,并在过程中实时控制数据访问层,将信息数据库更新为HydroBIM数据库;由各系统协同工作建立的各系统HydroBIM,最终构成总控HydroBIM,其为工程信息可视化管理分发平台提供了核心数据;工程信息可视化管理分发平台重点负责工程项目运行期管理,用于弥补枢纽信息管理及协同工作平台对工程运行期管理的不足,两者所管理的HydroBIM实时一致,且保证与HydroBIM相关信息的变动会实时引发HydroBIM及HydroBIM数据库的更新;最后功能逻辑层输出投资、进度、质量控制成果,安全、信息管理成果,以及HydroBIM和汇报系统等成果,服务于投资方、设计方、施工方和管理方,体现水电工程全生命周期管理的全方位价值。HydroBIM工作流程见图2.14。三维协同设计工作流程见图2.15。

基于BIM的项目系统能够在网络环境中,保持信息即时刷新,并可提供访问、增加、变更、删除等操作,使项目负责人、工程师、施工人员、业主、最终用户等所有项目系统相关用户可以清楚、全面地了解项目的实时状态。这些信息在建筑设计、施工过程和后期运行管理过程中,促使加快决策进度、提高决策质量、降低项目成本,从而使项目质量提高,收益增加。

2.2.3　HydroBIM软硬件构成

中国电建昆明院已投入4000多万元为全专业三维协同设计配备了先进、齐备的三维设计软、硬件环境,见图2.16。其中三维设计及BIM应用软件以Autodesk公司软件为核心,CAE软件以大型通用有限元软件和专业工程分析软件为主,文档协同办公基于Sharepoint平台开发。同时,为了满足专业级三维设计及BIM应用,还投入数百万元资金,自主或联合软件商、软科公司及高校科研机构合作开发专业数字化、信息化应用系统软件。

1.核心BIM应用软件

美国buildingSMART联盟主席Dana K.Smith先生在其2009年出版的BIM专著“Building Information Modeling:A Strategic Implementation Guide for Architects,Engineers,Constructors and Real Estate Asset Managers”中下了这样一个论断:“依靠一个软件解决所有问题的时代已经一去不复返了”。BIM是一种成套的技术体系,BIM相关软件也要集成建设项目的所有信息,对建设项目各阶段实施建模、分析、预测及指导,从而将应用BIM技术的效益最大化。

其实BIM不止不是一个软件的事,准确地来说BIM不是一类软件的事,而且每一类软件的选择不止一个产品,这样充分发挥BIM价值为工程项目创造更大的效益所涉及的常用BIM软件数量就有十多个甚至几十个之多。结合水电工程特点及发展需求,历经多年实践经验,编者团队以Autodesk BIM软件作为HydroBIM核心建模与管理软件。

Autodesk公司作为一家在工程建设领域领先的软件供应商和服务商,其产品在技术特点和发展理念上有许多地方都与水电行业的当前需求不谋而合。Autodesk公司的产品在产品线数据的兼容能力、专业覆盖的完整性、企业管理与协同工作以及企业标准化、信息化、一体化等方面都具有明显的优势。图2.17为Autodesk BIM解决方案总体构架示意图。

Autodesk建筑设计套件(BDS)和基础设施设计套件(IDS)及平台产品在设计施工一体化流程中相应的功能和解决方案见表2.1。

2.HydroBIM硬件配置

HydroBIM模型带有庞大的信息数据,因此,在HydroBIM实施的硬件配置上也要有严格的要求,并在结合项目需求以及节约成本的基础上,需要根据不同的用途和方向,对硬件配置进行分级设置,即最大限度地保证硬件设备在HydroBIM实施过程中的正常运转,最大限度地控制成本。

在项目HydroBIM实施过程中,根据工程实际情况搭建BIMServer系统,方便现场管理人员和IBIM中心团队进行模型的共享和信息传递。通过在项目部和Hydro-BIM中心各搭建服务器,以HydroBIM中心的服务器作为主服务器,通过广域网将两台服务器进行互联,然后分别给项目部和HydroBIM中心建立模型的计算机进行授权,就可以随时将自己修改的模型上传到服务器上,实现模型的异地共享,确保模型的实时更新。

(1)项目投入多台服务器,如,项目部:数据库服务器、文件管理服务器、Web服务器、HydroBIM中心文件服务器、数据网关服务器等;公司HydroBIM中心:关口服务器、Revit Server服务器等。

(2)若干台NAS存储,如,项目部:10 T NAS存储;公司BIM中心:10 T NAS存储。

(3)若干台UPS。

(4)若干台图形工作站。系统拓扑结构见图2.18。

常见HydroBIM硬件设备见表2.2。

2.2.4　HydroBIM标准体系

BIM起源于建筑工程,其标准体系基本上都是面向工业民用建筑的,没有针对水电工程的标准,这就给BIM在水电工程的全面应用带来不可逾越的障碍。鉴于水电工程领域所涵盖的专业要远大于建筑工程领域,并且BIM技术本身也在不断发展过程中,因此,参考借鉴国内外建筑领域相关BIM标准,建立水电工程HydroBIM标准体系,以在水电工程领域大范围开展HydroBIM应用时统一指导、规范应用是十分必要和重要的。

2.2.4.1　HydroBIM标准序列

水电行业HydroBIM标准序列应分为以下三个层次。

第一层,HydroBIM行业标准。作为一种行业标准,应该满足和遵守国家BIM标准的相关要求和规定。同时HydroBIM标准体系内一些对其他行业领域具有强制要求、指导或借鉴意义的规定可以上升为国家标准。

第二层,HydroBIM企业标准。水电行业设计、施工、建设管理、运营企业,在国家BIM标准、行业标准、地方标准的约束指导下,为实施本单位BIM项目制定的实施指南或技术规程。

第三层,企业项目团队针对具体的建设项目制定,具有高度项目相关性的项目BIM工作原则,即×××项目BIM工作手册或作业指导书。

水电行业HydroBIM标准序列与中国国家BIM标准、地方BIM标准和相关行业领域间的关系见图2.19。

2.2.4.2　HydroBIM标准框架

水电工程HydroBIM标准框架包括技术标准和实施标准两大部分,见图2.20。

技术标准分为数据存储标准、信息语义标准、信息传递标准,是为了实现水电建设项目全生命周期内不同参与方与异构信息系统间的互操作性,制定面向IT开发领域详细具体的技术规则,用于指导和规范HydroBIM软件开发。

实施标准主要是从资源、行为、交付物三方面指导和规范水电工程设计、施工、运维及投资等阶段的要求和使用规则。技术标准和实施标准之间的关系见图2.21。

1.技术标准

技术标准的主要目标是为了实现水电建设项目全生命周期内不同参与方与异构信息系统间的互操作性,并为BIM实施标准的制定提供技术依据。主要用于指导和规范水电工程HydroBIM软件开发。依据CBIMS和NBIMS方法论,HydroBIM标准体系的技术标准可分为数据存储标准、信息语义标准、信息传递标准,见图2.22。

(1)数据存储标准。主要研究BIM模型数据存储格式、语义扩展方式、数据访问方法、一致性测试规范等内容。

一种可行的方案是采用对建筑领域通用的IFC(工业基础类)标准进行扩展的方式实现HydroBIM数据存储标准。借用IFC中资源层和核心层定义的对信息模型几何信息和非几何信息的逻辑及物理组织方式,作为水电工程信息模型数据格式;使用IFC现有的外部参照关联机制,将HydroBIM信息语义关联到IFC模型。该方案需要对语义扩展规则和方式进行统一的定义,优点是不用对IFC领域进行大量扩展,不会对现有HydroBIM软件带来过多的兼容性问题。扩展水电工程后的IFC框架见图2.23。

(2)信息语义标准。包括分类编码体系和数据字典两部分。分类编码体系可以参照ISO 12006.2《施工工程信息的组织第2部分:信息分类框架》,结合我国水电行业的情况建立。将是一个采用面分类法,面向水电工程全生命周期的分类体系。该分类编码体系的设计应考虑与水电工程建设管理模式、中国国家BIM标准等的协调性。

数据字典可参照ISO 12006.3《施工工程信息的组织第3部分:面向对象的信息框架》建立,对行业中的概念语义,如完整名称、定义、备注等进行规范,数据字典中的每一个概念都对应一个全球统一标识符(GUID)。

(3)信息传递标准。主要研究信息的传递和交换过程,信息模型的交付标准、信息安全与信息模型的知识产权等问题。

1)信息的传递。分析和定义水电建设项目全生命周期内信息流动的过程、规则和场景。信息的传递一般发生在两个维度:全生命周期内设计、施工、运维各阶段之间;业主、设计方、施工方、运营方等各参建方之间,或参建方内部各专业之间,见图2.24。

2)信息模型的交付标准。结合我国水电工程建设管理规定,定义预可行性研究、可行性研究、招标设计、施工图设计、竣工验收等主要成果节点的信息模型几何信息和非几何信息的精度要求。

3)信息安全。作为国家重大基础性设施,水电工程HydroBIM信息模型在信息交换的过程中不可避免地要涉及基础地理信息等一些关系国家安全的敏感信息,如何在保证信息安全的前提下,最大限度地发挥HydroBIM信息模型的效益是一项需要研究的内容。

4)信息模型的知识产权。BIM应用离不开BIM软件,要想高效地使用BIM软件,就离不开BIM模型库(族库)。BIM模型库的丰富程度在很大程度上决定了BIM应用的推广程度。BIM模型库(族库)的建立需要持续不断的积累和大量的人力投入,因此BIM信息模型应该具有知识产权。BIM信息模型知识产权的界定和使用规则需要研究。

2.实施标准

实施标准是技术标准的使用规范,企业可根据实施标准对自身的工作程序、管理模式、资源搭建、环境配置以及成果交付物进行规范化。

2.2.4.3　水电设计企业HydroBIM技术规程体系

基于本节以上两部分的介绍,在水电行业HydroBIM标准框架下,为规范、固化三维设计及BIM应用生产流程、提高工作效率、保障产品质量,中国电建昆明院制定了综合专业规范/标准、IT工具规则及工程师习惯的企业级HydroBIM技术规程系列,并于近两年陆续发布实施。中国电建昆明院HydroBIM-水利水电工程技术规程系列如下:

·HydroBIM-乏信息勘察设计技术规程(Q/KM HydroBIM-02.2016)

·HydroBIM-3S集成应用技术规程(Q/KM HydroBIM-01.2016)

·HydroBIM-三维地质建模技术规程(Q/KM HydroBIM-01.2015)

·HydroBIM-混凝土坝枢纽工程技术规程(Q/KM HydroBIM-04.2015)

·HydroBIM-土石坝枢纽工程技术规程(Q/KM HydroBIM-02.2015)

·HydroBIM-地下厂房技术规程(Q/KM HydroBIM-04.2016)

·HydroBIM-地面厂房技术规程(Q/KM HydroBIM-03.2015)

·HydroBIM-施工总布置技术规程(Q/KM HydroBIM-05.2015)

·HydroBIM-工程安全监测技术规程(Q/KM HydroBIM-06.2015)

·HydroBIM-EPC信息管理技术规程(Q/KM HydroBIM-05.2016)

·HydroBIM-引水工程技术规程(Q/KM HydroBIM-03.2016)

2.2.5　HydroBIM数据库框架

基于BIM、大数据、云计算与存储、移动互联等工程数字化、信息化技术,架构了包含BIM模型库、工程量清单库、施工质量信息库、安全监测信息库、工程知识资源库、数字移交库等的HydroBIM统一数据库,以其为支撑,通过数字移交、招标采购管理、建设质量实时监控、安全评价与预警及工程知识资源管理等服务,实现规划设计Hydro-BIM向工程建设和运行管理HydroBIM扩充,为水电工程全生命周期管理提供强大的数据支持。HydroBIM数据库构成见图2.25,数据库支持下的HydroBIM核心应用见图2.26。