0引言

数字孪生建设作为水利高质量发展的显著标志和构建现代化水利治理体系的重要驱动和支撑，探索研究传统水利业务与现代信息技术的深度融合，构建实时同步、虚实交互的模拟仿真平台，高保真、高精度的还原工程实体，实现对枢纽工程的全生命周期运行管控，为决策管理提供前瞻性、科学性、精准性、安全性支持。BIM技术具备场景还原更真实、智慧化数字模拟更准确、工程风险预警更智能等优势，解决了数据底板不同尺度间工程要素的融合问题，为水利业务与孪生平台实时同步提供了基础支撑，实现了数字平台和物理实体的无缝集成与实时映射，已成为当前和今后一个时期我国水利信息化建设的重要一环^[1]。

数字孪生尼尔基建设作为水利部数字孪生建设首批试点工程，从枢纽安全管理、防洪精准调度实际需求出发，构建完成基于尼尔基水利业务应用的数字孪生平台，初步实现了防洪“四预”、工程安全“四预”等水利业务的可视化展示，为科学决策提供有力的基础支撑。尼尔基数字孪生平台通过汇集建筑物、构筑物、设备设施的精确构件尺寸、逼真的材质纹理和详细的属性信息，利用BIM技术构建尼尔基水利枢纽基础信息模型，并形成以BIM模型为数据核心的工程全流程管理体系，搭建数字孪生尼尔基水利工程精细化场景，实现功能特性与工程实体的一体化、数字化呈现，切实提升尼尔基水利枢纽现代化、信息化管理水平^[2]。

1建模内容及标准要求

BIM模型是尼尔基水利枢纽工程区域内建筑物、设备设施等水利工程精细化场景L3级数据的模型载体，也是数字孪生平台的基础信息模型，通过汇集尼尔基建筑物生命周期中各阶段的工程信息、过程信息和图纸资源，对工程实体与功能特性进行可视化表达，能够大幅提升尼尔基水利枢纽精细化、信息化管理水平^[3]。

1.1建模内容

尼尔基数字孪生平台BIM模型采用Bentley平台的OBD,BRCM,OPM,ORD等软件，以水利工程三维数字技术为基础，结合尼尔基工程竣工图纸建设完成。BIM模型建设的主要内容^[4]：枢纽工程区域内建筑物模型，包括工程所在区域范围内主坝、左右岸副坝、溢洪道、电站厂房、左岸灌溉管、右岸灌溉洞及变电站等建筑物的功能级BIM模型；水力机械模型建设，包括水轮机、起重设备、技术供水系统、检修排水系统、渗漏排水系统、压缩空气系统、透平油系统、绝缘油系统、机组监测等系统中的设备模型；电气一次模型建设，包括发电、供电、厂用电、照明、防雷接地等系统中的设备模型；电气二次模型建设，包括计算机监控系统、继电保护系统、机组单元设备等系统中的设备模型；金属结构模型建设，包括电厂进水口与尾水、溢洪道、右岸灌溉洞、左岸灌溉管的闸门、启闭机等；暖通设备模型建设，包括通风排烟系统、水冷系统中的设备模型；消防设备模型建设，包括厂房、变电站等部位的建筑消防、机电消防及消防设施模型；给排水设备模型建设，包括厂房给排水系统中的设备模型；监测设备模型建设，包括主坝、左右岸副坝、环境量监测涉及的渗压计、量水堰、应力计、钢筋计等仪器模型；其它专业系统，包括视频等前端传感器构件模型。

1.2模型精度

根据《数字孪生工程建设技术导则》要求，模型精度按对象划分为不同级别，对于工程土建、管网、一般机电设备，应根据图纸及现场实际尺寸，构建功能级模型单元（LOD2.0）；对于水轮发电机组、主变压器、闸门等关键机电设备，构建构件级模型单元（LOD3.0），包含其准确数量、几何、外观、位置及姿态等信息。

1.3模型属性信息

模型初始属性信息在团标编码规则的基础上，根据数字孪生尼尔基工程应用的实际需求，对安全监测、水机、电气等设备加编实际设备编号及名称。比如：冷却水电控阀的“1DKF”、锚索测力计的“CL-”和大部分电气设备的盘柜名称，用于系统中设备名称编号的展示查询，并可挂接业务应用系统数据。

为提高属性信息的使用效率，对属性信息进行分类设置，主要包括项目信息、身份信息、定位信息、结构信息、技术信息、建造信息、资产信息、维护信息。属性信息包括但不限于中文字段名称、编码、数据类型、数据格式、计量单位、值域、约束等条件。

2建模工具及关键技术

2.1 BIM编码工具

由于模型编码的工作体量较大，针对建模所使用的Bentley平台，开发了BIM编码系统，将TCWHIDA0007—2020《水利水电工程信息模型分类和编码标准》等标准中的BIM编码接入系统数据库，并根据尼尔基工程实际进行了扩展添加。在建模平台中，可通过指定分类表名称、级别、顺序码等快速添加BIM编码，也可通过关键字查找编码，同时支持对编码进行运算操作。

2.2图属分离技术

BIM模型在进入可视化平台进行轻量化及格式转换，并采用UE游戏引擎进行光影特效制作及场景美化的过程中，会带来模型材质、编码属性信息的丢失等问题，数字孪生尼尔基平台采用图属分离的方法进行处理。在BIM模型轻量化的过程中，将ID对应的模型属性信息存入数据库Postgre SQL中，在可视化平台加载轻量化模型时，根据模型ID调取模型属性，实现BIM属性在多格式多平台的流转保存。

2.3模型质量控制

BIM模型创建完毕后，对模型的构件拆分、模型深度、几何精度、属性信息、配色、材质等方面进行校核审查，以控制BIM模型成果质量。主要检查内容包括以下几方面。

1)BIM模型属性及信息内容完整，与设计图纸信息保持一致，模型成果深度及质量满足相关规范标准及实际业务应用的要求。

2）模型构件的尺寸、空间布置、方位、高程等几何信息满足几何精度的要求。

3）模型构件之间的连接、交错、利用或避让等关系无误，剔除无效体、面、线，避免模型出现“错、漏、碰、缺”等缺陷。

4）模型的材质、纹理、配色符合正确性、完整性、一致性、协调性的原则，贴近现实场景纹理。

5）模型的命名及编码格式正确，满足系统应用需求。

6）模型的贴图链接、文件链接、信息链接等链接有效，不存在丢失。

2.4 BIM模型成果输出

BIM模型本身承载着工程设计、安装和资产管理等信息，孪生平台将安全监测、视频点位、运行状态等挂接至多个业务系统，发挥数据底板的重要作用。

为便于BIM模型在数字孪生平台上流畅应用，BIM模型创建完毕后需要对模型进行轻量化处理，轻量化模型应能满足下列要求：模型的属性信息保留完整不丢失，模型的几何尺寸、结构体型、相对位置保持不变，模型的构件划分保持不变，能够独立选择查看，模型的格式及体量大小满足数字孪生平台的要求。

3建模数据融合与应用

3.1多源异构数据融合

数字孪生平台中融合了BIM数据、二维矢量、三维矢量、多源地形、多源影像等多种类型、多种时相的数据资源。在尼尔基三维建模中，建筑物、重要设备设施等利用BIM技术建立数据模型，可以简化为BIM数据库的建立，且模型功能更精确，功能更强大，再通过遥感影像匀色、桥接、补洞、单体化精修，以及采用轻量化、LOD金字塔等方法，将多源异构数据在三维场景中融合，确保在各种场景中无缝切换，流畅无卡顿。

3.1.1 BIM数据主要用途

1）在可视化场景搭建中，BIM数据用于工程多种等场景的精细化构建，实现三维场景和业务应用的交互。

2）在模型和知识调用计算中，BIM数据服务于防汛和工程安全的各类模型及知识的计算和分析。

3）在业务应用系统调用时，BIM数据能够帮助管理者根据现状地形优化调整水利设施布局，实现水利工程设施与地理信息的统筹，还能通过一体化平台实现工程全生命周期管理，进一步服务水利工程的高水平建设与管理^[3]。

3.1.2辅助仿真场景

通过数据底板提供的数据，利用模拟仿真引擎构建数字化场景。结合业务应用场景，可分为轻量化仿真场景和高性能仿真场景。轻量化仿真场景以轻量化模拟仿真引擎为基础，集成各类数据实现大中尺度各类场景的三维展示，可供防洪“四预”、工程安全、日常管理等各类业务应用的调用，实现各类业务流程的可视化。高性能仿真场景以高性能游戏引擎为基础，融合数据底板数据，可实现精细化机电设备模拟、工程细部构件展示等高保真三维演示，支撑会商决策、精准调度、安全运行等功能的精细化展示。

3.2 BIM模型应用

3.2.1数字场景

基于BIM技术，进行建筑物、设施设备材质、水域、陆域等精细化建模，通过渲染生成可交互的三维仿真场景，高精度还原尼尔基水利枢纽管理区建筑结构、设备设施，同时开发虚拟空间的场景漫游功能，对枢纽管理区和生产区进行场景展示和可视化管理，实时掌握枢纽和电厂运行工况，使水库实现运维管理专业化、高效化。

3.2.2设备管理

BIM模型融合设备设施实时监测数据，并结合历史数据，采用数字模型对水利设备设施进行分析，对设备异常报警信息进行展示，实现事件呈现和报警信息定位功能^[5]。此外，将现场监控画面接入虚拟场景的设备模型，实时查看水轮发电机组、金结闸门、电气盘柜等设备的属性信息，实现数字孪生与物理工程的虚实交互、同步仿真运行。

3.2.3工程监测

在BIM模型构建过程中，融合大坝、闸门等模型的近千个安全监测设备，可自由切换至现场实时画面，高精度展示断面、部位设备设施，实时数据查询，通过计算分析、优化决策，逆向指导水利工程的运行，实现水利工程运行管理的实时监测、枢纽工程事故的精准预判，使水利工程运行更加高效准确、安全可靠^[5]。

3.2.4巡检管理

基于BIM模型在平台中设置巡检点，集成展示监测设施、监测数据、工程隐患、巡视检查等信息，预设巡检路线，下发巡检任务。对巡检过程中发现的问题，能够通过智慧尼尔基APP及时上传并在场景中进行定位，按照监测和预警信息，通过分析模拟运行数据，自动生成大坝运行报告，对大坝安全监测的日常工作进行可视化管理。

3.2.5枢纽安全

在工程安全“四预”中，通过机理模型对不同调洪情况下的建筑物运行工况进行了有限元仿真计算。依托BIM模型进行渗流计算结果、应力应变计算结果的调取显示，将计算结果的网格及节点数值在孪生场景中通过云图形式进行可视化渲染，进而为科学决策提供有力支撑，全面提升工程防洪“四预”信息化水平。

4技术应用成果成效

在数字孪生建设中，信息化模型作为人机交互的可视化窗口，已经成为水利业务场景构建的重要数据底板支撑。基于BIM,GIS等新一代信息技术，对尼尔基水利枢纽信息化建设提档升级，深度研发孪生平台在工程安全和防汛调度业务中的应用，持续完善尼尔基防洪“四预”等功能，切实打造协同智能的业务应用系统，为尼尔基水利枢纽工程安全、防汛调度、运维管理等业务提供技术支撑。

4.1提升运维效率

在设备设施的可视化运维管理中，以历史数据为依据、以数字模型为架构对水利设备设施进行分析，使运维人员能够直观了解水利枢纽的结构和设备情况，通过报警数据信息对缺陷和故障做出快速反应，制定合理的解决方案，这样既能及时识别隐患故障，又能提高养护水平，大大提高工作效率，减少水利工程运行管理部门的人力、物力、财力投入^[5]。

4.2强化安全监控

数字孪生平台赋能工程安全、防洪调度等业务应用，基于模型平台构建，融合雨量、工情、水情等实时监控成果，提供综合信息的动态展示服务，以及生产区运行管理设备设施监控、报警服务，通过虚拟场景中的实时画面和安全监测设备的数据展示，提升了监控的覆盖范围和监测能力，使管理人员能够更及时地发现异常情况并采取相应措施。

4.3优化巡检管理

基于枢纽大坝BIM一张图，展示“大坝监测设备设施”和“枢纽水工建筑物”的巡检点、巡检路线等，通过巡检的计划和任务管理，使得巡检过程更加系统化和规范化。同时建立巡检台账、维养记录等信息，依托手机APP巡检监控功能，巡检人员实现便携式实时查询调阅巡检内容，减少了漏检和误检的可能性，提高了巡检的质量和效率。

4.4支撑综合决策

基于BIM模型持续完善“四预”系统功能，开展不同调度方案条件下水库上游淹没人口、土地、房屋经济等损失，以及闸门运行和调度运用情况的预演，提高了预演的精准性和可视化水平。工程安全管理利用机理模型和有限元仿真，“四预”提供了可靠的决策依据和数据支撑，增强了工程安全管理的科学性和准确性。

4.5降低运营成本

数字孪生建设以加强动态监测、预警预演、跟踪处置、监督管理、效果评价能力为具体措施，通过更高效的运维、监控、巡检管理和更科学的安全决策，降低维护费用、延长设备使用期。同时，通过对整合后的数据资源进行深度挖掘分析，能够直接为防洪度汛、水资源调度、水生态保护和治理等提供数据支撑，显著提升自动化水平和工作效率，在降低成本的同时提升水库防洪和兴利效益。

5结语

BIM技术作为现阶段信息化建设的重要技术，大幅提高了水利工程的数字化建设水平。数字孪生建设又对BIM技术发展应用进行了更深入的探索，从简单的计算机模型发展到了信息化模型，从可视化场景构建发展到与业务应用相结合，保障了工程模型在全生命周期不同阶段中的信息全覆盖，使工程施工建设、运维管理手段更加多元而丰富。BIM技术在数字孪生尼尔基平台中的应用，实现了工程多时态、全要素地理空间数字化映射，高效支撑了尼尔基水利枢纽水利业务信息化转变，为实现模拟仿真及综合决策提供了基础，有力推动了基于数字孪生的智慧水利建设和高质量发展。BIM技术在数字孪生中的应用也将不断扩宽其深度和广度，发展出新的技术特点，为开展实景三维中国建设提供了宝贵的经验，可凝练和推广到其它工程中^[6]。