一、技术牵引，数智设计分阶段演进
为有效应对水利水电传统工程设计面临的设计成果复用难、经验传承效率低、智能化水平不足等挑战，以数智设计为代表的工程智能化设计方法及工具软件也在不断发展。数智设计以“工程价值观”为指引，以智能化算法为特征，以多专业、跨学科的设计数据自动生成、分析、评价、优化为主线，最终实现工程的智能化生成式设计。根据每个阶段的目标、定位与技术特征，数智设计演化进程可划分为如下四个阶段。
第二阶段，业务算法驱动。通过引入业务确定性规则和专业算法驱动，辅助设计工程师实现对单体建筑物的自动生成。
第三阶段，工程知识驱动。对工程知识进行提炼、压缩、对象化、向量化，基于工程知识生成设计数据，极大地提升设计自动化水平。
图3 数智设计智能化分级
第四阶段，人工智能驱动。以参数化和业务规则为基础，通过人工智能支持设计方案自动生成，采用定量分析方法与评价指标对方案进行评价，并根据评价结果进行多目标设计方案寻优，最终生成多目标约束下的设计最优方案。
图4 自寻优型设计方法
二、守正创新，HydroBIM体系建设新发展
在张宗亮院士带领下，历经二十年的研究及工程应用，电建昆明院研发团队形成了具有自主知识产权的HydroBIM技术体系、标准体系和系统平台，旨在解决水利水电工程设计施工运营全生命期管控中的基础性关键技术和平台建设难题，实现多系统多软件集成下的水利水电工程全生命期管控。自2021年始，借助人工智能技术发展，HydroBIM开始迈入工程全生命期数智设计新阶段！
HydroBIM提出了基于BIM的数智设计、智能建设、智慧运维技术架构、数据架构及工作流程，为水利水电工程全生命期管控提供了顶层设计；标准体系涵盖设计、建设、运维全阶段，规划了基础通用、数据基座、数字支撑、数字基础设施、数字应用、数字管理、测试与评价和安全保障等45项标准，已发布10余项行业标准、6项团体标准、20余项企业标准；研发了“数据互联、流程驱动、多端融合、决策智能”的白泽数字化基础平台与工程全生命期管控平台，实现了全工程、全流程、全要素的水利水电工程设计施工一体化数字管控。
图6 HydroBIM管理平台
HydroBIM数智设计：提出了乏信息条件下的前期勘察设计技术，解决了项目前期资料收集难题；研发了GeoBIM三维地质建模系统，实现了地质模型与建筑物BIM模型的无缝衔接；建立了基于BIM的多专业正向协同设计流程和方法，实现了五位一体的协同模式；构建了BIM创建、CAE分析的协同设计与分析一体化平台。
图7 HydroBIM协同设计与分析一体化平台
HydroBIM—智能建设：构建了基于BIM的工程建设管理新模式和工程数据中心，研发了HydroBIM—工程建设管理系统，实现了水利水电工程项目全领域、全要素信息一体化管控；研发了智能碾压、智能灌浆、智能浇筑、智能温控等数字化产品及智能装备。
图8 HydroBIM智能建设平台
图9 HydroBIM智能浇筑与振捣机器人
HydroBIM—智能运维：工程安全方面，提出了HydroSafety“查、诊、治、管“技术框架体系，构建了流域大坝工作形态评价与健康智能诊断成套技术体系，研发了流域大坝在线智能监控一体化平台与关键设备，解决卡脖子的“硬设备”和”软知识“，提升工程安全“诊断、治理、监管、评估”一体化能力。运行调度方面，提出了水库群多目标模型及其高效求解模式、水库群联合优化调度等方法，研发了梯级水电站水文预报与运行调度一体化平台。
HydroBIM以数字化、信息化技术给出了水利水电工程规划设计、工程建设、运行管理完整解决方案。HydroBIM技术成果成功应用于糯扎渡、黄登、观音岩、西藏觉巴、滦平抽蓄、红石岩堰塞湖、滇中引水、老挝北本、印度尼西亚Kluet1等国内外数十个水利水电工程。
如今，以HydroBIM®技术体系为代表的数智设计新技术，正引领水利水电工程走向智慧化。HydroBIM技术体系与时俱进，融合人工智能技术，聚焦工程数智设计，赋能“水、能、城”业务创新与实践，在大坝工程、抽水蓄能电站、引调水工程、数值计算与模拟平台、设计报告文本智能生成等方面取得新突破。
在大坝工程数智设计领域，构建了全国土石坝工程数据库，面向土石坝工程设计需求，在参数化设计基础上，对生成式智能设计进行了积极探索。统计了全国540余座面板坝的坝高、坡比、库容、装机、地质、图纸、计算书、报告等基本属性信息，构建全国土石坝工程数据库，为数智设计提供了工程。在参数化设计方面，研发了基于地质模型轻量化拟合和大坝坝体工程量自动提取与归集等智能算法，实现模型与工程量联动。通过面板坝结构体型一键出图功能模块，实现数据联动标准化出图。在生成式智能设计探索方面，建立了面板坝生成式智能设计技术框架。研发了面板坝剖面设计AI生成算法，提出了融合规范与数值计算的面板坝AI设计方案的评价方法，构建了面板坝渗透稳定、变形稳定、抗滑稳定和抗震安全的AI评价表达式，实现对设计方案的智能评价。提出了基于AI设计的二维典型剖面成果和三维参数化建模方法，构建了基于AI数据驱动的三维布置方案智能化生成和高效比选平台，在初拟坝线和寻优范围内，提出面板坝三维布置方案比选的综合评价指标，提高面板坝的经济效益。
图13 面板坝参数化设计工具研发
图14 面板坝生成式智能设计
在抽水蓄能数智设计领域，通过水电工程知识本体，利用AI、Web等数字化技术提供数智设计服务。基于多源异构数据融合技术研发了抽蓄电站智能选址算法，从数万个潜在洼地站点，自动筛选出满足要求的推荐站点，实现了智能选址。研究基于规则关联的抽蓄电站地下厂房布置方法，同时融入专业机理模型，将专业机理模型封装为标准化算法服务，可在2分钟内完成4个原生参数驱动全部地下厂房设计与2000余个BIM模型自动生成。研发了抽蓄电站智能设计平台，支持基于空间拓扑数据的机电设备模型自动生成与优化，累计支持10余个抽蓄电站的设计工作，设计出图3000余张，工程师累计使用2万余次，实现新质生产力驱动的抽蓄工程数智化创新。
在引调水工程数智设计领域，提出了引调水工程典型建筑物生成式成套智能设计方法，极大提升了工程设计质量与效率。攻克了长距离地理信息跨带及投影变换及高效分析难题，研发了长距离引调水工程全要素、多尺度数据的快速构建方法。研发了基于知识图谱的自动选线技术，采用AHP层析分析法等量化指标，自动提取和优化路线并成图。研发了包含计算分析、构件库、设计参数库、模型信息库、整体模型库和工程图库的引调水工程参数化设计平台，实现了隧洞、渡槽、倒虹吸等典型建筑物BIM模型自动生成。基于设计地质模型，融合施工开挖揭示的地质信息、超前地质预报信息、安全监测信息，研发了施工期地质模型动态生成方法及平台，构建了隧洞开挖与支护动态设计体系。
图19 动态优化设计
数值计算与模拟平台方面，总结水利水电工程设计经验，分专业研发各类计算分析程序近50件，功能涵盖水力学、结构、岩土、机械、金结、电气等计算分析工具套件，形成平台化、标准化、模块化的公共资源，实现计算资源的集中共享、统一维护管理。研发了体型参数至CAE模型高效转换接口，将连续、复杂、非规则的几何模型转换为离散、规则的数值模型，提出了基于多边形和多面体的自动化建模方法与仿真技术，克服了传统有限元分析中高质量网格划分过程中需要人工干预，耗时长等难题。
图20 数值计算与模拟平台功能框架
图22 基于多面体的自动化建模方法与仿真技术
设计报告文本智能生成方面，采用长文本学习和词向量计算、指令模板问答，基于图谱检索增强生成（RAG）对大语言模型（LLM）进行微调，辅助工程设计报告文本编制。通过收集整理过往历史可研报告，进行结构化、向量化处理，形成规范知识块、样式库等专业报告特征数据集。基于国产大模型技术，对工程可研报告章节、段落、专业术语等进行标签化处理，智能整理工程项目信息，自动生成设计报告。
面向工业设计软件卡脖子难题。需行业资源整合，协同攻关。联合央国企、高校、科研院所、民营企业等产业链生态，借助中央企业BIM软件创新联合体等平台优势，协同攻克BIM底层核心技术，促进国产BIM软件推广应用和迭代升级，推动水利水电工程国产化BIM工业软件生态发展。
面向水利水电工程数智化设计技术研发。需行业顶层规划、高位推动。重点突破土石坝、重力坝和拱坝多种高坝坝型的一维参数-二维图像-三维模型智能生成理论，开发高坝生成式智能设计分析一体化平台；结合土石坝设计特点，利用生成式AI算法实现对土石坝智能设计、工作性态评价和方案比选优化，大幅提升设计效率和设计质量，进一步提升我国土石坝数智设计水平，可为我国已建约9万座土石坝工程进行安全复核。
数智设计是智能建设与智慧运维的基础，是建设数字工程、透明工程、智能工程的必然要求！HydroBIM将进一步融合人工智能技术，在数字孪生范式下开展面向全生命期的数智设计，打造数智设计、智能建设、智慧运维新业态，发展新质生产力，推进水利水电行业高质量发展！
供稿: 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司
水电水利规划设计总院