BIM技術在輸水箱涵施工階段的應用研究

王欣　馮利軍

摘要：為解決水利水電工程施工階段中場地布置不合理、工程量統計耗時多、技術交底不直觀和質量管理信息傳遞不到位等問題，利用BIM技術，以輸水箱涵為研究對象，分析BIM技術在解決以上問題時存在的優勢。通過對Revit和Navisworks兩款核心軟件的運用，進而實現輸水箱涵場地模型和3D施工結構模型的建立，以及模型的漫游、仿真模擬、信息的集成與共享。實例表明：BIM技術的應用可以避免場地布置的不合理、提高工程量統計的效率、進行可視化的技術交底和及時傳遞質量管理信息。

關鍵詞：BIM技術;輸水箱涵;場地布置;工程量統計;技術交底;質量管理

中圖分類號：TV52

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2019.04.030

水利水電工程屬于非常復雜的系統性工程[1]，而輸水箱涵屬于水利水電工程的一部分。南水北調引水工程修建了大量的地埋鋼筋混凝土輸水箱涵[2]，這種輸水方式既實現了耕地的保護，又保證了水在流動過程中不會被外界所污染。

輸水箱涵工程呈線性分布，施工作業面長、技術要求高、參建單位多、涉及的構件和工種較多[3]。在以往輸水箱涵工程的施工階段會遇到很多問題，比如施工場地布置不合理、施工工程量統計耗費大量時間、施工技術交底不直觀、施工質量控制過程繁瑣等。管理學中有句話說得好：“過去的解決辦法決定今天的問題，今天的問題創造性地引領未來的解決方法。”BIM（Building Information Modeling）是一種數據化工具，應用于工程設計建造管理的過程中[4].其中各種與項目相關的信息通過參數模型可以被整合在一起，不僅使信息能夠在工程項目的全生命周期中進行共享和傳遞，還能使工程技術人員對相關信息予以正確的理解，并為工程項目的各參與方提供協同工作的基礎，從而使得生產效率提高、成本節約和工期縮短。最近幾年在國內建筑工程領域已經有全生命周期的應用實例，為工程項目的管理工作注入了新的血液，是解決現階段建筑行業問題的全新技術理念。但是，目前BIM技術尚未廣泛應用于水利水電工程。本文以某輸水箱涵工程為例，在場地布置、工程量統計、技術交底和質量管理四個方面介紹BIM技術的應用，使得場地布置方案更加精確合理、工程量統計過程變得簡便高效、技術交底方式直觀易懂、質量管理信息參數化和集成化。

1 傳統模式下輸水箱涵施工階段存在的問題

從過去的一些有關輸水箱涵工程施工建設項目來看，在施工階段會遇到許多問題，這里從施工場地布置、工程量統計、技術交底、質量管理四個方面進行闡述。

（1）傳統的輸水箱涵施工場地布置是管理者根據自己以往的經驗把場地布置的情況在二維施工現場總平面布置圖上呈現出來，然后根據布置圖在實際施工時進行場地布置[5]，這種表達方式不能夠反映施工現場空間上的關系，也不能提取和集成施工現場相關構件的有關信息，往往需要在實際布置施工場地時對布置情況反復調整，易造成施工場地內的構件和材料二次搬運，從而提高了運輸成本，降低了施工作業生產效率。

（2）輸水箱涵工程在進行施工圖預算編制工作時，施工工程量的統計是最關鍵的，以往的工程量統計工作是基于二維CAD圖紙進行人工統計，這種方式面對構件多、鋼筋用量大等因素時不僅需要耗費大量的時間，而且耗費大量的人力和財力，統計結果的準確性也不能保證。工程量的統計錯誤會直接導致施工圖預算的錯誤，需要再次組織人員進行工程量的統計，不能一次到位，從而使得施工單位成本增加，效益情況無法準確估計。

（3）以往施工單位技術交底工作在單位工程或者分項工程施工前由主管技術的管理人員以文字或者簡單的繪圖方式向施工人員進行技術性交待，讓施工人員對輸水箱涵工程的質量要求、施工方法等有一個了解[6]。這種交底方式不夠直觀，使得施工人員在面臨較復雜的施工過程時不能夠完全理解，在實際輸水箱涵施工過程中因技術交底不到位或者不合適而導致返工的情況常常發生，不但會使工期延誤，而且會讓施工成本增加。

（4）質量管理是指在質量方面指揮和控制組織的協調活動。輸水箱涵的壽命取決于其質量的好壞，實現其全過程質量管理的關鍵是對施工階段的嚴格把關[7]。一方面，傳統的輸水箱涵工程在施工階段的質量管理主要依靠質檢人員在構件完成后的抽檢，抽檢的結果常常出現不合格的情況，這就使得相關構件要進行拆除，導致二次返工，造成了成本和時間的浪費，也使得輸水箱涵工程的工期和質量不能保證。此外，在質量管控時，常常會出現因質檢人員對箱涵底板、鋼筋等構件的檢測要求和時間不了解，而導致檢測結果達不到相應的標準：另一方面，傳統的輸水箱涵施工過程中產生的大量有關質量的資料、圖片等與模型圖紙是分離的，一旦遇到質量問題不能夠及時獲取相關信息，這會造成很嚴重的后果。

2 BIM技術在輸水箱涵施工階段的應用以及優勢

利用BIM技術可以實現3D建模、碰撞檢測、漫游、仿真模擬等功能，這些功能是傳統技術無法完全實現的，它在輸水箱涵施工階段現場布置、工程量統計、技術交底和質量管理過程中的應用與傳統模式下相比有很大的優勢。

2.1 場地布置

首先根據業主提供的輸水箱涵工程項目的地形測量數據以及地形上附屬構件信息，按照I：I的比例利用BIM技術的3D建模功能在計算機上創建與實際地形情況大致相同的3D地形模型。然后利用BIM技術創建現場布置所需的1：1比例的三維構件等一切事物，如辦公或生活房屋、混凝土生產設備、混凝土泵車、鋼筋加工棚等。最后管理者利用BIM技術的碰撞檢測功能和自己以往的經驗，結合實際地形情況進行場地布置，這個過程好比布置一個空房子，家里的家具等合理擺放，讓以后的生活更加方便和舒適。通過這種方式可以查詢場地中各個構件的信息，并且在施工前對施工場地布置不斷優化，最大限度地避免在實際場地布置時場地內構件及材料的二次搬運，降低運輸成本，提高施工的流暢度。

2.2 工程量統計

輸水箱涵工程的工程量統計主要涉及到土方量、混凝土用量和鋼筋用量。利用BIM技術進行基坑開挖和涵體3D建模，然后進行工程量的自動統計，最后可以直接以表格的方式反映出來[8]。要想統計結果詳細，就需要建模的時候對構件進行詳細的分類并命名。通過這種方式統計工程量既準確又快速，而且模型中的工程量發生改變，表格中的統計量會自動改變。

2.3 技術交底

通過BIM技術進行輸水箱涵的技術交底，首先需要滿足技術交底的部分（復雜節點工序、關鍵位置等）包含在已經創建好的3D模型中，然后利用BIM技術進行漫游、仿真模擬，最后以動畫的方式呈現出來。主管技術的管理人員可以以文字和動畫相結合的方式向施工人員進行技術交底，更加直觀，給人印象深刻，相當于老師把一道題講過了一遍，然后考試出了原題再讓同學們做一遍，考試結果是可想而知的。利用這種方式，在實際施工過程中幾乎不會出現返工現象，使得輸水箱涵工程的施工能夠流暢進行，從而完全滿足技術交底的所有要求。

2.4 質量管理

應用BIM技術對輸水箱涵進行質量控制，可以大大提高質量管理的效率。要做好質量管理，首先要做的就是從體量龐大的輸水箱涵工程中確定構件所處的精確位置。通過BIM技術在創建輸水箱涵模型的過程中，每一個構件會自動生成自己的ID識別碼，工作人員可以通過這個識別碼快速地定位到需要查看的構件處，然后判斷該構件是否滿足相應的標準并記錄下來[9]。有了相關記錄數據后，通過技術交底把質量控制要點確定好，然后根據質量驗收規范，把構件的數據和驗收要求提取出來，通過BIM軟件的共享參數功能，生成一個有關三維模型的信息數據庫。在日后進行質量管理時，依據質量控制的標準，可以隨時從數據庫中調用信息，從而對質量進行嚴格把控。此外，質檢人員通過BIM技術可以把施工過程中有關質量信息的圖片、視頻、音頻、文檔等手動集成到模型中，從而實現輸水箱涵虛擬模型和施工真實情況信息的整合，在施工過程中相關人員通過模型可以迅速查看構件的所有信息并對其管理。

3 工程實例應用

3.1 工程概況

某輸水箱涵建造工程，全長9.88 km。該工程以現澆鋼筋混凝土箱涵為主，為有壓輸水箱涵，其他建筑物包括：通氣孔5座、分水口1座、檢修閘1座、小型公路涵5座、小型倒虹吸1座。工程合同價為3.2億元，施工工期731 d。輸水箱涵全長9 km，共600節，每節15m，全部為直線段。輸水箱涵結構尺寸為15.2 mx5.6m（寬×高），分三孔，每孔凈空尺寸4.4 mx4.5 m（寬×高），倒角尺寸為500 mmx500 mm.中間隔墻厚度為450 mm，頂板厚度為550 mm，其橫斷面尺寸如圖1所示。輸水箱涵混凝土全部采用C25，其基坑橫斷面為復式梯形斷面。對該輸水箱涵工程選用Autodesk公司的Revit軟件進行3D建模，選用Navisworks軟件進行漫游、碰撞檢測和仿真模擬。

3.2 基于BIM技術建立輸水箱涵的場地和基坑模型并進行場地布置

首先利用業主提供的場地高程點txt格式坐標文件，通過Revit創建輸水箱涵地形表面模型;然后根據輸水箱涵所需的施工機械、材料、設備以及功能分區，對施工場地進行優化布置：最后借助業主提供的基坑坐標位置，通過Revit創建輸水箱涵的復式梯形斷面基坑。具體的創建過程如下：

（1）利用Revit中的體量與場地命令、地形表面命令、通過導人創建命令、指定點文件命令，把坐標文件以逗號分隔文本類型導人到Revit中，從而完成地形表面模型的創建[10]。

（2）輸水箱涵施工涉及的主要施工機械和工具有混凝土泵車、振動器、模板、挖掘機等，施工模板主要為鋼模板和鋼模臺車。這些器械和工具在Revit族庫中沒有，一部分通過新建族和拉伸、融合、旋轉、放樣等命令的搭配使用，創建所需的機械和施工模板：一部分從網上下載所需的族文件，最后導人Revit中以供使用。在導入這些族文件的時候，應通過放置構件的方式把族文件導人Revit中，否則會產生模型與場地不貼合[11]。

對施工場地布置不斷優化，最后劃分為8大區域：施工道路（灰色區域）、辦公生活區（綠色區域）、鋼筋加工棚（粉色區域）、混凝土生產區（黃色區域）、油庫（紅色區域）、施工器械和材料存儲區（藍色區域）、施工風水電通信系統（白色區域）和堆土區（黑色區域）。

（3）通常情況下，用Revit的體量與場地命令和建筑地坪命令只能實現矩形斷面的基坑繪制[12].而輸水箱涵基坑為復式梯形斷面，故利用建筑地坪命令在這里行不通。經過不斷摸索，最后反復利用體量與場地命令、拆分表面命令、平整場地命令、僅基于周界點新建地形場地命令實現了輸水箱涵基坑的創建。具體場地布置和基坑橫斷面形狀如圖2所示。

3.3 基于BIM技術建立輸水箱涵的結構模型并統計工程量

（1）本案例的輸水箱涵結構模型通過Revit創建，它由側墻、中墻、八字翼形底板和頂板構成，其中側墻和中墻選取相應尺寸的結構墻即可，而特殊形狀的底板需要借助族工具來實現創建，因考慮到施工模擬方便，故在此利用放樣、拉伸等命令來完成輸水箱涵八字翼形底板和頂板的創建。由于需要對輸水箱涵進行配筋，因此需要將新建族屬性中的“可將鋼筋附著到主體”打上對勾，這樣就可以對箱涵進行配筋了。配完筋后輸水箱涵的結構模型就完成了，配筋詳細情況如圖3所示。

（2）利用Revit中的明細表功能對其進行相應的設置后，分別對輸水箱涵的鋼筋混凝土用量和基坑挖填的土方量進行自動統計。

3.4 基于BIM技術輸水箱涵工程的技術交底

輸水箱涵工程的技術交底涉及很多部分，這里基于BIM技術以鋼筋的搭接方式為例向施工人員進行技術交底，涉及的其他技術交底都可以模仿鋼筋的技術交底方式。首先把輸水箱涵的結構模型導人Navis-works中，把混凝土的部分隱藏掉，只顯示鋼筋部分，根據鋼筋的搭接方案對鋼筋創建工作集，并通過animator功能創建合適的動畫，然后在timeliner中輸入鋼筋的搭接方案，把工作集及動畫附加到合適的位置[13].模式為構造，就可以實現輸水箱涵工程箱涵鋼筋搭接過程的虛擬建造，最后導出avi格式的仿真模擬動畫。鋼筋仿真模擬過程如圖4所示。當管理人員向施工人員進行技術交底時，通過動畫和文字相結合的方式更加直觀易懂。即使當時對技術交底沒有理解，在事后可以通過手機、電腦或者iPad等支持avi格式的工具，反復地對動畫進行觀看，甚至可以邊觀看邊施工，大大提高施工的流暢度。

3.5 基于BIM技術輸水箱涵工程的質量管理

3.5.1 基于BIM技術輸水箱涵項目參數的質量管理

輸水箱涵主要由箱涵底板、側墻、中墻和箱涵頂板四類構件組成。這里以某部分的箱涵頂板的質量檢測為例來對基于BIM技術項目參數的質量管理進行描述。首先檢測人員根據所需檢測箱涵頂板的ID號確定它在模型中的位置，然后根據相關質量規范來確定其是否滿足質量要求并記錄下來。記錄過程如下：首先利用Revit軟件“管理”選項卡中的“項目參數”功能，對參數的屬性進行創建：然后根據需要的參數類型對其進行創建，比如輸入質檢的日期、評定、要求和人員等：最后當質檢人員對箱涵頂板進行檢查后，把相關的檢查信息輸入其指定項目參數，相關人員可以直接對保存的結果進行查閱與共享，如圖5所示。

3.5.2 基于BIM技術輸水箱涵信息鏈接的質量管理

基于BIM技術輸水箱涵信息鏈接的質量管理，主要是依托Navisworks軟件“項目工具”選項卡下的鏈接功能來實現模型與外部質量信息的關聯[14]，關聯成功后，通過“常用”選項卡下的“顯示鏈接”功能來對關聯的質量信息進行查看。例如選擇某節輸水箱涵的頂板為例，首先把與其施工前相關的質量資料、施工過程中生成的視頻、圖片等文件進行收集，然后利用Navis-works的“添加鏈接”功能把外部的這些信息集成到模型中，最后通過“顯示鏈接”選項對相關質量信息進行查看，并且還可以把集成后的質量信息模型發布給相關人員進行審閱，以便及時給出反饋意見，其中關鍵步驟的系統界面如圖6所示。

4 結語

本文對傳統模式下輸水箱涵施工階段的場地布置、工程量統計、技術交底、質量管理等方面存在的問題進行了分析，并闡述了如何利用BIM技術來解決這些問題以及BIM技術的優勢，最后以某輸水箱涵工程為例進行了介紹。通過BIM技術在輸水箱涵施工階段的應用，將相關人員從傳統的二維圖紙中解放了出來，大大減少了返工情況，工程進展更加流暢，成本估算更加精確，施工質量管理過程實現了信息的參數化和信息化集成。由此可以看出把BIM技術應用到輸水箱涵工程的施工階段是可行的，并且意義重大。

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【責任編輯張帥】