BIM技術在水利EPC總承包項目中應用初探

林 旭 王 麗 郭 瑞

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

BIM(Building Information Modeling)——建筑信息模型，是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，通過參數模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行信息共享和傳遞，由建筑產業鏈各個環節共同參與來對建筑物數據進行不斷的插入、完整、豐富，并供各相關方提取使用，達到綠色低碳化設計、綠色施工、成本管控、方便運營維護等目的。在整個系統的運行過程中，要求業主、設計方、監理方、總包方、分包方、供應方多渠道和多方位的協調，通過網上文件管理協同平臺進行日常維護和管理。

EPC(Engineering Procurement Construction)是指公司受業主委托，按照合同約定對工程建設項目的設計、采購、施工、試運行等實行全過程或若干階段的承包。通常公司在總價合同條件下，對其所承包工程的質量、安全、費用和進度負責。

結合BIM和EPC模式特點，總承包商以設計單位為主體，將設計階段和施工階段有機結合，制定BIM標準，實現BIM技術在各階段的應用，發揮EPC模式的優勢。本文將基于無為泵站工程介紹BIM在水利工程總承包項目的應用，發掘BIM技術在水利工程EPC項目中的潛力與價值，探索BIM技術在水利工程總承包項目中應用的解決方案。

1 工程概況

無為泵站位于長江大堤處，其主要功能是一般年份排除圩區澇水，特殊年份抽排流域洪水。依據規劃分析，設計排澇面積 61.7km2，設計排澇標準 10～20 年一遇，設計排澇流量為 85m3/s。本次工程建設內容主要包括引水渠、攔污閘、前池及進水池、泵房、排澇出水涵、出水池，副廠房和管理房等。

2 BIM技術路線及標準

2.1 技術路線

工程應用BIM技術過程中，以總承包單位為主，對項目不同階段的工作職責進行分配和管理，建立BIM技術流程，見圖1。

圖1 BIM技術流程

2.2 模型標準

根據總承包項目特點，要求BIM在實施過程中具有信息傳遞性，通過統一的標準可以使BIM模型信息在設計、施工、運維等階段進行無障礙信息傳遞。

總承包項目BIM建模與交付標準可由總承包單位牽頭，負責標準整體框架的把控，設計單位對標準匯總的數據、模型、資料和建模要求等作統一規定和說明；施工單位對施工階段模型的編碼、拆分進行確定。BIM模型標準的建立，將為各參建單位開展BIM應用及信息共享建立基礎。

3 設計階段BIM應用

3.1 各專業協作建立模型

3.1.1 各專業設計協同

本項目為泵站工程，其涉及專業多，各專業協同難度大；電氣、水機、金結等設備繁多，敷設過程中容易錯、漏、碰、缺，模型建立精細化要求高。在服務端部署BIM工作平臺，基于平臺進行BIM人員組織與權限分配(項目部組織架構見圖2)，并按公司質量管理體系和項目管理體系建立工程項目文件管理結構。同時管理人員通過完善模型，可視化監控施工圖模型深化進度。

圖2 BIM項目部組織架構

3.1.2 各專業模型創建

項目主要包括泵站、攔污閘、清污機、上下游翼墻等構筑物，涉及水工結構、水力機械、電氣及自動化、金屬結構、房屋建筑等專業，工程構筑物多涉及專業廣，模型建立工作量大。工程應用Revit、Inventor參數化設計、精細化建模、可視化出圖等功能對工程各構件進行設計(模型見圖3)，將輸出成果從傳統的二維平面圖轉化為三維設計模型與二維平面圖相結合的模式，方便檢查、校核，確保設計合理、精確。

圖3 各專業模型示意

3.1.3 各類工程量統計

根據已建立的BIM，自動生成所需工程量統計清單，包括根據建筑專業模型、水工專業模型生成的各類構筑物材料統計表，根據場地單位模型生成的挖填方統計表等報表。由于BIM模型包含豐富的屬性信息，因此可以非常客觀精確地根據模型屬性進行分類統計，極大提高了工程概算的精度和速度。

3.1.4 各專業模型檢查

各專業模型建立整合后，利用NavisWorks對施工階段的構件與管線、建筑與結構、結構與管線等進行碰撞檢查、施工模擬等優化設計，盡早發現未來將會面對的問題及矛盾，尋找出設計過程中不合理的地方并及時進行調整，或者商討出最佳方案與解決辦法，降低傳統二維模式的錯、漏、碰、缺等現象出現的概率。

3.1.5 二維施工圖出圖

依托工程BIM，準確生成平立剖圖、綜合管線圖、綜合結構留洞圖，減少了傳統二維設計中繪制剖面圖的工作量，提高了設計工作效率。

3.2 分析軟件交互應用

為了確保泵站安全高效運行，項目設計過程中，將進行進、出水流道優化水力設計研究工作，以及對工程主要構筑物進行三維有限元結構分析。利用BIM技術建立的模型與有限元計算軟件相互交互，節省分析計算前期建模的時間，提高分析計算的效率；結合分析結果，實現對工程設計優化。

3.2.1 BIM+CFD技術運用，優化流道運行效率

用Inventor建立肘形流道三維模型，將Inventor建立的模型與CFD軟件交互，減輕CFD數值計算前期建模的工作量，見圖4；同時利用Inventor特有的鈑金構件展開功能，對流道外輪廓進行分解，為施工階段流道澆筑鋼制模板提供依據。

圖4 Inventor建立流道模型 及CFD數值計算結果

3.2.2 BIM+CAE技術運用，提高結構計算速度

利用Revit模型與有限元軟件Midas GTS模型交互導入(技術路線見圖5)，提高結構計算的效率，同時根據計算結果優化結構設計，實現BIM三維設計與其他計算軟件協同設計，使設計方案更科學高效。

圖5 MIDAS有限元結構計算技術路線

3.3 BIM+ GIS +AR+傾斜攝影技術運用

工程建設場地復雜，周邊實景模型建立困難。項目通過傾斜攝影建立精確實景模型，直觀反映工程與周邊環境關系，大幅減少現場踏勘工作量。

BIM+GIS+AR+傾斜攝影技術的應用，立體展示了設計成果，即時與建設方進行方案溝通，通過SuperMap iServer將集成的數據模型進行網頁端的發布，建設方還可通過手機、PC端的網頁瀏覽器隨時隨地查看模型。可視化的表達方式在信息傳達方面更加完善全面真實，有效提升了設計效率，縮短了設計周期，加快了工程建設總進度。

3.4 設計階段應用成果

水利工程是一項復雜的系統工程，涉及專業多、設計周期長、工程量大、環境多變、施工工期長、干擾因數多、施工機械布置困難，同時還要考慮施工導流、度汛等特殊要求。因此，通過BIM技術能夠使各專業協作建立全生命周期的模型，優化設計，促進設計質量提升；設計協同，實現設計周期合理管控；預知結果，保證設計目標順利實現。同時工程設計引用BIM技術后，設計成本顯著降低，根據初步測算，設計階段節省成本約3%。

4 施工階段BIM應用

4.1 施工方案控制

4.1.1 場地布置

傳統的二維施工平面布置局限性較大，難以相對合理地展示出施工生產生活場地、材料堆放和加工場地等布局的具體情況。工程建設初期，項目部BIM團隊依據二維場地布置圖制作BIM三維場地布置圖，見圖6，可以通過多視角查看場地布置細節，方便多方案綜合對比。

圖6 施工場地布置流程

4.1.2 施工方案可視化

泵站站身造型獨特，結構部位理解難，通過三維圖片或者三維動畫進行交底，可使復雜的結構清楚、直觀地呈現出來，能有效避免施工過程中的質量問題，見圖7。

圖7 三維施工交底示意

4.2 施工質量控制

4.2.1 工地智慧云管理平臺

通過搭建BIM工地智慧云管理平臺，以終端BIM信息為核心，實現施工進度線上管理，質量安全云端信息同步、圖紙規范信息云端查詢等，使數字化管理深入項目常態化管理。

現場質量、安全管理人員將檢查中發現的質量安全信息，通過手機APP上傳至云平臺，由分管負責人確定處理措施后推送至相關責任人落實整改，完成后，通過云平臺進行驗收，提高了現場質量安全管理信息傳遞效率；將主要分部工程過程施工圖片、施工信息、質量管理過程及相關成品試驗檢測數據，添加到系統中生成二維碼，后期可通過掃碼直接查看構件信息，實現施工過程可追溯；通過對云平臺上傳數據的收集、整理、分析，確定工程重點巡視部位，制定定點巡視計劃。

4.2.2 人工振搗實時數字可視化饋控平臺

對于工程主體為大體積混凝土結構，施工質量對于混凝土抗裂具有至關重要的作用。為此，工程運用混凝土施工質量實時饋控系統。該系統分為智能穿戴裝備系統和振搗效果遠程數字化管理平臺兩部分。

4.2.2.1 智能穿戴裝備系統

通過智能穿戴裝備系統，運用GPS定位技術解決了工人現場振搗時的定姿定位問題，見圖8。

圖8 裝備智能系統的工人振搗效果

4.2.2.2 振搗效果遠程數字化管理平臺

該系統可實現混凝土澆筑振搗質量可視化模擬及數字化控制。確保施工現場振搗信息實時有效導入、動態效果評價與指標精準顯示，使混凝土振搗施工質量始終處于受控狀態。

系統網絡結構見圖9，采用C/S(Customer/Server)+ B/S(Browser/Server)架構模式，整個應用系統由混凝土數字化施工工藝實時饋控系統和Web在線饋控系統兩大部分組成，建立了施工質量數據與BIM模型的雙向鏈接，實現了施工質量信息的共享和應用。

圖9 平臺總體架構

4.3 施工進度控制

依托云平臺，利用進度計劃導入平臺與對應模型關聯，分析進度計劃合理性以及與實際進度進行實時對比，若發現進度偏差，及時對現場人員、材料、機械配置進行調整，以保證節點進度目標，在云平臺上傳周施工進度計劃，通過手機端上傳每日實際進度情況和形象進度圖片、勞動力統計等，形成數字周報，實現進度計劃的動態管理。

4.4 施工成本控制

BIM創建后，可以準確快速計算工程量，提升施工工程量計量的精度與效率。與傳統的根據圖紙計算工程量相比，BIM在異形構件工程量計量中尤為突出，見圖10。

圖10 模型統計用量與實際計量對比

4.5 安全控制

4.5.1 隱患排查

對所建BIM，對“四口五臨邊”等危險性較大的危險源進行分析，生成分析報告，三維動態安全交底，讓一線作業人員了解和掌握作業面的安全注意事項，提高生產作業人員的安全意識，保障施工的安全，見圖11。

圖11 危險源分析

4.5.2 安全教育

使用BIM-VR安全體驗系統，通過項目BIM結合虛擬危險源，讓體驗者走進真實的虛擬現實場景中，通過沉浸式、互動式體驗使體驗者得到更深刻的安全意識教育，提升全員安全意識水平,見圖12。

圖12 VR安全體驗館

4.5.3 勞務管理

使用工地勞務管理系統，結合BIM、可穿戴智能安全帽、人員進出口閘道機，建立基于物聯網的勞務實名制系統。利用該系統，實時統計工人的出工情況，對施工工人進行實時定位。

4.5.4 數字監控

針對塔吊使用安全要求引進了塔吊監控系統，該系統具有風速報警、防傾斜、禁行區域設置保護、多塔吊的防碰撞、制動控制、塔吊黑匣子等多種功能，對每一臺塔吊，系統都對其幅度、高度、附近風速、力矩比、荷載比、轉角和傾角進行實時監測，且在BIM平臺中實時查看。

4.6 施工階段應用成果

在施工階段，利用設計階段建立的BIM，結合施工進度計劃進行4D施工模擬，協調各方優化時間安排，根據模擬結果指導現場施工；并且構建人員、設備與材料管理模型，在施工實施過程中，不斷完善模型構件的產品信息及施工、安裝信息；最后在施工過程中，在BIM中輸入主要工藝、電氣設備的必要信息，如設備名稱、制造商、型號、用途等，為后續運維管理打下基礎。

5 結 語

相較于傳統的設計模式，BIM技術能夠利用全專業協同、分析軟件交互等特點提高設計質量和效率，且直觀反映工程信息。結合總承包的特點，利用制定的統一標準，將設計階段和施工階段有機結合起來，讓施工單位更好地理解設計意圖，并對施工進行模擬，加快工程進度，提高施工質量，并為建成后的運維提供數據。

鑒于BIM技術在水利工程EPC項目中具有巨大的潛力與價值，本文介紹了水利工程EPC項目中BIM技術的應用，利用BIM技術整合設計和施工過程，并前后延展，涵蓋規劃、運維過程，形成一套完整的項目全生命周期解決方案，為同類項目的BIM技術積累了成功經驗。