基于建筑信息模型（BIM）的三維協同設計在施工組織設計中的應用

錢鶴軒

摘 要：建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術是水利工程行業近年興起的一種先進的設計手段。它改變了傳統的二維設計方式，基于成熟的三維數字技術，利用各類設計軟件，將工程設計思路和成果全階段以三維動態方式呈現。在設計初期，它直觀準確地進行全方位方案比選，設計中期精準設計選定方案，設計后期自動生成各類圖紙及動態展示成果。BIM技術的應用極大地提高了管理、設計效率及設計成果的準確率。本文針對施工專業，從設計流程和軟件應用方面出發，闡述BIM技術在具體設計中的應用和取得的簡單成果，以期為類似項目提供參考。

關鍵詞：建筑信息模型協同設計;施工組織;三維數字技術

Abstract： BIM Technology is an advanced technology rising in the water conservancy industry in recent years. It is an engineering data model based on three-dimensional digital technology， integrating various related information of construction projects. BIM is a digital expression of the entity and functional characteristics of engineering projects. In the early stage of design， it intuitively and accurately compares and selects all-round schemes， accurately designs and selects schemes in the middle stage of design， and automatically generates various drawings and dynamic display results in the later stage of design. The application of BIM technology has greatly improved the efficiency of management and design， as well as the accuracy of design results. This paper only describes the application and simple results in specific design from the aspects of design process and software application for construction specialty， hoping to have reference value in similar projects.

Keywords： BIM collaborative design; construction organization; three-dimensional digital technology

1 工程簡介

天水曲溪城鄉供水工程從長江流域的永寧河一級支流白家河引水，為黃河流域天水市秦州區、麥積區城市生活生產供水，年供水量為4 526萬m3。工程主要由曲溪水庫樞紐、引水系統和管道電站組成。水庫總庫容為7 782萬m3，最大壩高80 m，引水隧洞長21.64 km，引水管道長2.117 km，調蓄水池容積18萬m3，電站裝機1 000 kW。工程總投資21.3億元，建設工期39個月。

2 設計流程及軟件應用

基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的三維協同設計是以三維數字為核心，利用各類成熟的三維設計原件對項目的基礎資料、各種相關信息及數字模型進行整合、模擬，從而精確實現設計意圖。BIM技術是對工程設計思路從宏觀整體展示到微觀具體設計的過程。一個完整的設計模型可以連接設計過程中每個階段的參數及設計成果，在設計過程中實現多專業聯動和信息成果共享，從而提高工作效率和成果的精確度。

BIM技術在施工專業的應用主要體現在兩個方面。一方面，與地質專業基礎成果的聯動，確定合理的施工方案;另一方面，與水工、金屬結構、水機專業中間成果的聯動及方案的合理性分析，從而給概算專業提供較為準確的投資估算基礎資料。施工專業BIM設計是與不同專業設計之間的信息共享，也是各專業間的協同設計，是一個聯動、試算的過程[1]。

2.1 設計軟件

天水曲溪城鄉供水工程BIM協同設計采用Autodesk平臺系列軟件Civil 3D、Inventor、Revit、Infraworks、Navisworks及CAD等，基于Vault三維設計協同平臺實現成果交互和實時高效的協作。它包括勘測子系統、樞紐子系統、引水工程子系統、電站廠房子系統，涵蓋勘測、水工、建筑、金結、水機、電氣以及施工等多個專業。基于三維設計協同平臺進行成果交互和實時高效的協作，模型精度達到了初步設計階段的應用要求，實現了三維設計建模和三維動態切圖、抽圖、碰撞檢查、三維配筋、可視化展示等BIM應用。

2.1.1 常用軟件。施工專業常用的設計軟件主要有Civil 3D和Infraworks。

①Civil 3D。Civil 3D基于三維可視化基本功能，可以清晰傳達設計意圖;借助軟件的動態更新功能，可以高效評估多個方案，從中選擇最優方案;提高了設計精準度，有助于減少錯誤和遺漏。Civil 3D主要用于細節設計過程，可以精確模擬建筑物的三維結構，與地質專業提供的資料相結合，可以準確計算各類工程量，最終抽取各類二維、三維施工圖紙[2]。

②Infraworks。Infraworks主要實現建筑物和真實自然環境的概念設計，以便進行模擬、分析和可視化。它主要創建施工場地、臨建設施等基礎模型，完成各方案間的初步比選，實現中間成果與Civil 3D的聯動，同時在設計初始階段進行動態設計和及時優化，以提高設計效率[3]。

2.1.2 軟件應用。Civil 3D和 Infraworks軟件的具體應用如下所示。

①施工總體規劃。借助Infraworks直觀、簡潔的三維動態展示功能，可利用線路漫游初步確定施工場地、臨建布置方案的可行性，并進行多方案比選。初選方案可與Civil 3D聯動，從工程量和投資的角度進行優化，從而確定推薦方案進行精確設計[4]。

②施工導流。確定方案后，利用AutoCAD Civil 3D對擋水圍堰、隧洞、明渠等導流建筑物結構進行三維建模設計，確定準確的導流設計方案計算工程量，繪制相關施工圖紙，且計算成果可與Infraworks聯動，動態展示施工專業成果。

③臨時交通。可利用Infraworks和AutoCAD Civil 3D地形處理技術以及道路路線、場地放坡等功能，通過模型裝配快速生成動態道路挖填曲面，從而計算道路準確工程量，最終達到動態視頻演示和施工圖紙繪制的效果。

④渣場與料場布置。初期利用Infraworks進行整體規劃布置，初選成果可在Civil 3D中以數字地面模型為基礎，利用放坡、場地等功能，快速實現復雜地形多級挖填方的渣場、料場可視化設計，并準確計算工程量，繪制詳細的施工圖紙。

⑤施工工廠。施工工廠模型包含場地模型和工廠三維模型。Autodesk Inventor參數化定義造型復雜的施工機械設備，聯合Infraworks實現準確的施工設施部署。

⑥營地布置。利用軟件中的各類臨建模型在選定的場地中進行設計，其中場地區域及選址可在Infraworks進行二維規劃，多方案比較后再進行三維信息化和可視化建模，以快速實現施工生產區、生活區等的布置，實現設計意圖[5]。

2.2 施工專業三維設計流程

Civil 3D和Infraworks設計軟件為施工專業三維設計的基本軟件。Infraworks前期動態模擬設計，后期成果動態展示。Civil 3D中期精確設計，后期出圖。根據軟件的這些特點，施工組織三維設計流程如圖1所示。

2.3 BIM設計在施工專業應用中的優勢

將地層巖性、材料特性、力學參數以及設計屬性等信息，利用BIM技術增加三維模型的集成信息，使部分設計構件成為智能實體，充分發揮BIM技術在施工組織設計中的優勢，包括施工工藝模擬、施工現場管理模擬、與施工進度相結合的施工過程模擬以及與概預算相結合的成本模擬分析等。

2.4 施工專業與概算專業的BIM聯動

水利工程有地質條件復雜、不可預見性強、投資大、施工難度高及建設周期長等特點。

二維設計過程中，各專業之間協同、聯動性差，且無法直觀從圖紙上展示設計的實際效果。因此，工程量計算準確率較低，會出現投資不足或浪費等現象。基于BIM技術的三維設計和協同設計技術，可從流程設計中由施工專業模擬出較為可行且精準的施工方案，從而提供給概算專業一個相對準確的概算單價編制基礎資料，使整個工程投資的計算基礎相對準確可靠。此外，在共享協同設計平臺上可利用其各專業的聯動性，隨時更新因設計修改產生的工程量變化信息，并與自身概算成果產生聯動。不僅可以大大提高工作效率，還可以有效減少因各專業協調而產生不必要的設計誤差[4]。

通過將更多的非幾何信息如價格參數、市場信息及價格變化因素集成到三維模型，可以從工程造價的角度進行施工工藝或項目方案的比選，有效減少設計變更，使工程投資更加準確、合理。

3 簡要設計成果展示

3.1 施工營地布置

施工工廠模型包含場地模型和工廠三維模型，利用Autodesk Inventor參數化定義造型復雜的施工機械設備，聯合Infraworks實現準確的施工設施部署。施工營地布置如圖2所示。

3.2 施工規劃

利用Infraworks直觀、簡潔的三維動態展示功能以及線路漫游等確定施工場地、臨建布置方案。對于擋水圍堰、明渠等導流建筑物結構設計，可利用AutoCAD Civil 3D進行三維建模設計，動態展示施工專業成果。利用Infraworks和AutoCAD Civil 3D地形處理技術以及道路路線、場地放坡等功能，實現場內交通布置效果[5]。壩址區施工組織設計三維總布置圖，如圖3所示。

4 結語

由于水利行業的特殊性，每個項目會因地質條件的不同而使得BIM設計的難度也不同，導致與地質專業緊密相關的水工、施工等專業不能有效進行模塊化和參數化設計。隨著各相關技術的發展，水利行業也在逐步探索BIM技術的使用范圍，實現水利專業與BIM的融合。與BIM技術協同設計，不僅是軟件間的協同，更是基于BIM技術的全階段、全方位、全專業，從設計到施工再到后期管理、運行、維護的一個資源共享、信息聯動、高效精準的大協同。

參考文獻：

[1]韓麗偉.BIM技術在水利工程中的應用研究[J].科學技術創新，2017（28）：172-173.

[2]管玥，李惟肖，邱月.基于BIM一體化平臺在全過程管理中的應用研究[J].建筑技術開發，2017（24）：50-52.

[3]劉修峰.BIM技術在水利工程中的應用[J].現代物業，2018（6）：57.

[4]張少楠，張慧君.BIM技術在水利工程中的應用研究[J].工程管理學報，2016（2）：103-108.

[5]張紹慶.BIM技術在水利工程項目建設中的應用與探討[J].住宅與房產，2016（24）：130.