BIM 技術在水利圈圍工程施工管理中的應用分析

尹 航，李玉龍，吳曉南

（上海交通建設總承包有限公司，上海 200136）

引言

近年來，水上工程呈現出工藝復雜化、規模擴大化的趨勢。傳統二維圖紙、沙盤推演等手段，在施工方案編制、總平面布置、進度對比分析中難以直觀的幫助技術人員深入理解工程，容易引發設備調度混亂、作業面效率不高等問題。GPS 背包、測深儀等常規測量工具也愈發體現出其效率的劣勢，難以精確、快速的反映施工進度與成本。

1 水利圈圍項目的工程管理現狀

1.1 項目管理常規方法和使用的工具

當前水利圈圍項目管理體系基于項目管理組織機構創建，以職能部門為管理單元，分配不同管理內容。各職能部門對自身工作內容提出最優解決方案后，交由項目管理領導班子進行決策，并根據領導班子意見對解決方案予以修正或執行，是一種對事務和問題逐層分解的線性項目管理組織結構，能夠有效解決工程管理重難點問題。

管理過程中，一般運用簡單的文字、表格處理軟件，如Word、Excel 等，在處理進度計劃時，往往應用Project 進行簡單的橫道圖進度計劃編制。

表1 各類工程管理內容的軟件應用場景

在施工現場管理方面，現階段水利圈圍工程施工過程控制主要運用測深儀、GPS、全站儀等測量設備進行相對精確的水上水下施工質量檢測；少數需要實時、可視化確定施工質量的水下工序，一般使用旁掃聲納或超短基線設備。至于材料管理、安全管理、設備管理等施工管理重要內容，則往往采用更為原始的人力去落實。

經過多年工程建設檢驗，當前水上工程管理方法與常用工具能夠切實有效的對施工管理各個環節進行把控，解決各類施工重點難點，保障工程建設按部就班順利推進。

但隨著水利圈圍工程行業的不斷發展，工程結構與工藝逐漸復雜、規模逐漸增大，傳統管理方法與工具的管理成效逐漸減弱，并愈發顯現出諸多的不足與局限。

1.2 傳統工程管理的不足與局限

按照不同施工管理環節，當前水利圈圍工程管理的不足與局限主要體現在以下方面：

1）信息孤島

基于項目管理組織機構設立的職能部門，在對各自工作提出最優解決方案的同時，獲取其他管理內容信息的能力有限，使得最優解決方案并不能兼顧考慮對其他管理內容帶來的影響，同時給領導班子決策造成困難。質量管理人員對質量的追求，會對工程進度造成影響；進度管理人員對進度的追求，會對工程質量造成影響；而安全管理人員對安全的追求，會對工程進度與質量同時產生影響。

再者，隨著工程規模的逐漸增大，信息孤島效應將不斷顯著，造成質量、安全、進度、成本各個管理環節信息的產生越來越大的隔離，并降低工程管理體系運行效率，增加管理人員工作量。

2）可視化困難

水利圈圍工程的結構越發復雜，工序交叉的現象就越發增多。對工程總體施工方案的實際指導性、施工階段劃分的科學性、多工作面布設的合理性、設備調遣的準確性提出了新的要求。

在解決此類問題時，傳統管理手段主要通過多張平面圖、斷面圖，分階段體現施工平面布置，對施工管理人員空間想象力與邏輯思維能力要求較高，難以對擬定的施工總體方案進行形象的推演與驗算，容易導致不同工序相互影響、設備調遣矛盾、不同施工區域進度沖突、多工作面協同作業效率低下等一系列問題，顯著降低施工總體方案的實際指導意義，延誤工程進度，產生設備重復調遣費用、閑置費用等不必要的施工成本。

3）施工成本難以快速反映、統計精度受限

施工成本控制是施工企業工程管理的重點，而施工成本準確控制與測算，建立在工程量的快速、精確統計之上。

當前水利圈圍工程施工工程量主要依靠工前工后測量的差值來計算，計算效率受測量設備、測量方法限制，計算誤差多來自測量設備精度及選取的計算方法。

結合前文，現場施工測量多使用測深儀、GPS、全站儀等設備。水下測量常用的多波束測深儀，受船舶航速、涌浪、水溫等多方面因素影響，誤差可達20～50 cm，對水下工程量計算精度帶來極大影響。而在計算吹填工程量時普遍使用的方格法，其計算精度和效率與測量點密度、單元格大小關系密切。在計算大型水利圈圍工程的吹填土方量時，為保證計算速度，往往會犧牲部分計算精度，選用相對稀疏的測量點和較大的單元格，無法兼顧計算精度，而計算精度的損失，將進一步影響施工管理決策。

除了上述不足與局限之外，傳統水利圈圍工程管理方式還存在材料管理過度依靠人工、工程檔案整理困難。質保資料追溯性難以保證、安全管理與船機設備調度難度大等一系列問題，這些問題都需要在企業精細化、信息化管理的不斷發展過程中加以解決。

1.3 現階段行業發展趨勢

近年來，國家對工程管理精細化、信息化持續激勵與引導，政府行政職能部門對國有施工企業信息化管理要求不斷提高，水工建設市場競爭日趨激烈、企業管理成本、人工成本逐年增加，建設單位對總承包單位工程管理水平的重視程度越來越高，同時工程規模不斷增加，施工現場管理人員對信息化管理的需求也持續提高。諸多原因，致使水工施工企業必然去尋求一種更加高效、更能提升公司工程管理水平、增強企業核心競爭力、促進提質降本增效工作不斷落實的新型工程管理手段。

2 采用BIM 作為工程管理手段

BIM，建筑信息管理，是在信息化時代應運而生的新型工程管理理念，旨在利用三維建筑模型搭載工程信息，直觀反映工程情況，提升大型工程管理效率，最終實現建設工程不斷增值，為使用者帶來時間、成本等多方面效益。

BIM 技術在西方經過多年發展，已經得到了比較廣泛的應用，能夠完善覆蓋建設工程全生命周期，尤其是在建筑、橋梁、隧道及管線方面，擁有多家軟件公司提供深入開發的成套軟件，為工程建設服務。

在水利圈圍工程領域，BIM 的應用目前還處于初步階段。受水上工程特點約束，如建筑形狀、軸網不規則，受水下地形起伏影響較大，施工進度受自然條件影響顯著等，BIM 技術應用推廣相對緩慢。

但在不斷的嘗試與摸索中，技術人員緊密結合工程建設需要，從前期規劃布置及總體施工方案的編制、工程量計算與快速反映、信息孤島消除及工程管理信息強化三個方面展開了BIM 技術在水利圈圍施工管理中的應用研究，并對研究結果展開分析，得到了符合預期、能夠體現BIM 技術應用價值的對比結果。

3 BIM 在水利圈圍施工管理中的應用

3.1 前期規劃布置及總體施工方案

1）案例一：

長興潛堤后方灘涂圈圍工程（以下簡稱長興潛堤工程）位于長興島東南角，工程圍堤堤身結構均采用袋裝砂斜坡堤型式，堤線全長3 277.07 m，總圈圍面積1 666.68 畝。工程平面布置如圖1。

圖1 優化前平面布置

長興潛堤工程工期緊張，圍堤施工與吹填作業需同時進行，圍內外交叉作業頻繁，且水深條件受限，施工船舶作業空間不足，船機設備調遣頻繁，需要采用科學的總體施工布置與多工作面布設，消除多項工序同時施工造成的相互影響，避免船機設備重復調遣造成的施工成本提升。

為解決長興潛堤工程施工難點，施工前，技術人員利用BIM 理念，按照工程圖紙、船舶圖紙建立1:1 三維模型。通過BIM 軟件可視化的擺放船舶設備模型、調整施工作業面，合理確定施工作業面布設位置，優化-3.0 m 以上堤身填筑方案為對拉施工，根據水深三維水下地形科學確定絞吸船泥面加深位置（圖2），為工程順利推進奠定基礎；施工過程中，利用BIM 技術使進度管理形象化（圖3），迅速確定進度影響因素。

圖2 優化后平面布置

圖3 進度管理形象化示意圖

2）案例二：

南匯東灘促淤二期工程（以下簡稱“南匯二期工程”）位于浦東機場外側促淤區以南的沒冒沙水域，以及大治河延伸段以南-2～-3 m 高程（吳淞零點為基準）以上的南匯東灘灘地。

南匯二期工程堤線全長4 056.678 m，其中堤線南段為1 717.5 m 的透空式六面體筑堤結構，底層塊體全部水平放置并呈梅花形布置，二層及以上則采用質心定點、姿態隨機安放，上層塊體斜插下層塊體間隙之中筑堤結構段面如圖4。

圖4 透空式六面體筑堤結構斷面圖

該結構為堤頂高程、堤頂寬度、坡比控制，灘地標高變化復雜，塊體尺寸統一而固定，產生了堤頂高程控制困難的問題：當灘地高程變化小于塊體尺寸時，若增加一層塊體，則堤頂標高太高，帶來過多的施工成本；若減少一層塊體，則堤頂標高太低，無法滿足設計要求。經過分析發現，通過調整底層塊體擺放的間距，能夠在不改變塊體層數的同時，微調最終斷面堤頂標高。

在確定塊體施工方案時，選取典型段利用BIM 技術進行了形象化的塊體擺放分析，根據現場灘地高程數據，將底層塊體縱橫間距按照設計要求的最大偏差進行多種數據組合試驗，尋求出最佳的底層塊體間距數據（圖5）。

圖5 底層間距1.0 m×0.9 m 時模擬情況

分析過程利用底層塊體縱、橫間距的改變，模擬了共20 余種底層塊體擺放情況，篩選出9 種滿足設計要求的底層塊體擺放結果，并統計各種方式的塊體使用數量，揭示了塊體數量使用最少的情形。

表2 底層塊體擺放情況結果分析表

最終，利用BIM 技術模擬的方案成為透空式六面體施工方案，經完工后驗收和統計，整體安裝情況順利，工后堤頂標高滿足要求，塊體消耗數量符合預期，充分體現了BIM 技術的應用意義。

3.2 工程量計算與快速反映

橫沙東灘圈圍（八期）工程（以下簡稱橫沙八期工程）位于橫沙六、七期北側，橫沙三期東側，N23 潛堤西側，已建促淤壩南側。主要建筑物包括：圍堤、保灘、吹填、河道、水（泵）閘、施工道路改建等，堤線全長22 509 m，總圈圍面積6.36 萬畝。

橫沙八期工程吹填土方量巨大，達14 242.3萬方，每1 %的計算誤差都會帶來不可估量的經濟損失，是工程施工成本管理重中之重。因此吹填土方量測算需要盡可能的準確，避免測量手段或計算方法對土方量計算結果造成的影響。

結合前沿的無人機點云測量技術，施工管理人員在BIM 軟件中將點云測量結果建立為三維工前工后地形模型，根據實際需求選取特定區域計算吹填土方量。點云算法以微積分為基礎，與傳統方格法用平均高程和插值算法計算方量完全不同，點云算法高程測點密度極大，通過工前工后點云數據比對形成空間體，再對空間體三維數據進行計算，精度極高。同時，技術人員將其與傳統網格法計算結果、吹填船方量進行細致比對。

表3 土方量計算結果比對表

比對結果顯示，傳統方格法計算方式測量作業非常消耗時間，計算精度隨著方格減小而增加，實際算量過程中，現場測點會隨計算精度要求增加而加密，進一步增加測量作業時間，導致方量計算效率顯著降低；而點云模型方量計算數據采集使用無人機進行，速度快、精度高，形成數字化測量結果方便下一步計算處理，全部計算流程消耗時間比傳統方格法計算方式減少了50 %以上，計算精度也有著3～7 %的顯著提升，且與吹填供砂量相互吻合（圖6、圖7）。

圖6 土方量計算結果耗時比對

圖7 土方量計算結果偏差比對

通過新型測量手段與BIM 技術的結合，實現了從數據源頭到計算方法全過程的快速精確計算，最大程度的避免了工程量測算偏差，同時能以最快速度給出工程量、工程成本情況，為工程成本精確控制提供了強有力的依據。

4 結語

本文借助水利圈圍工程實例，總結、歸納了傳統施工管理手段的特點和局限，并與BIM 技術進行對比，通過多個鮮明、典型案例的對比分析，闡明了BIM 技術在前期規劃布置及總體施工方、工程量計算與快速反映、信息孤島消除及工程管理信息強化三個方面的顯著作用，可歸納為以下四點：

1）采用BIM 技術模擬施工總體布置，具有直觀、可視化的顯著特點，在大規模、復雜結構的水利圈圍工程中應用效果顯著，能夠有效提升方案的實際指導意義；

2）采用BIM 技術對新型透空式六面體堤身結構展開研究，能夠直觀、形象的確定施工安裝方案，有效確保施工質量滿足圖紙要求，同時控制塊體用量；

3）采用BIM 技術分析土方工程量，在大型吹填工程中效果顯著，可快速反映吹填工程量，同時確保計算精度與傳統測量方式相當；

4）采用BIM 技術建立施工信息模型，在大規模水利圈圍工程中應用，能夠打通各管理部門的消息閉塞，給施工管理中各項決策的制定提供全方位的依據。