BIM技術在大型倒虹吸工程施工中的應用研究

王濤　婁運達

摘 要：筆者研究建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術在大型倒虹吸工程中的應用，利用BIM技術，創建觀音山特大倒虹吸三維信息模型，實現倒虹吸模型的參數化設計，提高了倒虹吸工程在Revit中的構建效率。優化倒虹吸工程施工方案以及場地管理，使施工方案與場地規劃更加合理。利用物聯網智能傳感器技術，實現了倒虹吸工程施工的智能化協同管控，提高了施工管理智慧化水平。

關鍵詞：信息化技術;大型倒虹吸;BIM應用

中圖分類號：U216.4 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0034-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.008

Application of BIM Technology in Construction of Large Inverted

Siphon Project

WANG Tao? ? LOU Yunda

（1.Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co.， Ltd.， Qujing 655000， China; 2.School of Civil Engineering and Transportation， North China University of Water Resources and Hydropower，

Zhengzhou 450045，China）

Abstract： The author studies the application of building information modeling technology in large-scale inverted siphon project， uses building information modeling technology to create a three-dimensional information model of Guanyinshan super large inverted siphon， realizes the parametric design of inverted siphon model， and improves the construction efficiency of inverted siphon project in Revit. Optimize the construction scheme and site management of inverted siphon project to make the construction scheme and site planning more reasonable. The intelligent collaborative management and control of inverted siphon project construction is realized by using the intelligent sensor technology of the Internet of things， and the intelligent level of construction management is improved.

Keywords： information technology; inverted siphon; BIM application

0 引言

BIM（Building Information Modeling）是指在建筑物的規劃、設計、施工以及運營維護階段全生命周期中，利用數字信息技術來輔助施工設計或維護[1]。雖然BIM技術在我國的房屋建筑領域應用頗廣，但應用在水工建筑領域還較少，主要是因為水利工程中存在許多異形結構，建模復雜，而且水利工程市場份額沒有房屋建筑領域高。水工建筑物中管道構件較多，容易出現安裝錯誤的情況，利用BIM技術可以顯著降低安裝失誤率，提高施工效率[2]。筆者以觀音山倒虹吸為例，研究Autodesk Revit建模應用在倒虹吸工程中的應用，為相關項目提供參考。

1 工程背景

滇中引水工程觀音山倒虹吸項目，管線全長9.77 km，采用3根內徑4.2 m的壓力鋼管輸水，設計流速100 m3/s，共71個鎮墩、786個支墩。主要結構物有觀音山退水渠（總長1 878 m）、進水池及配套設施、出水池、機電及金屬結構安裝等工程。在面對眾多施工管控重難點的情況下，BIM在不同管理層次上具有顯著優勢，通過發揮BIM技術在深化設計、施工和協同管理維護等建筑生命全周期的各個階段的高精度集成及高效傳遞，解決以下施工重難點。

①規模大、標準高。觀音山倒虹吸工程是目前國內在建的線路最長、施工規模最大的倒虹吸工程。同時是“安全工程、優質工程、生態工程、民心工程、廉潔工程”的五個一示范工程。

②技術新。運用大直徑壓力鋼管智能化數控設備、智慧工地、5G數字建造等技術。

③難點。第一，空間異性鎮墩及大直徑壓力鋼管測量定位及控制核準難度高。第二，協調難，工程線路穿越羅茨盆地，先后穿越083鄉道、X334縣道、武易高速、兩次穿越東河及村莊等敏感建筑物。其中，穿越東河的施工導流及下穿武易高速的道路保通尤為重要，涉及相關管理單位多、協調難度大、安全風險高、施工難度大。第三，安裝難，工程線路穿越村莊、河流、山區較多，施工道路地形復雜，倒虹吸設計最大坡度為23.7°，在運輸和安裝過程中，施工難度大、安全風險高。第四，管理難，專業分包多，工期緊，同一作業面交叉作業多、工序穿插難度大。

2 BIM模型的建立

2.1 采用Revit建模的優點

Revit是Autodesk旗下的建筑信息模型軟件，利用Revit進行倒虹吸模型的構建有3個優點。

2.1.1 操作簡單易上手。Revit與AutoCAD都是Autodesk公司的產品，二者界面布置、操作邏輯都很相似。熟悉CAD的用戶也能很快上手Revit，完成從二維繪圖到三維繪制的轉換[3]。

2.1.2 可利用參數化族方便倒虹吸模型的構建。Revit參數化族可以極大地減少建模時重復的工作量，用戶建好參數化模型后只改變參數值即可獲得不同位置的構件，降低建立復雜倒虹吸模型的難度。參數化設計和BIM結合，可以在項目建設中提高工程設計、施工方案模擬的工作效率[4]。

2.1.3 軟件可開發性、拓展性較強。Revit的API是不斷地拓展與完善的。開發人員可以用任何.NET支持的編程語言對Revit進行拓展，使之更符合工程實際要求。利用BIM軟件API開發的相關功能模塊包裝為功能插件，可以系統有效地為水利水電工程BIM設計提供便利，具有長遠意義[5]。

2.2 倒虹吸建模流程

為了合理地實現倒虹吸模型的構建，首先需要在項目中繪制不同的標高，以及在不同的標高平面繪制關鍵軸網，創建鎮墩族并載入項目文件，鎮墩之間按照工程實際情況添加壓力鋼管構件，并將承臺、基礎、支座添加到項目中。

其中，鎮墩、壓力鋼管以及承臺外形相對規整，故進行參數化建模。下面簡單介紹鎮墩的參數化建模過程，采用公制常規模型的樣板文件來進行參數化族的創建。第一步，創建參考平面，對底板的長寬、墩頂高度以及鎮墩底長等參數創建約束。第二步，根據鎮墩的寬度進行拉伸放樣。第三步，根據壓力鋼管的外徑在鎮墩上預留孔洞，并進行參數化設置。鎮墩的參數化設置如圖1所示。完成后的倒虹吸模型如圖2所示。

3 BIM信息化平臺及應用

依托滇中引水工程楚雄段施工9標觀音山大型倒虹吸項目，緊密結合大型倒虹吸項目施工信息特點及施工過程管理與控制的科學問題，開展大型倒虹吸項目施工信息模型原理與應用研究，并圍繞該施工信息模型，對倒虹吸項目信息化施工模塊構建、基于BIM系統的關鍵施工技術、共享交互技術展開深入研究，實現現場管理BIM應用的目標。

3.1 復雜地形條件下的高難度鋼管運輸安裝

工程線路穿越村莊、河流、山區較多，施工道路地形復雜，倒虹吸設計最大坡度為23.7°，在運輸和安裝過程中，施工難度大、安全風險高。通過施工進度計劃，結合BIM模型，對施工方案進行預先模擬，評估機械布置、施工方案的合理性與可行性，并對斜坡段壓力鋼管安裝、平直段壓力鋼管安裝、管橋處壓力鋼管安裝、下穿武易高速段安裝四個方案進行優化創新，從而減少質量問題、安全問題，減少返工和整改。圖3為倒虹吸斜坡段壓力鋼管的吊裝模擬。

3.2 大直徑壓力鋼管的“智能化加工”

制作的壓力鋼管內徑4.2 m，共需鋼管7.78萬 t。壓力鋼管廠建設標準高，包括加工車間、防腐涂刷車間、焊材庫、倉庫、成品堆放區等;生產質量要求高，從開始下料到防腐涂刷整套工序復雜，生產加工設備的配置及選型標準高。通過特大壓力鋼管智能化加工模擬的應用，將施工畫面直觀展現，提供工程管理可視化控制和技術分級評價體系，建立基于虛擬現實的高端工程管理模式，實現特大壓力鋼管加工規范化，有效提高工程質量，降低施工風險。圖4為壓力鋼管的加工模擬過程。

特大壓力鋼管加工及安裝施工難度大，精度要求高，對施工人員的技術水平提出了極高的要求。施工前需要對施工人員開展相關培訓工作，傳統的培訓方式無法滿足特大壓力鋼管加工及安裝施工的要求。BIM的觀音山倒虹吸壓力鋼管智能化加工及安裝模擬平臺是一款對壓力鋼管智能化加工及安裝施工進行模擬管理的系統，該系統主要為壓力鋼管智能化加工及安裝施工提供一種交互性操作、模擬體驗環境，以增加學習過程中的互動感。系統能夠讓用戶在大場景中對將要加工及安裝施工的工藝進行動畫展示，并且每一個場景能夠進行360°全方位操作，讓客戶對整個將要施工完成的壓力鋼管加工及安裝場景了然于胸。

本項目采用鋼板自動電子磁吊裝置進行鋼板原材料的吊運，可以根據電流的大小實現自動吸放單張或多張鋼板，另外配備停電保磁控制系統，確保突然停電時的安全。鋼板下料配備5 m及7 m寬數控火焰切割機各1臺，5 m寬數控用于加勁環等環形附件下料，7 m寬數控用于直管段及彎管段鋼管等下料，該設備帶有多個割炬，可以同時切割多個零件。數控料臺可同時放置4張鋼板，實現數控切割機不間斷工作。直管段鋼板坡口加工可采用數控雙邊雙面坡口成型機，通過鋼板電子磁吊裝置將已下料完成的板料吊運至該設備工作臺上，可實現板料自動對中、自動給進，雙邊同時銑削加工，提高了數10倍功效，并得到一次成型固有的平整度和直線度。縱縫焊接采用二氧化碳氣體保護焊打底，然后使用雙絲雙弧埋弧自動焊機，相較于傳統單絲單弧埋弧焊機，生產效率提高1倍。同時，配置焊劑自動回收裝置，降低人員焊劑清理工作量，改善作業環境，更加節能環保。

3.3 長距離多工種施工的“數字化管控”

觀音山倒虹吸工程是目前國內在建的線路最長、施工規模最大的倒虹吸工程，專業分包多，工期緊，施工管理難度大。通過在自卸汽車上安裝的空間定位傳感器來獲取自卸汽車的運行狀態。及時獲取施工進程，對工期延誤、行車超速、裝料卸料異常進行預警，便于規范化、安全化施工。通過對施工進度數據進行可視化處理，直觀快速地了解施工項目進展，進而可以合理安排技術工人、材料、設備的入場時間，避免由于窩工導致利潤的損失。采用三維電子沙盤、鎮墩精準控制點、壓力鋼管精準安裝、運輸車輛調度、管理全景分析等施工數字化管控技術，提高了施工管理智慧化水平，實現了引水工程智慧工地創新技術的落地。

BIM的觀音山倒虹吸現場施工協同服務平臺是一款對現場施工進行數據共享、數據分析、數據應用等協同工作的服務系統，如圖5所示。該系統主要為施工現場數據采用、應用提供一種規范化、流程化、共享化的協同工作方式?；贐IM平臺的資料管理，主要可上傳關鍵技術資料及日常管理文件，供管理人員實時查看。項目管理人員可通過平臺上傳質量問題并關聯模型，推送至相關責任人進行回復，日常檢查安全問題可上傳平臺關聯模型，推送至相關責任人，做好模型與現場安全管理及時有效掛接。

3.4 基于BIM的場地管理

BIM過程常態化應用主要有基于BIM的場地管理，模擬各階段施工現場平面布置動態管理，對材料堆場、運輸路線、工序穿插、各專業工序銜接等進行分析，節約現場用地，對場地不合理位置進行優化。對于施工方案，利用BIM模型進行施工驗證，預先發現施工過程中的不合理因素，確保不影響正常的施工進度，使場地布置更加經濟、合理[6]。

傳統的施工場地管理，通常是利用二維CAD圖紙來進行場地規劃以及創意表達，平面圖紙難以直觀地對施工現場進行表達，通過建筑信息模型可以實現對施工場地布置的虛擬仿真，及時發現施工場地布設中的不合理現象，從而優化施工場地布置。

4 結語

該項目所提供技術可為施工階段提供更多信息，節約成本，提高施工效率。例如，施工進度可視化分析可以減少窩工，節約時間成本。BIM技術與施工質量管理結合可以節約施工質量管控成本，還可以保障施工的順利完成，提高工程質量，能將業主更多的施工資金投入建筑中，而非行政和管理中。

該項目對工程信息化管理面臨的信息傳遞與溝通障礙，結合BIM技術的參數化、協同性特點，提出了基于BIM的倒虹吸施工管控平臺的解決方案，研究了BIM技術在可視化模擬、進度管理、質量管理及資料管理方面的應用，著重對三維精確定位、質量資料管理等方面進行研究，通過分析各個應用點工作原理，最終確定了平臺各個模塊的實現方式和工作流程。

項目建立的倒虹吸施工管控平臺，部分模塊還須進一步深度開發，并在應用中不斷完善。平臺數據與文檔資料管理功能仍須加強，有些無法滿足各類信息格式的導出。在信息的自動提取方面須進一步研究，目前平臺信息采集過程中某些部分仍需要人工導入，如何實現平臺與外來信息的自動、準確對接是后續工作中要考慮的問題。項目下一步將加強BIM+5G智慧工地應用，主要是針對安全施工生產管理、技術質量管理、物資管理和綠色施工管理，實現經濟和社會效益的最大化。

參考文獻：

[1] 何小龍，于金平，申畯.我國BIM技術應用現狀和發展對策研究[C]//中國圖學學會建筑信息模型（BIM）專業委員會.第六屆全國BIM學術會議論文集.北京：中國建筑工業出版社數字出版中心，2020：323-327.

[2] 龐維福，高虎軍，張洪偉，等.BIM在大跨高鐵連續梁-鋼桁組合橋施工中的應用[J].工程管理學報，2020，34（4）：124-128.

[3] 陳文寶，魏志松，張航，等.BIM技術在裝配式橋梁工程中的應用[J].北京交通大學學報，2019，43（4）：65-70.

[4] 馬江橋.參數化設計在軌道交通工程BIM建模中的應用[J].天津建設科技，2021，31（4）：55-58.

[5] 梁建波，李德，董平.基于Revit API的水工參數化模型二次開發[J].水利規劃與設計，2021（10）：106-111.