基于BIM的船閘工程研究與應用

周欽，陳虹宇，劉永勝

（1.湖南省水運投資集團有限公司，湖南 長沙410004；2.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙410200）

水運運輸是經濟發展和往來友好的一種運輸方式，具有運量大、能耗低和污染小等優點，也是遠距離大宗貨物的主要運輸手段，符合我國經濟的可持續發展。船閘工程是水運建設的重要建筑物，是一個集項目決策、設計、施工、運營等的系統工程，目前國內大部分船閘工程項目仍沿用傳統的設計方式和管理理念，存在滯后性、溝通傳遞效率低、數據統計效率和利用率不高、信息管理不規范等問題。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是隨著計算機發展而衍生的一種全新理念和技術，越來越受到國內外學者和業界的普遍關注，也是未來工程建設項目信息化發展的趨勢。在船閘工程的設計、施工、信息化管理中創新BIM 技術的應用研究，對優化施工組織提升施工效率、控制建設成本、提高決策效率和設計質量具有重要意義。

1 BIM 信息集成與協同

在土木工程領域中，項目建設過程由諸多利益方共同參與，并通過相互配合，合理組織追求各自利益最大化并完成建設目標，整個過程體現協同思想。但由于土木工程項目一般都具有復雜性、一次性、建設周期長等特點，各參與方的協同工作在實際中并沒有落到實處，亟需技術與管理上的創新將“協同”貫徹項目全壽命周期。船閘工程項目持續時間長，建設過程中產生大量的信息。為有效解決傳統信息交流方式落后、效率低、信息失真、不能有效共享等弊端，BIM 技術則可以將船閘工程項目信息及各種數據進行收集、匯總和存儲，克服目前土木工程建設行業信息管理中存在的問題。基于BIM 理念的搭建的協同工作框架如圖1所示。

圖1 基于BIM 理念的協同工作信息傳遞圖

基于圖1BIM 理念下協同工作信息傳遞圖，結合船閘工程建設全壽命周期各階段工作及BIM 模型功能，構建圖2所示BIM 協同工作框架。

圖2 BIM 協同工作框架

2 基于BIM 的船閘工程管理系統設計及其優勢

船閘工程管理系統可以對項目進行綜合的全過程管理，且可以保存行業主管單位在工程建設中的所有相關數據，使行業主管單位、建設單位實時了解工程造價的綜合信息，實現參加“四方”（行業主管單位、建設單位、監理單位、施工單位）業務的網絡化及規范化管理，可以大大提高業務交流效率，減少審批時間，對工程造價進行實時監控，使項目管理水平更高效且透明。

該系統主要業務模塊包含合同管理、投資控制、工程變更、質量管理、計劃與進度、安全管理、綜合查詢、現場管理、系統管理等模塊，系統界面如圖3所示。

圖3 基于BIM 的綜合協同管理平臺

基于BIM 的綜合協同管理平臺，能大大提高項目管理效率，實現“三控兩管”，相比傳統的管理模式和設計方式，基于BIM 的綜合協同管理平臺與設計方式優勢明顯，管理模式上信息傳遞方式優，信息以三維形式進行傳遞；數字信息集成到BIM 協同管理平臺，構成信息化現場，信息傳遞效率高、信息傳遞準確、信息實時共享。設計方式上三維設計模式，面向對象設計，設計結果可視化；各設計專業可協同設計，可進行復雜的工程計算；在協同設計模式下，設計質量與效率高。

2.1 基于BIM 的船閘工程協同管理云平臺構建

基于BIM 技術的船閘項目協同平臺綜合管理信息可分為宏觀信息與微觀信息。以船閘工程造價管理為例，宏觀信息是指對工程造價的管理活動特征進行全局描述。微觀信息是指對工程造價的管理活動情況和特征進行微觀描述。兩類工程造價信息表現的特征明顯不同：前者綜合管理面更大，信息綜合性和概括性更強；而后者信息量更大，時效性更強。整個系統網絡建設是通過Internet 將行業主管單位、項目公司、監理單位、承包單位網絡連為一體，實現互聯互通和雙向數據交換。

2.2 船閘工程的優化設計

船閘主體結構是船閘工程設計的基礎，同時是船閘工程設計的重點和難點，主體結構設計的好壞對航行安全起到至關重要的作用，金屬結構也至關重要，是船閘通航效率、安全、質量及能源效益的基礎保障，運用BIM 技術對大源渡二線船閘上閘首、下閘首、閘室、導航墻等主體結構進行設計優化，將消防泵房的布置位置從船閘控制房地下室優化調整至上游中洲側進水墻，同時對進水墻的魚道的位置進行設計優化，上游輔導航墻墻底高程抬高至與主導航墻側進水墻及上閘首一致。運用BIM 模型對大源渡二線船閘人字門和啟閉設備進行了統一優化設計。通過采用BIM 技術明顯提升了船閘結構的設計深度和設計質量。基于BIM 技術的船閘主體結構如圖4。

圖4 上閘首和人字門總體結構

2.3 船閘輸水廊道布置優化

輸水廊道是船閘工程的重要組成部分，輸水廊道的設計對于船閘主體結構、通航功能實現以及工程外在質量有著十分重要的意義，通過精細化設計合理、規范、有效的布置將有助于全面提升船閘工程的整體施工建設水平。

大源渡二線船閘輸水廊道的結構屬于異形結構，曲面多且不規則，為了各施工環節交流通暢、理解一致和保障工程質量，僅依靠二維CAD 圖紙很難實現。而基于BIM 技術，可以對船閘水廊道進行三維實體建模，且直接標注尺寸，讓各施工環節人員直觀地看到水廊道的形成、尺寸和鏈接關系等，大大提高了交流溝通效率和減小了理解偏差，實現了船閘輸水廊道復雜多曲面異形空間設計，如圖5。

圖5 輸水廊道整體結構

3 基于BIM 的船閘工程4D 施工模擬

基于三維建筑信息模型BIM，增加時間（進度）維度，就行形成BIM 4D 模型的信息化技術。BIM 4D 施工模型首先是在綜合考慮施工總體目標、資源條件限制及WBS 任務分解的基礎上，利用BIM 3D 施工模型成果，將BIM 技術融入工程項目的工作時間估算、施工資源配置等過程，編制施工進度計劃。通過BIM 3D 施工模型與進度計劃對應關聯，實現工程施工過程的4D 可視化表達。

3.1 BIM 3D +Project 的4D 建模

依據大源渡二線船閘工程項目施工組織方案、施工合同、施工進度目標、工作分解結構以及勞動力、機械設備、材料的供應狀況等有關技術經濟資料，確定工作各階段的時間節點、先后次序、邏輯關系以及持續時間，編制施工進度計劃，流程。在三維信息模型和進度計劃完成的基礎上，運用BIM 4D 相關軟件，將模型中的建筑構件與施工進度計劃的任務一一匹配及關聯，實現BIM 4D 施工模型的創建。BIM 3D 施工模型與進度任務鏈接的基本步驟如圖6。

圖6 BIM 4D 施工模型構建流程

3.2 進度數據創建

在完成BIM 4D 施工模型后，需要根據項目進度計劃安排，采用項目進度管理軟件Project 創建進度數據。依次完成項目信息搜集、確立任務細節、定義項目情況、制定作業進度計劃、繪制項目進度計劃提綱、項目整體的預判、最后添加資源提高項目進度的精準性和有效性。

3.3 4D 進度模擬

4D 施工計劃模擬的步驟重點包含四點：1.以月、周、天為模擬時間，可以選擇正序模擬或逆序模擬，根據不同的時間間隔，可以直觀地模擬出整體的施工計劃；2.展示施工進度同時，在軟件上可以隨時對施工時間、日工作量完成情況進行檢查；3.每當施工時間和狀態調整后，系統會自動更新進度數據庫，并對Project 進度計劃進行相應調整；4.可以通過添加動畫、設置任務類型和播放時間來達到更好地反映構件的出現效果。以大源渡二線船閘工程為例，對人字門門葉吊裝模擬如圖7。

圖7 人字門門葉吊裝模擬

4 結論

（1）基于自主研發的數據結構和數據元工程屬性，建立了船閘BIM 綜合管理云平臺，開展了BIM 技術與船閘工程項目綜合協同管理應用，實現了船閘建設的“三控兩管”。

（2）于BIM 技術建立的船閘3D 模型，提高了不同專業間設計的協同性，減少各個部位之間的碰撞，實現船閘工程BIM 可視化協同設計，并優化了依托工程的設計。

（3）BIM 模型的基礎上，加入施工進度的維度，形成4D 模型，用于指導工程施工，提高項目進度的精準性和有效性。