BIM技術(shù)在大中型水閘建設(shè)中的全生命周期應(yīng)用
——以山東省無棣縣黃瓜嶺橡膠壩除險(xiǎn)加固工程為例

郝玉偉，梅震偉，任澤儉（.濱州市城鄉(xiāng)水務(wù)發(fā)展服務(wù)中心，山東 濱州 56600；.山東環(huán)發(fā)工程管理有限公司，山東濟(jì)南 5000）

0 引 言

水利工程是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，水利工程建設(shè)質(zhì)效關(guān)系到國計(jì)民生。目前，水利工程建設(shè)正面臨從人工化、機(jī)械化向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的過程。BIM技術(shù)作為新型建筑項(xiàng)目信息化管理技術(shù)，在工程建設(shè)進(jìn)度、質(zhì)量、安全等方面的應(yīng)用日益廣泛并得到快速發(fā)展，有效提升了工程建設(shè)管理質(zhì)量和效率，是推動建筑業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。目前水利工程建設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段，雖然在河道工程應(yīng)用上尚有一定局限性[2]，但是BIM技術(shù)在城市供排水管網(wǎng)、灌區(qū)現(xiàn)代化改造等工程中的應(yīng)用已凸顯其優(yōu)勢[3-4]。在水利工程特別是大中型建筑物工程中，廣泛推廣BIM技術(shù)，將推動工程從設(shè)計(jì)到建設(shè)管理形成統(tǒng)一協(xié)同、精細(xì)高效的全過程管理，有利于提升水利工程建設(shè)智能化水平，促進(jìn)水利工程建設(shè)轉(zhuǎn)型升級。

1 工程概況

黃瓜嶺橡膠壩除險(xiǎn)加固工程（以下簡稱“橡膠壩工程”）位于山東省無棣縣馬頰河中泓線樁號331＋055處，是山東省重點(diǎn)水利工程，主要建設(shè)內(nèi)容是改建攔河閘。工程等別為Ⅲ等，水閘建筑物級別為2級，攔河閘共9孔，每孔凈寬為12 m，設(shè)計(jì)閘底高程為－3.8 m，正常蓄水位為2.2 m。工程采用平板鋼閘門和雙調(diào)點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，兩岸分別布置橋頭堡，閘室為鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)。建成后將提高當(dāng)?shù)胤篮榉莱蹦芰Γ謸躏L(fēng)暴潮侵襲，保障區(qū)域供水安全，改善交通條件和生態(tài)環(huán)境，有利于保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定。

橡膠壩工程被列入山東省第一批水利智能建造試點(diǎn)項(xiàng)目。在工程建設(shè)中，基于BIM技術(shù)可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特性[5]，進(jìn)行全專業(yè)協(xié)同數(shù)字化設(shè)計(jì)；開發(fā)工程智慧建設(shè)管理平臺，對工程的圖紙模型、投資、進(jìn)度、質(zhì)量、安全、檔案等進(jìn)行管理，對各構(gòu)件進(jìn)行三維模擬控制，細(xì)化工程建設(shè)施工過程，規(guī)范施工過程。

2 BIM技術(shù)在工程建設(shè)中的全生命周期應(yīng)用

2.1 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)

2.1.1 可視化三維建模

采用Revit、Inventor等三維建模軟件對橡膠壩工程進(jìn)行多專業(yè)三維信息模型建模，模型包括地層、水工結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)及電氣系統(tǒng)，利用模型可查看任意專業(yè)、部位、構(gòu)件的所有角度。模型設(shè)置了不同的顯示階段，可以查看施工前、施工期、完建期不同階段模型的情況。在此基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行外觀渲染，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geograjhic Information System，GIS）的地理信息和漫游設(shè)計(jì)，制作出項(xiàng)目演示視頻。通過視頻可直觀了解項(xiàng)目的地理位置、周邊環(huán)境以及工程實(shí)體，視頻也對工程實(shí)體進(jìn)行了拆分演示和講解，生動、形象、真實(shí)，能夠使觀看者快速掌握項(xiàng)目整體情況及設(shè)計(jì)成果。同時(shí)可利用BIM技術(shù)三維信息模型進(jìn)行各專業(yè)正向出圖，圖紙的建立相對快捷，可出具軸測圖、透視圖、任意平面及剖面圖，表達(dá)形式豐富，有助于審圖者快速掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果。

2.1.2 協(xié)同化設(shè)計(jì)

采用先分專業(yè)建模再進(jìn)行鏈接整合的方式進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。協(xié)同設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。首先，統(tǒng)一項(xiàng)目基點(diǎn)、空間單位以及平面定位圖。然后，對水工結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)建立，其間各個(gè)模型可以在關(guān)鍵階段互相交付，通過鏈接整合進(jìn)行校核，金屬結(jié)構(gòu)的單體模型設(shè)計(jì)、地層及原始地形模型建立同步進(jìn)行。當(dāng)水工模型具備初步條件時(shí)交付金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)，當(dāng)建筑模型具備初步條件時(shí)交付電氣專業(yè)，金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)、電氣專業(yè)將收到的模型作為鏈接進(jìn)行本專業(yè)模型的設(shè)計(jì)建立，其間根據(jù)水工模型、建筑模型的調(diào)整隨時(shí)更新鏈接文件。當(dāng)水工和建筑模型輪廓基本確定后鏈接至地形模型，建立臨時(shí)工程模型。最后，將各專業(yè)的模型鏈接整合形成完整的模型文件。各專業(yè)根據(jù)任務(wù)建立各自的模型，同步且有序地開展工作，過程中隨時(shí)更新鏈接進(jìn)行互相校核，對設(shè)計(jì)沖突早發(fā)現(xiàn)早修改，提高了設(shè)計(jì)效率。

圖1 協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖

2.1.3 碰撞檢查及優(yōu)化

本項(xiàng)目采用Navisworks軟件對專業(yè)自身模型與整合后的總體模型進(jìn)行了碰撞檢查，并且對檢查結(jié)果進(jìn)行審閱，對報(bào)告中的碰撞問題進(jìn)行分析處理，根據(jù)檢查結(jié)果修改、完善模型。各專業(yè)先與結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行碰撞檢查，調(diào)整至無碰撞后，各專業(yè)再兩兩組合進(jìn)行碰撞檢查，直到調(diào)整至無碰撞。建筑專業(yè)和水工專業(yè)模型體量較大，設(shè)計(jì)過程中初次碰撞檢查結(jié)果顯示碰撞點(diǎn)數(shù)量均在200處以上，對各專業(yè)整合的模型進(jìn)行初次碰撞檢查結(jié)果顯示有約30處碰撞點(diǎn)，根據(jù)碰撞檢查結(jié)果，逐項(xiàng)對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。最終剩余碰撞點(diǎn)數(shù)量為個(gè)位數(shù)，且均為由于項(xiàng)目精度要求、建模工具功能限制而無法避免的碰撞。

2.2 實(shí)現(xiàn)智慧建設(shè)管理

2.2.1 施工進(jìn)度模擬

施工進(jìn)度模擬依托建立的三維信息模型，運(yùn)用Navisworks Manage 2021軟件對模型進(jìn)行集合分類，使用軟件中TimeLiner功能制作施工演示，并形成演示動畫視頻。施工模擬按照實(shí)際施工順序和進(jìn)度計(jì)劃控制，對各施工部位賦予時(shí)間屬性，進(jìn)行施工演示，形象、直觀地模擬了施工過程，可查看工期中任意時(shí)間點(diǎn)的工程建設(shè)情況。

2.2.2 智慧管理平臺運(yùn)用

基于互聯(lián)網(wǎng)思維，采用大數(shù)據(jù)、BIM等先進(jìn)信息技術(shù)，以自主開發(fā)的智慧施工管理系統(tǒng)為平臺，將BIM模型輕量化后與平臺進(jìn)行掛載聯(lián)動，根據(jù)水閘建筑物結(jié)構(gòu)組成、施工流程、不同的管理需求，進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫和功能模塊的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，對水閘工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與再整合，把傳統(tǒng)冗繁的紙質(zhì)圖紙變成三維立體模型，以三維模型為載體，通過平臺的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)錄入，BIM模型同步、直觀展示工程建設(shè)進(jìn)度。平臺集成了項(xiàng)目管理、報(bào)審管理、合同預(yù)算、現(xiàn)場管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理、技術(shù)管理、物資管理、資源庫管理等10余個(gè)功能模塊，貫穿整個(gè)施工過程，通過信息化手段實(shí)現(xiàn)審批、驗(yàn)收等建設(shè)過程的智慧化管理，集數(shù)字化、信息化為一體，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的信息化、項(xiàng)目管理的流程化、平臺的智能化，初步實(shí)現(xiàn)了對建設(shè)過程的伴隨式管理，提高了工程各參與方協(xié)調(diào)工作的便捷性。同時(shí)，深度結(jié)合工程建設(shè)現(xiàn)場條件及技術(shù)要求，通過攝像頭布設(shè)、人員門禁管理等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與BIM模型的掛接，實(shí)現(xiàn)了入場施工人員安全帽動態(tài)監(jiān)測等功能。

2.2.3 工地智慧規(guī)劃運(yùn)用

三維可視化確定場地布設(shè)，避免非必要施工環(huán)節(jié)，提高了工程施工效率。在施工區(qū)域總體布置環(huán)節(jié)，通過對水利工程建筑物、場地等進(jìn)行精細(xì)化建模，提前發(fā)現(xiàn)沖突，優(yōu)化施工現(xiàn)場布置，減少二次搬運(yùn)，提高用工功效，節(jié)省臨時(shí)施工材料與用工約8萬余元。在施工導(dǎo)流環(huán)節(jié)，基于Civil 3D軟件進(jìn)行水利工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)、模擬，確保導(dǎo)流安全，節(jié)省土方開挖的土方量，減少施工機(jī)械臺班，節(jié)約了人工和管理成本。

基于BIM模型，結(jié)合施工組織計(jì)劃，與模型充分匹配，構(gòu)建與工程施工組織設(shè)計(jì)相一致的4D動態(tài)模擬動畫，進(jìn)一步促進(jìn)工程施工內(nèi)容、工序安排、設(shè)備安裝拆除等施工組織合理化，減少施工過程中的錯(cuò)漏現(xiàn)象和不合理時(shí)間安排，形成更符合施工實(shí)際的流水施工作業(yè)組織。將BIM模型進(jìn)行壓縮和簡化后，與智慧建管平臺進(jìn)行掛載聯(lián)動，提供實(shí)時(shí)的計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度對照分析，以及時(shí)調(diào)整施工安排。橡膠壩工程的831根灌注樁預(yù)計(jì)工期為60 d，通過進(jìn)度模擬，合理有效地安排施工工序，調(diào)整施工隊(duì)伍進(jìn)場順序，優(yōu)化設(shè)備安裝，將灌注樁工期縮短為40 d，取得了極大成效。

2.2.4 智能配筋和工程量輔助計(jì)量

依據(jù)項(xiàng)目劃分的483個(gè)單元工程，對BIM模型構(gòu)件進(jìn)行重新拆分、組合、編碼，實(shí)現(xiàn)了BIM模型構(gòu)件與項(xiàng)目劃分的一一對應(yīng)。針對主要構(gòu)件，基于BIM模型建立三維鋼筋模型，進(jìn)行三維可視化交底，可以杜絕不合理布筋，大幅提升鋼筋設(shè)計(jì)施工效率[6]。部分構(gòu)件三維配筋圖，如圖2所示。采用明細(xì)表的統(tǒng)計(jì)功能輔助工程量計(jì)量，通過BIM模型導(dǎo)出詳細(xì)的材料表，對模型包含的各類實(shí)體構(gòu)件的工程量采用模型工程量對常規(guī)工程計(jì)量進(jìn)行復(fù)核，誤差基本在10%以內(nèi)。相較于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方式更加快捷精確，為實(shí)際施工提供了有效真實(shí)的作業(yè)指導(dǎo)，有效節(jié)約了材料。構(gòu)件的輔助三維設(shè)計(jì)計(jì)量功能，同時(shí)可為工程實(shí)施裝配式建造提供依據(jù)。

圖2 部分構(gòu)件三維配筋圖

2.3 實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行管理

2.3.1 數(shù)據(jù)集成

BIM技術(shù)能夠?qū)⒍鄠€(gè)數(shù)據(jù)源（包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等）整合在一個(gè)模型中。通過集成這些數(shù)據(jù)，運(yùn)行管理人員可以獲得全面的水閘信息，從而更好地進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測和管理。

2.3.2 可視化分析

BIM技術(shù)可以創(chuàng)建高度可視化的水閘模型，包括結(jié)構(gòu)、管道、電氣系統(tǒng)等，從而使運(yùn)行管理人員能夠準(zhǔn)確了解水閘的布局和組成，這有助于提高運(yùn)行管理的效率和準(zhǔn)確性。借助BIM技術(shù)，運(yùn)行管理人員可以進(jìn)行可視分析，包括流量分析、水位分析、水流軌跡分析等。通過可視化的分析結(jié)果，可以更好地了解水閘的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并采取相應(yīng)的措施。

2.3.3 預(yù)測和溝通

BIM技術(shù)可以模擬水閘在不同條件下的運(yùn)行情況，并預(yù)測水位的改變、水流量的調(diào)整等。這有助于運(yùn)行管理人員評估各種操作和調(diào)整的影響，制訂合理的運(yùn)行策略，提高水閘的運(yùn)行效率和安全性[6]。

BIM技術(shù)可以支持多個(gè)相關(guān)方之間的協(xié)作和溝通。不同的運(yùn)行管理人員可以共享和更新水閘模型和數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)協(xié)作和信息共享，提高解決問題的效率。

4 結(jié) 語

以往水閘施工的優(yōu)化布置和施工模擬更多地依靠于技術(shù)人員的空間想象能力和經(jīng)驗(yàn)判斷，影響優(yōu)化結(jié)果的不確定因素較多。采用BIM技術(shù)，依托三維模型對水閘工程進(jìn)行優(yōu)化布置，施工布置的合理性、準(zhǔn)確性和深度均得到有效提高，對后期施工的指導(dǎo)作用明顯增強(qiáng)。基于BIM技術(shù)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、智慧建設(shè)管理、高效運(yùn)行管理等在橡膠壩工程全生命建設(shè)周期取得了較為成功的應(yīng)用，為工程建設(shè)發(fā)揮了顯著的輔助功效。