升船機全生命周期BIM應用研究

孫少楠 劉肖杰 肖佳華 張志恒 何鵬波

摘要：目前對于通航建筑物的BIM技術應用通常局限于設計或者施工等單個階段，缺乏對其全生命周期的BIM應用。以某升船機工程為例，將BIM技術引入其設計、施工、運維的各個階段。在設計階段，基于Bentley平臺對升船機進行了三維模型搭建，在此基礎上應用ANSYS對其進行了有限元數值仿真，應用Lumion對其進行了可視化虛擬仿真；在施工階段，利用Microsoft Project和Synchro Pro進行了施工進度管理和施工仿真模擬；在運維階段，借助IDEA編輯器、VSCODE軟件和MySQL等軟件進行代碼編寫，構建了基于BIM技術的智慧運維管理平臺。實踐表明：在升船機全生命周期中運用BIM技術，提高了設計的準確性和協同性，加強了施工的協調性，運維管理平臺的搭建實現了BIM模型展示、升船機水位和狀態監測等功能，為升船機運維管理提供了決策支持。研究成果可為BIM技術在類似水利工程設計、施工、運維等全生命周期的應用提供參考。

關鍵詞：升船機； 全生命周期； BIM； 模擬仿真； Bentley

中圖法分類號： U642

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.025

0引 言

BIM（Building Information Modeling）技術作為工程領域重要的信息化手段，為各參與方提供了全新的數字化管理手段［1］，能以數字化方式實現全生命周期下工程信息流的有效集成和管理［2-3］。目前BIM技術已在建筑［4］、交通［5］、水利［6］等領域得到了快速發展。通航建筑物是解決修建水壩和航運矛盾的主要設施，根據其型式可分為船閘和升船機［7］，升船機又可分為垂直升船機和斜面升船機兩大類［8］。中國升船機建設起步稍晚［9］，但相比于船閘，升船機具有克服水壩落差大、船舶運行通過速度快等特點［10］。近年來，不少學者對通航建筑物的BIM應用進行了研究，如羅吉忠［11］將Dynamo可視化編程平臺引入船閘工程設計建模中，提高了建模效率，為BIM技術在船閘工程設計中的應用提供了思路；顏紅亮等［12］融合BIM技術、參數化技術和數據庫技術，實現了船閘工程金屬結構模塊設計；陳述等［13］在某船閘主體工程中驗證了一種將有限元結構計算軟件ANSYS與Revit耦合的方法，結果證明該方法在結構計算中運用是可行的；張耀坤［14］研究了船閘工程施工監理的管理控制作用和BIM技術在其中的應用路徑，證明了BIM技術可較好地用于管理控制。從上述研究成果中可以看出，BIM技術在船閘領域中的應用較多，但針對升船機的BIM應用研究較少。此外，BIM應用的范圍常局限于設計、施工等單個階段，缺乏針對通航建筑物全生命周期的BIM應用模式。因此本文嘗試將BIM技術應用于某垂直升船機工程中，探索包括設計、施工、運維等階段的全生命周期BIM應用，以期對類似工程提供借鑒。

1垂直升船機全生命周期BIM應用框架

垂直升船機全生命周期管理的核心任務是充分發揮BIM優勢，以數字格式映射工程動態數據，將項目各個階段的模型和信息數據集成、交互和共享，為信息協同提供技術支撐，允許不同階段、不同單位以多種方式使用BIM模型，最大限度地從BIM應用中獲益。一個共同的基礎環境有利于實現資源共享和協同合作，而BIM就為協同工作提供了統一的管理平臺，大大提高了信息的實用性和共享能力，實現了全生命周期不同階段信息的共享和協同管理，克服了建設項目過程中信息斷層、資源難以統一管理等問題。

升船機全生命周期BIM應用框架如圖1所示，在設計階段，BIM技術可以用于升船機模型的搭建和設計優化等工作；在施工階段，BIM技術的應用主要包括施工過程的進度模擬和優化等工作；在運維階段，通過BIM模型搭建運維管理平臺，運營團隊可以對升船機設備進行運行監測，以保證升船機設備的正常運行。

2設計階段BIM應用

在升船機工程設計工作中，應用三維設計軟件完成工程圖的繪制僅僅是設計工作的一部分，要想充分發揮三維設計的強大優勢，在設計中就需要結合BIM模型開展三維數值化仿真分析和可視化虛擬仿真分析，將仿真分析結果反饋到三維信息模型中進行進一步的深化設計。因此基于BIM的升船機設計主要包括三維設計和仿真模擬兩個階段，具體流程如圖2所示。

2.1三維協同設計

對于升船機設計來說，從需求出發并結合工程實際，利用BIM技術可為升船機建設方提供三維可視化信息模型，在升船機初步設計階段可根據三維BIM模型進行方案比選、設計優化，BIM技術貫穿于升船機設計的各個環節。利用BIM技術進行升船機設計的優勢是其具有強大的協同能力和參數化設計能力，各個專業設計模塊產生的設計數據都可以在BIM協同設計管理平臺里進行整合，實現了專業模型之間的協同設計。升船機土建模型主要通過OpenBuildings Designer（OBD）完成繪制，采取分模塊模型搭建，然后統一分裝的方式。如圖3所示，升船機塔樓段各個專業模型搭建完成之后，可在軟件內部進行各個專業模型之間的虛擬裝配、錯漏碰撞自查和邏輯校驗，提高了產品的設計質量，減少了設計時間成本。OBD軟件參數化工具主要集中在約束工具欄中，可以用參數來驅動模型，可通過修改參數來改變對象的形體，其中fx變量命令用來定義變量，通過元素、距離、角度等命令來為對象定義變量，通過二維約束和三維約束來確定對象的相對位置關系。參數化模型搭建完成之后，可將模型的參數化變量鏈接到數據集工具自定義編輯器中，做成參數化的自定義對象，之后只需要修改自定義參數即可繪制類似的模型。升船機整體設計成果如圖4所示。

2.2數值模擬分析

伴隨著主流計算機的計算速度和計算能力的飛速發展，應用CAE技術進行升船機設計工作已是一種現實可行的工程設計手段［15］。BIM模型可為CFD數值仿真提供相關的物理參數，而CFD負責通過特定的數值計算來探索假設場景［16］，基于BIM+CFD數值模擬進行升船機設計工作，有助于實現升船機數字化設計，大大縮短設計周期，保證了設計質量。

升船機屬于高聳結構，內部中空，結構復雜［17］，對風荷載較為敏感，風作用在升船機建筑表面會產生壓力，進而可能會導致建筑物產生振動動力響應，因此風荷載是考慮結構安全性的重要因素之一［18］，在升船機建設前必須進行抗風設計，數值模擬技術正逐漸成為升船機建筑結構風場分析的一種重要手段［19］。借助ANSYS進行升船機結構抗風性能特性分析，目前BIM與ANSYS數值模擬平臺進行數據傳輸的方式主要有通過內部接口、通過外部編程或插件、通過導出中間格式文件3種方式［20］。主要采用導出中間格式文件方式，在Bentley軟件中將升船機模型以stp格式文件導出，然后再用前處理軟件ANSYS-SpaceClaim讀取并打開，便完成了BIM與數值模擬的數據傳輸工作，具體實現流程如圖5所示。數據傳輸完成之后開始進行后續模擬工作，包括有限元計算模型的搭建、網格劃分、參數設置、模型計算等，數值模擬結果如圖6～7所示。

從圖6中可以看出：升船機迎風面高壓區域主要集中在中間部位，兩側及升船機頂部壓力相對較小，壓力分布呈現出從中間向側邊逐漸減小的趨勢，這是因為在升船機側邊流體產生了繞流現象（圖7），導致風壓有所減少，背風面出現負壓現象。對于升船機來說，通過數值模擬還可以進行升船機抗震分析、應力應變分析等有限元數值化分析，計算分析完成之后，設計人員可根據計算結果對升船機模型進行進一步的深化設計。

2.3可視化虛擬仿真

升船機修建的目的是要滿足通航的需求，方便船只快速過壩，因此提前構建三維虛擬場景，對船只過壩過程進行虛擬仿真非常有必要。本次設計中對升船機進行船只過壩虛擬仿真的工具是荷蘭Act-3D公司的Lumion軟件，三維模型導出與Lumion相匹配的obj格式，并將其打開即可進行升船機虛擬場景構建和船只過壩虛擬仿真模擬，由于模型龐大以及軟件和硬件限制，對模型進行了一定比例的縮小，在滿足軟件和硬件要求的同時也保證了渲染效果。模型導入之后需要進行場景細節處理，Lumion里包含了大量的元素族庫，能夠滿足用戶的基本需求，通過材質賦予、配景添加等可進一步提高虛擬場景的真實性，升船機虛擬場景與真實場景對比如圖8所示。Lumion也可用于船舶翻壩的虛擬仿真，升船機場景完成搭建之后，針對承船廂和船舶設定特定路線和時間可以模擬出船舶搭乘升船機完成翻壩過程，通過漫游渲染可制作出船只模擬翻壩視頻，船舶搭乘升船機虛擬仿真場景與真實場景如圖9所示。設計人員可通過模擬升船機的運行過程來觀察和評估不同設計方案的性能和效果。

3施工階段BIM應用

3.1施工進度管理

升船機的施工過程較為復雜，涉及到多個方面的施工干擾，因此提前編制其進度計劃尤為重要。工程項目建設的實施過程是不斷動態變化的，因此其進度控制應該也是動態進行的［21］，基于BIM技術的進度管理是通過三維信息模型為進度管理提供數據支撐，合理進行施工順序的安排，輔助解決進度規劃管理中編制困難、整合困難等問題，為后期進行進度跟蹤分析、進度偏差分析、進度糾偏和調整分析提供參考，有利于對項目進度進行合理管控。具體施工進度控制流程如圖10所示，在開工前進行項目工程的進度模擬和優化，可以提前發現問題、解決問題，直至獲取最佳方案，從而對施工起到指導作用。通過Microsoft Project進行進度計劃的編制，進度計劃編制之前要將整個工程按照不同等級分解，再根據分解圖進行進度計劃的編制。如圖11所示，軟件可識別層級關系進行任務安排，然后判斷并輸入預估工期，按照預估工期逐一分層計劃，細化至季、月、旬、周的進度，設置完成之后形成項目進度計劃（圖12），施工管理人員按照進度計劃進行施工方案的分析和優化，能夠降低返工成本、管理成本和風險，增強管理人員對施工工程的管控能力。

3.2施工模擬

傳統的施工管理反映不出時空的影響［22］，借助4D施工進度模型把仿真模擬進度與項目的實際施工進度進行對比，可以實現對施工進度的精準把握。本文升船機主要依靠Bentley平臺的Synchro Pro軟件進行施工仿真模擬，施工進度計劃編制完成之后，將三維模型和進度計劃同時導入到軟件中，將時間節點數據賦予到三維BIM模型中，BIM模型與進度計劃相關聯形成4D進度模型［23］，建造過程以模擬動畫的方式呈現出來。拖動進度甘特圖可動態查看施工進展情況，圖13所示為混凝土澆筑工藝節點的施工情況。通過施工模擬可以形象直觀地觀察工程的施工進度，各部門之間還可以實時共享項目進程中的信息數據，提高了部門之間的協同工作效率。在施工仿真模擬中各部門也能及時發現可能出現的問題，檢驗進度計劃的編制邏輯關系是否合理，關鍵節點工期是否符合要求，如有問題能提前制定相應的解決或者規避措施。生成的施工模擬視頻可用于施工交底，使施工人員提前了解工程特點、施工方法等，從而更好地展開施工前預防和施工中指導工作，不僅能有效掌控施工進度，而且可以減少工程變更，提高工程整體質量。關聯后的4D進度模型還可用于進度計劃管控中的資源優化，以及在5D成本管理中進行延伸應用。

4基于BIM的運維管理平臺搭建

4.1運維管理平臺搭建

運維階段是升船機全生命周期中最長的階段［24］，狀態監測、保養和維護、數據管理等工作都是升船機運維工作中非常重要的部分，在運維管理階段引入 BIM 技術可以獲得顯著效益［25］。基于BIM技術，結合升船機運維管理需求，本著實用性、安全性、開放性等原則，

借助IDEA編輯器、VSCODE軟件和MySQL等軟件進行代碼編寫，建立了基于BIM技術的智慧運維管理平臺，系統架構如圖14所示，平臺系統整體架構設計自下往上共5層。

（1） 基礎設備層。基礎設備層主要負責數據的采集和傳輸，通過各種設備采集到大量檢測數據和人員操作日志信息，完成數據的采集工作，通過網絡傳輸到數據存儲層。

（2） 數據存儲層。通過基礎設備層采集的數據，對傳來的數據經過計算處理后生成相應的數據模塊，并進行數據模塊配置，實現數據庫對數據的分類存儲。

（3） 業務層。將用戶按照不同的權限分為升船機調度人員、升船機檢測人員兩個子平臺，針對不同用戶開放不一樣的業務功能，升船機調度人員功能模塊主要包括模型展示、維護保養以及數據檢測等功能；升船機檢測人員功能模塊主要包括模型展示、維護保養、運行日志記錄和倉儲管理等功能。

（4） 展示層。提供多種形式頁面數據展示選項，可以實現大屏、網絡端、移動端的查看、分析，提供易用、便捷的交互頁面，提升管理的便捷性。

（5） 前端。針對前端展示層使用JS、CSS、HTML、Vue框架等技術，將前端頁面設計的越簡潔易讀，系統的易用性越高。

4.2運維管理系統功能實現

（1） 可視化展示。

如圖15所示，該平臺數據展示中心模塊可對升船機三維BIM模型進行可視化展示，便于管理者對升船機進行整體把控。

（2） 水位監測。

水位的控制直接影響到升船機的升降平穩性，通過合理控制水位，可以減少升降時間，提高升船機的作業效率。如圖16所示，該平臺實現了升船機水位的動態實時監測，將監測數據信息提取展示到運維管理平臺頁面中，包括船廂水位監測數據、下游及下游水位監測數據、降雨量數據等，可幫助工作人員更好地掌握水位變化情況，有助于降低船廂運行對接安全風險，提高升船機運行效率。

（3） 升船機狀態監測及動態響應。

利用傳感器可對升船機狀態進行實時監測，升船機工作人員可通過傳遞的數據信息確定設備的運行狀態。如圖17所示，當升船機狀態異常時可發出響應提示，并將響應數據報送給工作人員，工作人員點擊查看之后便能讀取警情信息，并根據信息開展應急措施進行維護，維護后的日志數據可在圖18的頁面中進行記錄，方便后續查看。

（4） 物資倉儲。

如圖19所示，物資倉儲模塊主要用于管理和控制升船機運維過程中所需的物資和設備，包括供應商管理、物資管理、入庫管理、出庫管理、設備模型管理5個子模塊，該模塊覆蓋了升船機的所有記錄信息，保證了所需物資的及時供應和合理利用。

5結 論

（1） BIM為升船機設計提供了強有力的技術支持，提高了模型設計的質量和效率。在BIM模型的基礎上，對升船機進行數值模擬分析和可視化仿真模擬，提高了設計質量，優化了設計流程，為類似設計工作提供了可參考的路徑。

（2） 基于BIM技術對升船機進行施工進度計劃編制和施工仿真模擬工作，有利于對項目進度進行合理管控，便于工作人員更好地展開施工前預防和施工中指導等工作，也就有利于減少工程變更。

（3） 基于BIM技術的升船機運維管理平臺搭建為升船機提供了統一管理的媒介，實現了升船機三維模型展示、水位監測以及狀態監測等功能，為升船機運維管理工作提供了參考依據。

本文將BIM技術應用于升船機全生命周期的各個階段，一定程度上改善了升船機各階段協調難、數據亂、管理低效等難題，但是應用深度還有待加強，期望在今后工作中能夠進一步深入探索，為升船機乃至水利工程數字孿生建設和數智化建設提供參考。

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（編輯：胡旭東）