BIM在混凝土壩工程施工信息管理中的應(yīng)用

王仁超，曹永雷

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

BIM在混凝土壩工程施工信息管理中的應(yīng)用

王仁超，曹永雷

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

針對(duì)工程信息的交換和共享性不足、項(xiàng)目信息管理落后等問題，提出將BIM（Building Information Modeling）技術(shù)應(yīng)用于混凝土壩工程施工信息管理中。通過(guò)建立混凝土壩工程施工信息模型和系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多維信息的有效管理、信息的交流和共享以及資源成本等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，為混凝土壩工程施工信息管理提供了有力支持。最后以某水利工程混凝土壩為例，驗(yàn)證了該技術(shù)的實(shí)用性和優(yōu)越性。

水利工程；建筑信息模型（BIM）；混凝土壩；施工信息管理

1 研究背景

作為工程中重要的一部分，混凝土壩的施工影響著整個(gè)水利水電工程的進(jìn)度和費(fèi)用，因此對(duì)其進(jìn)行有效的管理是十分有必要的［1］。工程施工涉及到眾多的專業(yè)和參與者，各方施工中會(huì)不斷地發(fā)生信息的產(chǎn)生、積累、傳遞和交換［2］。隨著工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)混凝土壩工程項(xiàng)目的管理已經(jīng)產(chǎn)生了如下問題：

（1）人們將信息技術(shù)應(yīng)用于工程領(lǐng)域，以取代傳統(tǒng)的以紙張為基礎(chǔ)的管理方式，希望工程信息可以應(yīng)用于工程整個(gè)生命周期中。但是不同的工程參與者對(duì)信息有著各自不同的要求，這樣就造成了信息定義、格式等不同，給信息的整合造成了一定的障礙。

（2）如今的信息管理方式是基于文件的，但是文件之間缺少聯(lián)系，使項(xiàng)目相關(guān)人員不能綜合地考查項(xiàng)目信息，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的控制。

（3）雖然很多信息生成于計(jì)算機(jī)，但是信息的交流與共享仍然是通過(guò)紙張實(shí)現(xiàn)的，相關(guān)人員并不能直觀、迅速地接受所傳達(dá)的信息。

（4）項(xiàng)目各參與方需要進(jìn)行溝通與數(shù)據(jù)交流，但是缺乏一個(gè)高效方便的平臺(tái)。

基于以上問題，本研究將建筑信息模型（BIM）技術(shù)應(yīng)用于混凝土壩工程施工信息管理中。提出在工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）標(biāo)準(zhǔn)［3］的基礎(chǔ)上構(gòu)建基于BIM的施工信息模型，該模型引入IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息及信息間的關(guān)系進(jìn)行表述，是具有完備性且支持工程全生命周期各階段信息共享和交換的信息模型。同時(shí)在Microsoft Visual Studio 2008系統(tǒng)平臺(tái)下，應(yīng)用C＃語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server 2005，開發(fā)了混凝土壩工程施工信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)分為3個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)管理操作模塊、數(shù)據(jù)可視化模塊以及數(shù)據(jù)分析輸出模塊。3個(gè)功能模塊可以實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)建、轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)信息間關(guān)系的創(chuàng)建，數(shù)據(jù)保存、管理、和維護(hù)，數(shù)據(jù)模型可視化，以及數(shù)據(jù)輸出等功能，有力地支持了多維信息的有效統(tǒng)一管理、信息的交流和共享以及資源成本等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理。

最后以某水利工程中混凝土壩為例，基于IFC標(biāo)準(zhǔn)建立大壩工程施工信息模型，該模型包含大壩結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型信息、進(jìn)度信息、資源信息、成本信息以及各個(gè)信息之間的關(guān)聯(lián)。應(yīng)用開發(fā)的混凝土壩工程施工信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大壩模型漫游可視化，施工階段人力、材料、機(jī)械和成本等信息查詢，大壩施工過(guò)程模擬可視化以及數(shù)據(jù)信息的輸出等功能。為大壩施工中信息的高效管理提供了支持，驗(yàn)證了該技術(shù)的實(shí)用性和優(yōu)越性。

2 混凝土壩工程施工信息模型

建筑信息模型BIM（Building Information Model ing），是由美國(guó)喬治亞技術(shù)學(xué)院（Georgia Tech Col lege）建筑與計(jì)算機(jī)專業(yè)查克·伊斯曼（Chuck East man）博士于1975年前提出的：“建筑信息模型綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構(gòu)件性能，將一個(gè)建筑項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)的所有信息整合到一個(gè)單獨(dú)的建筑模型中，而且還包括施工進(jìn)度、建造過(guò)程、維護(hù)管理等的過(guò)程信息”［4］。作為一種理念，一項(xiàng)技術(shù)，BIM可參與項(xiàng)目全生命周期。并且，國(guó)內(nèi)外對(duì)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工、物業(yè)管理等階段的應(yīng)用已經(jīng)做了很多研究［5－7］。本研究應(yīng)用BIM技術(shù)，通過(guò)引入IFC（industry foundation class）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模型信息進(jìn)行表述、擴(kuò)展和集成，建立了混凝土壩工程施工信息模型。

混凝土壩工程施工信息模型將大壩三維模型與施工進(jìn)度信息相鏈接，并與施工資源以及成本信息集成在一起。該模型具體由3個(gè)模型組成：基本信息模型、4D信息模型以及成本信息模型。其中，大壩基本信息模型是整個(gè)模型的基礎(chǔ)，支持大壩的三維漫游瀏覽與管理功能；4D信息模型提供了大壩施工仿真可視化以及信息實(shí)時(shí)查詢監(jiān)測(cè)等功能；成本信息模型使管理者更高效地管理工程所需資源和成本。

2.1 基本信息模型

作為BIM的基礎(chǔ)，大壩基本信息模型包含了BIM的基本信息，這些信息是施工資源信息模型的核心，包括了以大壩組成產(chǎn)品為基本單元對(duì)象的空間坐標(biāo)、幾何尺寸、各個(gè)組成產(chǎn)品單元之間的空間關(guān)系，以及整個(gè)工程項(xiàng)目類型、名稱、用途、項(xiàng)目建設(shè)單位等基本的工程信息。這些基本信息可以用于項(xiàng)目整個(gè)生命周期。

2.2 4D信息模型

大壩4D信息模型是將基本信息模型同大壩進(jìn)度信息、資源信息等相鏈接，為3D模型賦以時(shí)間維（度）。建立模型后，用戶即可借助于各種可視化設(shè)備對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行虛擬描述，其主要目的是按照已經(jīng)擬定的施工進(jìn)度對(duì)工程施工實(shí)施仿真可視化。通過(guò)虛擬環(huán)境下的仿真，發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中可能存在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，并且針對(duì)問題對(duì)施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行修改，起到優(yōu)化施工進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程施工高效管理的作用。

此外，資源信息同進(jìn)度信息結(jié)合，支持任意時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間段對(duì)資源的查詢功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩所用人力、機(jī)械、材料等資源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 成本信息模型

成本信息模型是在基本信息模型的基礎(chǔ)上增加工程成本類信息，形成具有資源和成本信息的子信息模型。成本類信息主要包括大壩構(gòu)件清單類型、工程定額、各種資源價(jià)格信息、工程量計(jì)算信息等。通過(guò)此模型，系統(tǒng)能識(shí)別并自動(dòng)提取大壩構(gòu)件的清單類型和工程量（如體積、質(zhì)量、面積、長(zhǎng)度等）等信息，自動(dòng)計(jì)算建筑構(gòu)件的資源用量及成本，協(xié)助管理者對(duì)工程的資源和成本進(jìn)行有效地監(jiān)控。

2.4 混凝土壩工程施工信息模型

混凝土壩工程施工資源信息模型大壩基本信息模型、4D信息模型與成本信息模型的集成與擴(kuò)展，包括了大壩工程項(xiàng)目WBS編碼、大壩三維模型信息、進(jìn)度信息、人力信息、資源信息、成本信息等。圖1描述了混凝土壩工程施工信息模型的基本組成以及子模型之間的關(guān)系。其中，大壩基本信息模型為整個(gè)模型的基礎(chǔ)，4D信息模型以及成本模型以基本信息模型為基礎(chǔ)，關(guān)聯(lián)相關(guān)信息構(gòu)建施工信息模型的子模型?；炷翂喂こ淌┕ば畔⒛Ｐ偷臉?gòu)造邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示，該圖描述了大壩三維模型、WBS編碼、進(jìn)度信息、以及成本信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。模型構(gòu)建是通過(guò)引入IFC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模型實(shí)體對(duì)象進(jìn)行定義和描述，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換與共享機(jī)制。通過(guò)建立混凝土壩工程施工信息模型，為系統(tǒng)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 施工信息模型的組成Fig.1 Composition of the construction information model

圖2 大壩工程施工信息模型的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the information model for concrete dam construction

3 混凝土壩工程施工信息管理系統(tǒng)構(gòu)架

基于上述施工信息模型，本文研究開發(fā)了混凝土壩工程施工信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2008為平臺(tái)，應(yīng)用了C＃語(yǔ)言以及數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server 2005。該系統(tǒng)分為4個(gè)模塊：數(shù)據(jù)創(chuàng)建轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)管理操作模塊、數(shù)據(jù)可視化模塊以及數(shù)據(jù)分析輸出模塊。具體可以實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建、導(dǎo)入，模型數(shù)據(jù)保存、管理、和維護(hù)，大壩模型漫游可視化，人力、材料、機(jī)械和成本等信息可視化查詢，大壩工程仿真可視化等功能。同時(shí)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析計(jì)算工程量、資源成本用量等，并且以文檔形式或圖表形式輸出。為大壩施工的高效管理提供了有力依據(jù)，達(dá)到縮短工期、降低成本的目的。該系統(tǒng)的功能框架邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 數(shù)據(jù)管理操作模塊

系統(tǒng)允許用戶直接從其他支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的3D建模系統(tǒng)中導(dǎo)入建筑物的三維模型，還提供了建模工具直接建立三維模型。同時(shí)，系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，以支持多種進(jìn)度管理軟件（如Primavera Project Management 4／5、Microsoft Project MPX、Microsoft Pro ject等）及CSV格式的Excel文件。使用系統(tǒng)提供的向?qū)Ш凸ぞ?，用戶可以直接或做少量修改，通過(guò)WBS建立三維模型同進(jìn)度信息、資源成本信息之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的混凝土壩工程施工信息模型。

此外，還可以對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、管理和維護(hù)。信息模型可保存為文本文件（.ifc格式）或關(guān)系類型數(shù)據(jù)庫(kù)的形式，文件包含模型中的各種信息（幾何、拓?fù)?、幾何?shí)體、人力、成本、資源、材料等），支持實(shí)現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)提供工具允許用戶根據(jù)實(shí)體屬性數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)體對(duì)象、進(jìn)度信息、資源信息等進(jìn)行分類查詢、統(tǒng)計(jì)和修改，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息管理和維護(hù)。

3.2 數(shù)據(jù)可視化模塊

該模塊主要分為3部分：模型漫游可視化、施工過(guò)程模擬可視化和查詢可視化。

（1）模型漫游可視化。為能達(dá)到逼真的顯示效果，系統(tǒng)提供了渲染功能。通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)所提供的材質(zhì)，背景效果，工程真實(shí)的背景環(huán)境，對(duì)模型添加紋理，以及選擇合理光源等，可以創(chuàng)建真實(shí)的照片集的視覺效果，增強(qiáng)三維場(chǎng)景的真實(shí)感。同時(shí)，提供了先進(jìn)的導(dǎo)航工具（漫游、環(huán)視、縮放、平移、動(dòng)態(tài)觀察、飛行等），可以輕松地對(duì)模型進(jìn)行漫游，實(shí)時(shí)地分析集成的項(xiàng)目模型，為三維校審提供最佳的支持。

（2）施工過(guò)程模擬可視化。通過(guò)將大壩三維數(shù)字模型同進(jìn)度信息鏈接，實(shí)現(xiàn)了大壩工程施工過(guò)程模擬可視化。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整體工程施工模擬、任意時(shí)段施工模擬以及任意分部分項(xiàng)工程施工模擬。用戶既可以查看大壩工程施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)演示，從工程不同視角對(duì)施工有總體的把握；也可以選擇任意時(shí)間段或WBS節(jié)點(diǎn)，對(duì)不同時(shí)間段、不同分部分項(xiàng)工程施工情況作更進(jìn)一步的了解。通過(guò)對(duì)工程施工進(jìn)行模擬可發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中可能存在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)問題對(duì)模型和計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整和修改，以達(dá)到優(yōu)化施工計(jì)劃的目的。

（3）查詢可視化。模型的WBS編碼與人力、材料、機(jī)械、成本以及進(jìn)度信息有一一對(duì)應(yīng)性，系統(tǒng)應(yīng)用條件查詢?cè)?，以特定的邏輯表達(dá)式作為查詢條件，找到相應(yīng)的BIM，然后遍歷模型即可得到所需信息。例如輸入一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，可獲取小于該時(shí)間點(diǎn)的信息模型，遍歷模型可以得到人力、材料、機(jī)械、成本等信息，這些信息即為到達(dá)該時(shí)間點(diǎn)已用資源信息，同時(shí)還可以顯示大壩面貌。通過(guò)與實(shí)際的進(jìn)行比較可為工程施工管理提供有力依據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析輸出模塊

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可以將信息通過(guò)2種方式進(jìn)行輸出。一種以文檔形式將決策者所關(guān)心的由仿真計(jì)算所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、工程量信息、成本信息、資源機(jī)械等信息以電子表格的形式輸出，決策者可以由此獲取相應(yīng)的數(shù)值信息來(lái)輔以決策活動(dòng)；另一種形式是圖表形式輸出，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算輸出直觀的形象面貌圖、直方圖、曲線圖、列表。該表現(xiàn)形式已將決策者所需信息進(jìn)行歸類，形式十分直觀，便于快捷、準(zhǔn)確地進(jìn)行系統(tǒng)判定與決策。

圖3 混凝土壩工程施工信息管理系統(tǒng)功能框架邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of functions of the information management system for concrete dam construction

4 工程應(yīng)用

現(xiàn)以某工程混凝土壩為例，該壩從左至右依次為：左岸非溢流壩段、左沖沙底孔壩段、河中廠房壩段、導(dǎo)流底孔壩段、雙泄中孔壩段、導(dǎo)流明渠壩段、溢洪道過(guò)渡壩段、岸邊溢流壩段以及過(guò)渡壩段。混凝土重力壩壩頂高程1 139.00 m，全長(zhǎng)838.035 m，最大壩高159 m。壩體基本剖面頂點(diǎn)高程1 139.00 m，上游面壩頂至高程1 045.00 m為垂直坡，高程1 045.00 m以下壩坡為1∶0.3，下游壩坡為1∶0.75。

應(yīng)用本文所提方法，首先建立大壩工程施工信息模型，該模型包含大壩結(jié)構(gòu)、地形、附屬結(jié)構(gòu)等三維數(shù)字模型信息、進(jìn)度信息、資源信息、成本信息以及各個(gè)信息之間的關(guān)聯(lián)。引入IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述模型實(shí)體對(duì)象進(jìn)行定義和描述，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換與共享機(jī)制，構(gòu)建具有完備性且支持工程全生命周期各階段信息共享和交換的大壩施工信息模型。

如圖4所示，表述了混凝土壩工程施工信息管理系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能。圖4（a）顯示了大壩三維模型以及對(duì)模型基本信息查詢的功能，此外還可以對(duì)模型進(jìn)行漫游；圖4（b）為大壩施工動(dòng)態(tài)模擬可視化圖，該圖顯示了大壩施工到某時(shí)刻時(shí)面貌圖；圖4（c）顯示了人力、材料、機(jī)械等資源信息以及成本查詢以及壩體面貌圖，支持大壩施工時(shí)對(duì)資源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理；圖4（d）顯示了工程量柱狀圖輸出，圖中為某年大壩每月工程所用混凝土量柱狀圖。表1為大壩澆筑塊模型基本信息，包含了工程塊編號(hào)、實(shí)體句柄、澆筑開始結(jié)束時(shí)間、體積、所用機(jī)械等信息。

圖4 混凝土壩工程施工信息管理系統(tǒng)功能展示圖Fig.4 Display of the functions of information management system for concrete dam construction

表1 大壩筑塊基本信息Table 1 Basic information of dam building blocks

5 結(jié) 語(yǔ)

提出了將BIM技術(shù)應(yīng)用于混凝土壩工程施工信息管理中。在IFC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建基于BIM的施工信息模型，對(duì)施工中所涉及信息進(jìn)行有效的、統(tǒng)一的管理。開發(fā)混凝土壩工程施工信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大壩模型漫游可視化，施工階段人力、材料、機(jī)械和成本等信息查詢，大壩施工過(guò)程模擬可視化以及數(shù)據(jù)信息的輸出等功能。為混凝土壩工程施工所涉及的多維信息的有效管理、信息的交流和共享以及資源成本等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理提供了有力支持，提高了混凝土壩工程施工中信息管理的水平。

［1］ 袁光裕，胡志根.水利工程施工［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.（YUAN Guang yu，HU Zhi gen.Hydraulic Engineering Construction［M］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［2］ WU I C，HSIEH S H.A Framework for Facilitating Multi dimensional Information Integration，Management and Visualization in Engineering Projects［J］.Automation in Construction，2012，23：71－86.

［3］ LIEBICH T，WIX J.IFC Technical Guide［M］.New York：International Alliance of Interoperability（IAI），2003.

［4］ EASTMAN C，TEICHOLZ P，SACKS P，et al.BIM Handbook：A Guide to Building Information Modeling for Owners，Managers，Designers，Engineers and Contractors［M］.New York：John Wiley＆Sons Inc，2011.

［5］ SANGUINETTIP，ABDELMOHSEN S，LEE JM，et al.General System Architecture for BIM：An Integrated Ap proach for Design and Analysis［J］.Advanced Engineer ing Informatics，2012，26（2）：317－333.

［6］ 張建平，郭 杰，王盛衛(wèi)，等.基于IFC標(biāo)準(zhǔn)和建筑設(shè)備集成的智能物業(yè)管理系統(tǒng)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，48（6）：940－942.（ZHANG Jian ping，GUO Jie，WANG Sheng wei，et al.Intelligent Facilities Management System Based on IFC Standard and Building Equipment Integration［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2008，48（6）：940－942.（in Chinese））

［7］ BECERIK GERBER B，JAZIZADEH F，LI N，et al.Application Areas and Data Requirements for BIM Ena bled Facilities Management［J］.Journal of Construction Engineering and Management，2012，137（3）：431－442.

（編輯：王 慰）

App lication of BIM to Construction Information M anagement for Concrete Dam

WANG Ren chao，CAO Yong lei
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Aiming at the inadequate information exchange and sharing and the backward projectmanagement，we

proposed to apply BIM（Building Information Modeling）technology to concrete dam constructionmanagement.We built an information model for concrete dam construction and developed a system which had functions ofmulti di mensional information integration，information exchange and sharing，and real time monitoring of engineering re source and cost.The research provides support for themanagement of concrete dam construction information.An example of a concrete dam is given to verify the practicability and advantage of this technology.

hydraulic engineering；BIM；concrete dam；construction management

TV512

A

1001－5485（2013）12－0118－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.12.022 2013，30（12）：118－121，125

2012－10－09；

2012－11－20

王仁超（1963－）男，山東龍口人，教授，博士，主要從事大型工程系統(tǒng)分析、項(xiàng)目管理及計(jì)算機(jī)仿真研究，（電話）022－27890037（電子信箱）renchao1881＠vip.sina.com。