基于BIM的水利工程施工管理模式及應(yīng)用流程

徐鈺德，王銘巖，楊葉娟

（1．華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2．河南省水工結(jié)構(gòu)安全工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州450046）

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）是采用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建虛擬工程的三維模型，建立與實(shí)際情況相似或一致的信息庫(kù)，其中包含有建筑構(gòu)件的專屬信息、幾何信息以及狀態(tài)信息，同時(shí)非構(gòu)件對(duì)象的狀態(tài)信息（如運(yùn)動(dòng)行為、空間）也包含其中。借助建筑工程的三維模型，可有效地提高建筑工程信息集成化程度，作為工程建設(shè)信息交換與共享的平臺(tái)［1］。BIM技術(shù)的引入，對(duì)于建筑行業(yè)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用，目前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用在初步設(shè)計(jì)階段。劉智敏等［2］將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁的設(shè)計(jì)階段，完成項(xiàng)目在建模、工程量清算、設(shè)計(jì)檢查等階段的可視化展示，設(shè)計(jì)效率顯著提高；冀程［3］將BIM技術(shù)引入到城市軌道交通的規(guī)劃當(dāng)中，用于檢查地鐵站內(nèi)管線碰撞，為軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。將BIM技術(shù)應(yīng)用于施工管理的案例較少，但也有不少學(xué)者做了相關(guān)探索，張建平等［4］將4D技術(shù)與BIM相結(jié)合，立足于我國(guó)施工管理的實(shí)際特點(diǎn)和需求，自主研發(fā)了建模系統(tǒng)和施工管理軟件，形成一套完整的實(shí)施方案，并驗(yàn)證了其適用性；滿慶鵬等［5］將普適計(jì)算與BIM相結(jié)合，探索了在信息空間與物理空間無(wú)縫融合下協(xié)同施工的方法，解決了施工期間信息共享和交互效率低的問(wèn)題；郭紅領(lǐng)等［6］通過(guò)綜合分析傳統(tǒng)工程管理存在的問(wèn)題和BIM在施工管理中的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了基于BIM的施工管理應(yīng)用模式和實(shí)施流程，為施工階段信息的綜合管理提供參考；馬少雄等［7］利用Revit構(gòu)建BIM模型，將其用于圖紙審核以及施工方案的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)材料的精細(xì)化管理，并取得了良好的效益；王廷魁等［8］針對(duì)施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生的安全沖突問(wèn)題，運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)場(chǎng)地布置方案中的潛在空間進(jìn)行量化，構(gòu)建了場(chǎng)地布置的評(píng)估體系，為施工場(chǎng)地的動(dòng)態(tài)布置提供了有益的參考。這些研究對(duì)于建筑工程的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義，但水利工程與建筑工程相比，施工環(huán)境復(fù)雜、設(shè)計(jì)選型獨(dú)特、圖紙繁多、設(shè)計(jì)與施工協(xié)同困難［9］，BIM作為集成建筑信息的三維框架，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水利工程可視化設(shè)計(jì)與查詢的關(guān)聯(lián)修改具有獨(dú)特特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)［10］。本文以水利工程施工管理為研究目標(biāo)，分析BIM技術(shù)在施工管理過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)，提出了適用于水利工程施工管理的應(yīng)用模式并構(gòu)建了管理平臺(tái)，以土石壩工程施工管理為例，設(shè)計(jì)了模擬BIM系統(tǒng)與實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)下具體的實(shí)施流程，以期為水利工程施工階段信息的精細(xì)化綜合管理提供參考。

1 BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

Autodesk、Bentley、Graphisoft和 Dassault四大軟件是當(dāng)前BIM應(yīng)用的主流軟件，用于配合其他軟件來(lái)為項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)、運(yùn)行等服務(wù)［11］。在Autodesk平臺(tái)中，水利工程的應(yīng)用模式見(jiàn)圖1，平臺(tái)劃分為樞紐三維系統(tǒng)、地質(zhì)三維系統(tǒng)、測(cè)繪三維系統(tǒng)、施工三維系統(tǒng)、廠房三維系統(tǒng)等不同系統(tǒng)，其中樞紐三維系統(tǒng)涉及的專業(yè)有水道專業(yè)、壩工專業(yè)、廠房專業(yè)、機(jī)電專業(yè)、金結(jié)專業(yè)，廠房三維系統(tǒng)涉及的專業(yè)有土建建筑專業(yè)、金結(jié)專業(yè)、建筑設(shè)備專業(yè)等。Bentley平臺(tái)將水利工程模型分為三維樞紐系統(tǒng)、三維工廠系統(tǒng)、三維配筋系統(tǒng)等，其中三維工廠系統(tǒng)涉及的專業(yè)有水機(jī)專業(yè)、測(cè)繪專業(yè)、碰撞檢查及校審、金結(jié)專業(yè)等［12］，基于Bentley平臺(tái)的水利工程應(yīng)用模式見(jiàn)圖2。當(dāng)前基于BIM技術(shù)的水利工程應(yīng)用還處于初期階段，應(yīng)用單一且分散，掌握BIM技術(shù)的專業(yè)技術(shù)人員比例較低，全面引入BIM技術(shù)進(jìn)行全生命周期應(yīng)用較為困難，整合BIM技術(shù)人員組成BIM團(tuán)隊(duì)配合工程管理人員可以更好地發(fā)揮BIM在水利工程建設(shè)不同階段的作用。本文設(shè)計(jì)的施工管理模式及流程，由工程管理人員與BIM團(tuán)隊(duì)互相協(xié)作展開(kāi)，從施工準(zhǔn)備到工程竣工，BIM團(tuán)隊(duì)全程參與，在以往施工模式的基礎(chǔ)上建立BIM模型進(jìn)行輔助管理作業(yè)，一方面可以更好地發(fā)揮BIM優(yōu)勢(shì)，另一方面這種模式更符合施工企業(yè)的實(shí)際情況。

2 BIM輔助施工的功能特點(diǎn)

2．1 可視化

圖1 Autodesk平臺(tái)水利工程綜合應(yīng)用模式

圖2 Bentley平臺(tái)水利工程綜合應(yīng)用模式

相對(duì)于傳統(tǒng)建筑行業(yè)的二維設(shè)計(jì)圖紙或者三維模型，可視化4D施工信息模型能更直觀、精確地還原施工過(guò)程，可以及時(shí)地進(jìn)行施工信息查詢以及信息拓展。其依靠建筑實(shí)體數(shù)據(jù)生成仿真度較高的模型，把施工階段的各類信息全涵蓋其中，參與施工的所有人員均可以直觀地了解建筑模型，同時(shí)可以通過(guò)可視化模型進(jìn)行技術(shù)討論、會(huì)議決策以及方案比選，大大提高施工期間的施工管理和信息交流效率。BIM可視化不斷地發(fā)展、完善，不僅可以以報(bào)表或者效果圖的形式生成，項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)期間的溝通、交流以及決策也可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行，為建筑工程管理提供更多便利［13］。

2．2 模擬性

BIM的核心技術(shù)在于其能夠前瞻性地模擬施工材料、設(shè)備、工序、成本以及不安全因素，對(duì)工程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化處理，形成“模擬-優(yōu)化”的循環(huán)過(guò)程，最終獲得最優(yōu)方案。在建筑的設(shè)計(jì)階段，可以進(jìn)行熱量模擬、節(jié)能模擬、緊急疏散等一系列的模擬；在施工階段，BIM可以在三維模型和發(fā)展時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)行4D模擬，從施工組織設(shè)計(jì)角度進(jìn)行基礎(chǔ)施工模擬，為指導(dǎo)施工提供更加科學(xué)合理的方案［14］，也可以在BIM基礎(chǔ)上進(jìn)行5D模擬，達(dá)到有效控制成本的目的；在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，可以將一些緊急情況進(jìn)行模擬處理，對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行有效控制。

2．3 協(xié)調(diào)性

在建設(shè)工程當(dāng)中，參與工程建設(shè)的各個(gè)主體間需要不斷的溝通、配合和協(xié)調(diào)，才能使工程建設(shè)有條不紊地進(jìn)行，而這其中的環(huán)節(jié)比較繁雜，人員結(jié)構(gòu)參差不齊，協(xié)調(diào)工作需要耗費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)在協(xié)調(diào)工作中責(zé)任和利益的劃分對(duì)工程項(xiàng)目的工期和質(zhì)量必定會(huì)造成影響。BIM模型可以在建設(shè)工程開(kāi)工之前協(xié)調(diào)各個(gè)專業(yè)的碰撞問(wèn)題，將這種協(xié)調(diào)信息儲(chǔ)存在BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用這些數(shù)據(jù)有效地解決前期出現(xiàn)的碰撞問(wèn)題，減少協(xié)調(diào)的工作量［15］。

2．4 集成化

BIM模型的建立集合了大量的建筑信息，同時(shí)在工程的進(jìn)行當(dāng)中，又有新的信息不斷地補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，使得模型的信息量更加豐富。在擁有豐富信息的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)施工的進(jìn)度、成本、安全、質(zhì)量、信息的一體化管理，而且這種管理模式更加精細(xì)，可以記錄各個(gè)環(huán)節(jié)的詳細(xì)信息，以便于管理層和工作人員對(duì)施工工程進(jìn)行檢查，對(duì)信息管理提供更加便利的信息支持［16］。

3 基于BIM的水利工程施工應(yīng)用模式

由于水利工程與建筑工程有所不同，其設(shè)計(jì)選型大多比較獨(dú)特，設(shè)計(jì)圖紙繁多，大部分需要專業(yè)人員解析才能描述清楚工程的三維形態(tài)，并且圖紙修改過(guò)程復(fù)雜，協(xié)同過(guò)程復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員協(xié)同困難，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)，因此某些適用于建筑工程的模式或思路并不完全適合水利工程。本文針對(duì)水利工程施工過(guò)程中工序復(fù)雜、協(xié)調(diào)難度大的問(wèn)題，引入專業(yè)BIM團(tuán)隊(duì)，整個(gè)施工過(guò)程由BIM團(tuán)隊(duì)與工程管理人員協(xié)作展開(kāi)，通過(guò)建立BIM模型并利用該模型優(yōu)化管理和輔助作業(yè)，對(duì)施工前、施工中以及竣工階段水利工程的分工流程進(jìn)行規(guī)劃，使BIM更加系統(tǒng)有效地應(yīng)用在施工過(guò)程中，同時(shí)施工企業(yè)通過(guò)這種協(xié)作模式的實(shí)踐，提高BIM的應(yīng)用水平，對(duì)類似的水利施工模式具有較好的推動(dòng)作用。本文所構(gòu)建的水利工程施工應(yīng)用模式見(jiàn)圖3，將施工過(guò)程中工程管理人員與BIM團(tuán)隊(duì)的工作縝密銜接，從編制項(xiàng)目管理計(jì)劃到竣工決算明確分工職責(zé)，優(yōu)化施工過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，用“模擬-反饋-實(shí)施”的模式實(shí)現(xiàn)成本、質(zhì)量、進(jìn)度等的有效控制。

圖3 基于BIM的水利工程施工應(yīng)用模式

4 基于BIM的水利工程施工管理平臺(tái)構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)施工階段各參與方、各個(gè)施工階段的信息溝通與共享，構(gòu)建基于BIM的水利工程施工管理平臺(tái)，見(jiàn)圖4。平臺(tái)分為模擬BIM系統(tǒng)和實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，按照處理信息的層次分為信息層、處理層和應(yīng)用層。

4．1 模擬BIM系統(tǒng)

4．1．1 數(shù)據(jù)層

模擬BIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包含交付模型、施工進(jìn)度計(jì)劃、施工平面圖和成本信息，數(shù)據(jù)層則是將這些不同階段的 BIM模型文件轉(zhuǎn)化為 IFC（Industry Foundation Classes）標(biāo)準(zhǔn)格式信息，將項(xiàng)目管理軟件形成的工程進(jìn)度信息輸入系統(tǒng)。

4．1．2 處理層

將模型構(gòu)件進(jìn)行WBS（WorkBreak-down Structure）編碼，使之與進(jìn)度信息生成4D施工模型，依照平面布置圖對(duì)模型進(jìn)行場(chǎng)地布置，同時(shí)輸入施工機(jī)械和臨時(shí)設(shè)施的信息，將模型與企業(yè)定額信息以及工程量清單并聯(lián)生成5D施工模型，通過(guò)模擬技術(shù)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分析空間沖突、資源沖突、施工工序等問(wèn)題，從而得到模擬BIM施工模型。

4．1．3 應(yīng)用層

BIM團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的模型為施工管理提供幫助，從資源、成本、進(jìn)度、安全等方面進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)工程效率的最大化。

圖4 基于BIM的水利工程施工管理平臺(tái)

4．2 實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)

4．2．1 數(shù)據(jù)層

實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)主要依靠激光掃描和照相測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)激光掃描采集三維信息，依靠照相測(cè)量技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拍照，獲得建筑構(gòu)件的形狀、位置等幾何信息以及材料類型等非幾何信息。

4．2．2 處理層

把激光掃描數(shù)據(jù)和照相測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使之與4D BIM模型模擬情況進(jìn)行對(duì)比，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別匹配，用模擬模型中的構(gòu)件生成實(shí)時(shí)的BIM施工模型。

4．2．3 應(yīng)用層

對(duì)比模擬模型與實(shí)時(shí)模型的信息，可以有效地對(duì)施工過(guò)程中的進(jìn)度、資源、成本等進(jìn)行監(jiān)控和安全管理，實(shí)時(shí)BIM模型中包含了施工過(guò)程中全方位各維度的信息，這些信息為管理人員以及參與工程建設(shè)的其他人員進(jìn)行信息調(diào)用或者協(xié)調(diào)溝通提供便捷服務(wù)，當(dāng)工程竣工后，可以將實(shí)時(shí)模型處理后生成竣工模型，為后期工程的運(yùn)行維修提供幫助。

5 BIM技術(shù)在水利工程施工階段應(yīng)用流程

水利工程施工技術(shù)復(fù)雜，對(duì)施工人員提出較高的要求，并且工程質(zhì)量難以保證。一方面采用BIM技術(shù)對(duì)工程中重要節(jié)點(diǎn)放樣，可以更加有效地指導(dǎo)工人科學(xué)施工，在工程質(zhì)量有保證的情況下，縮短工期，減少返工，為施工交底提供豐富的資料支持，對(duì)后期的運(yùn)營(yíng)管理亦有所幫助。另一方面，運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)相關(guān)建筑物和水利工程地形建模，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制，優(yōu)化施工總布置，水工建筑物可以更直觀地可視化查詢。與此同時(shí)，可以精確地計(jì)算挖、填土方量，對(duì)于水利工程的造價(jià)（成本）具有較好的控制。本文整合水利工程管理的特點(diǎn)，以土石壩施工階段的流程設(shè)計(jì)為例，制定了土石壩模擬BIM系統(tǒng)下實(shí)施流程與實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)下實(shí)施流程。

5．1 模擬BIM系統(tǒng)下實(shí)施流程

模擬BIM系統(tǒng)主要是將BIM技術(shù)應(yīng)用于施工準(zhǔn)備階段的模型構(gòu)建、進(jìn)度計(jì)劃的可視化和優(yōu)化，同時(shí)以此作為項(xiàng)目管理的主要依據(jù)?？紤]到設(shè)計(jì)階段土石壩的施工需求，在所構(gòu)建的模擬BIM系統(tǒng)實(shí)施流程中包含有項(xiàng)目的設(shè)備材料等信息，因而將土石壩的設(shè)計(jì)模型直接處理得到施工模型。本文建立的土石壩施工模擬BIM系統(tǒng)實(shí)施流程見(jiàn)圖5。

5．1．1 創(chuàng)建 4D BIM 模型

對(duì)設(shè)計(jì)的土石壩BIM模型進(jìn)行WBS分解，將各建筑構(gòu)件分解并進(jìn)行WBS編碼，還可以添加設(shè)計(jì)模型缺失的技術(shù)信息和施工經(jīng)濟(jì)信息，保證整個(gè)模型的完整性。梳理施工進(jìn)度計(jì)劃，將起止時(shí)間、施工順序等信息提取出來(lái)，構(gòu)建4D BIM模型。

5．1．2 施工過(guò)程模擬

將上述的施工模型進(jìn)行施工過(guò)程模擬，在模擬過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，則交付給設(shè)計(jì)單位進(jìn)行修改調(diào)整；若出現(xiàn)施工工序不合理、使用施工設(shè)備沖突、空間沖突等問(wèn)題，則交由工程技術(shù)部門修改，修改后的模型或方案由監(jiān)理和業(yè)主審批通過(guò)后，再進(jìn)行施工過(guò)程模擬檢測(cè)，直到模擬結(jié)果符合施工要求。

5．1．3 施工安全管理

模擬BIM施工模型可用于施工難點(diǎn)的可視化演示，將施工過(guò)程中技術(shù)操作要求高、過(guò)程復(fù)雜的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示，以安全培訓(xùn)的方式加深工人對(duì)施工技術(shù)的理解，同時(shí)利用模型對(duì)臨邊、洞口等自動(dòng)識(shí)別和標(biāo)記，也可對(duì)施工過(guò)程可能存在安全隱患的部分進(jìn)行標(biāo)識(shí)，根據(jù)這些信息編制施工安全管理計(jì)劃，提高安全管理水平。

圖5 土石壩施工模擬BIM系統(tǒng)實(shí)施流程

5．2 實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)下實(shí)施流程

在項(xiàng)目具體施工過(guò)程中，實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)信息需要根據(jù)施工進(jìn)度不斷更新，參與項(xiàng)目的管理人員應(yīng)及時(shí)將實(shí)時(shí)BIM模型與模擬BIM模型信息進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)未來(lái)施工計(jì)劃做出調(diào)整，本文建立的土石壩施工實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)實(shí)施流程見(jiàn)圖6。

圖6 土石壩施工實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)實(shí)施流程

5．2．1 構(gòu)建實(shí)時(shí) BIM 模型

通過(guò)激光掃描或照相測(cè)量技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的構(gòu)件信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將其處理得到構(gòu)件的參數(shù)信息與材料信息，將實(shí)時(shí)采集信息與模擬BIM施工模型的信息進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別與之相對(duì)應(yīng)的構(gòu)件，并參照實(shí)時(shí)采集構(gòu)件位置信息將模擬模型的構(gòu)件進(jìn)行變換得到實(shí)時(shí)模型構(gòu)件，最終得到實(shí)時(shí)BIM模型。

5．2．2 輔助進(jìn)度管理

通過(guò)三維模型可以直觀地了解項(xiàng)目的進(jìn)展情況，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)模型統(tǒng)計(jì)的工程量對(duì)比模擬模型與之相對(duì)應(yīng)的工程量，可以更加便捷地掌握工程進(jìn)度情況，為進(jìn)度的調(diào)整和預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

5．2．3 輔助成本管理

在工程實(shí)際施工過(guò)程中，將工程投入資金、資源信息輸入模型，對(duì)比子信息模型中成本管理的預(yù)算成本，將分析結(jié)果整合進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成本控制，也可對(duì)未來(lái)施工中成本情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和調(diào)整。

5．2．4 生成竣工模型

當(dāng)工程竣工之后，根據(jù)工程具體的實(shí)施情況對(duì)實(shí)時(shí)模型進(jìn)行修改，一方面能夠保證實(shí)時(shí)模型反映建筑的正確信息，另一方面對(duì)模型中沒(méi)必要保留的信息進(jìn)行刪除，將建筑設(shè)備等信息保留，為后期運(yùn)維階段提供資料支持，進(jìn)而生成竣工模型，由竣工模型可生成竣工決算報(bào)告、竣工圖紙等資料。

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）結(jié)合水利工程施工管理發(fā)展現(xiàn)狀以及BIM技術(shù)在建筑行業(yè)輔助工程管理的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在水利工程管理模式的基礎(chǔ)上對(duì)BIM的應(yīng)用進(jìn)行更加系統(tǒng)地分析，引入BIM團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了BIM團(tuán)隊(duì)與管理團(tuán)隊(duì)協(xié)作的應(yīng)用模式，在此模式下構(gòu)建了模擬BIM系統(tǒng)與實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)平臺(tái)，兩個(gè)子系統(tǒng)又分為與之所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)層、處理層和應(yīng)用層，從數(shù)據(jù)的收集與整理、模擬與實(shí)時(shí)BIM模型構(gòu)建以及工程應(yīng)用的層面實(shí)現(xiàn)全方位的工程管理。

（2）依照水利工程施工管理的特點(diǎn)，以土石壩工程施工管理為例，設(shè)計(jì)了土石壩工程分別在模擬BIM系統(tǒng)與實(shí)時(shí)BIM系統(tǒng)下的具體實(shí)施流程，并對(duì)流程進(jìn)行分析梳理，在水利工程施工階段具有較好的應(yīng)用價(jià)值。