BIM技術(shù)在輸水箱涵施工階段的應(yīng)用研究

王欣　馮利軍

摘要：為解決水利水電工程施工階段中場(chǎng)地布置不合理、工程量統(tǒng)計(jì)耗時(shí)多、技術(shù)交底不直觀和質(zhì)量管理信息傳遞不到位等問題，利用BIM技術(shù)，以輸水箱涵為研究對(duì)象，分析BIM技術(shù)在解決以上問題時(shí)存在的優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)Revit和Navisworks兩款核心軟件的運(yùn)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸水箱涵場(chǎng)地模型和3D施工結(jié)構(gòu)模型的建立，以及模型的漫游、仿真模擬、信息的集成與共享。實(shí)例表明：BIM技術(shù)的應(yīng)用可以避免場(chǎng)地布置的不合理、提高工程量統(tǒng)計(jì)的效率、進(jìn)行可視化的技術(shù)交底和及時(shí)傳遞質(zhì)量管理信息。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);輸水箱涵;場(chǎng)地布置;工程量統(tǒng)計(jì);技術(shù)交底;質(zhì)量管理

中圖分類號(hào)：TV52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2019.04.030

水利水電工程屬于非常復(fù)雜的系統(tǒng)性工程[1]，而輸水箱涵屬于水利水電工程的一部分。南水北調(diào)引水工程修建了大量的地埋鋼筋混凝土輸水箱涵[2]，這種輸水方式既實(shí)現(xiàn)了耕地的保護(hù)，又保證了水在流動(dòng)過程中不會(huì)被外界所污染。

輸水箱涵工程呈線性分布，施工作業(yè)面長、技術(shù)要求高、參建單位多、涉及的構(gòu)件和工種較多[3]。在以往輸水箱涵工程的施工階段會(huì)遇到很多問題，比如施工場(chǎng)地布置不合理、施工工程量統(tǒng)計(jì)耗費(fèi)大量時(shí)間、施工技術(shù)交底不直觀、施工質(zhì)量控制過程繁瑣等。管理學(xué)中有句話說得好：“過去的解決辦法決定今天的問題，今天的問題創(chuàng)造性地引領(lǐng)未來的解決方法?！盉IM（Building Information Modeling）是一種數(shù)據(jù)化工具，應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的過程中[4].其中各種與項(xiàng)目相關(guān)的信息通過參數(shù)模型可以被整合在一起，不僅使信息能夠在工程項(xiàng)目的全生命周期中進(jìn)行共享和傳遞，還能使工程技術(shù)人員對(duì)相關(guān)信息予以正確的理解，并為工程項(xiàng)目的各參與方提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，從而使得生產(chǎn)效率提高、成本節(jié)約和工期縮短。最近幾年在國內(nèi)建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)有全生命周期的應(yīng)用實(shí)例，為工程項(xiàng)目的管理工作注入了新的血液，是解決現(xiàn)階段建筑行業(yè)問題的全新技術(shù)理念。但是，目前BIM技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于水利水電工程。本文以某輸水箱涵工程為例，在場(chǎng)地布置、工程量統(tǒng)計(jì)、技術(shù)交底和質(zhì)量管理四個(gè)方面介紹BIM技術(shù)的應(yīng)用，使得場(chǎng)地布置方案更加精確合理、工程量統(tǒng)計(jì)過程變得簡(jiǎn)便高效、技術(shù)交底方式直觀易懂、質(zhì)量管理信息參數(shù)化和集成化。

1 傳統(tǒng)模式下輸水箱涵施工階段存在的問題

從過去的一些有關(guān)輸水箱涵工程施工建設(shè)項(xiàng)目來看，在施工階段會(huì)遇到許多問題，這里從施工場(chǎng)地布置、工程量統(tǒng)計(jì)、技術(shù)交底、質(zhì)量管理四個(gè)方面進(jìn)行闡述。

（1）傳統(tǒng)的輸水箱涵施工場(chǎng)地布置是管理者根據(jù)自己以往的經(jīng)驗(yàn)把場(chǎng)地布置的情況在二維施工現(xiàn)場(chǎng)總平面布置圖上呈現(xiàn)出來，然后根據(jù)布置圖在實(shí)際施工時(shí)進(jìn)行場(chǎng)地布置[5]，這種表達(dá)方式不能夠反映施工現(xiàn)場(chǎng)空間上的關(guān)系，也不能提取和集成施工現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)構(gòu)件的有關(guān)信息，往往需要在實(shí)際布置施工場(chǎng)地時(shí)對(duì)布置情況反復(fù)調(diào)整，易造成施工場(chǎng)地內(nèi)的構(gòu)件和材料二次搬運(yùn)，從而提高了運(yùn)輸成本，降低了施工作業(yè)生產(chǎn)效率。

（2）輸水箱涵工程在進(jìn)行施工圖預(yù)算編制工作時(shí)，施工工程量的統(tǒng)計(jì)是最關(guān)鍵的，以往的工程量統(tǒng)計(jì)工作是基于二維CAD圖紙進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)，這種方式面對(duì)構(gòu)件多、鋼筋用量大等因素時(shí)不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性也不能保證。工程量的統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤會(huì)直接導(dǎo)致施工圖預(yù)算的錯(cuò)誤，需要再次組織人員進(jìn)行工程量的統(tǒng)計(jì)，不能一次到位，從而使得施工單位成本增加，效益情況無法準(zhǔn)確估計(jì)。

（3）以往施工單位技術(shù)交底工作在單位工程或者分項(xiàng)工程施工前由主管技術(shù)的管理人員以文字或者簡(jiǎn)單的繪圖方式向施工人員進(jìn)行技術(shù)性交待，讓施工人員對(duì)輸水箱涵工程的質(zhì)量要求、施工方法等有一個(gè)了解[6]。這種交底方式不夠直觀，使得施工人員在面臨較復(fù)雜的施工過程時(shí)不能夠完全理解，在實(shí)際輸水箱涵施工過程中因技術(shù)交底不到位或者不合適而導(dǎo)致返工的情況常常發(fā)生，不但會(huì)使工期延誤，而且會(huì)讓施工成本增加。

（4）質(zhì)量管理是指在質(zhì)量方面指揮和控制組織的協(xié)調(diào)活動(dòng)。輸水箱涵的壽命取決于其質(zhì)量的好壞，實(shí)現(xiàn)其全過程質(zhì)量管理的關(guān)鍵是對(duì)施工階段的嚴(yán)格把關(guān)[7]。一方面，傳統(tǒng)的輸水箱涵工程在施工階段的質(zhì)量管理主要依靠質(zhì)檢人員在構(gòu)件完成后的抽檢，抽檢的結(jié)果常常出現(xiàn)不合格的情況，這就使得相關(guān)構(gòu)件要進(jìn)行拆除，導(dǎo)致二次返工，造成了成本和時(shí)間的浪費(fèi)，也使得輸水箱涵工程的工期和質(zhì)量不能保證。此外，在質(zhì)量管控時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)因質(zhì)檢人員對(duì)箱涵底板、鋼筋等構(gòu)件的檢測(cè)要求和時(shí)間不了解，而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果達(dá)不到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)：另一方面，傳統(tǒng)的輸水箱涵施工過程中產(chǎn)生的大量有關(guān)質(zhì)量的資料、圖片等與模型圖紙是分離的，一旦遇到質(zhì)量問題不能夠及時(shí)獲取相關(guān)信息，這會(huì)造成很嚴(yán)重的后果。

2 BIM技術(shù)在輸水箱涵施工階段的應(yīng)用以及優(yōu)勢(shì)

利用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)3D建模、碰撞檢測(cè)、漫游、仿真模擬等功能，這些功能是傳統(tǒng)技術(shù)無法完全實(shí)現(xiàn)的，它在輸水箱涵施工階段現(xiàn)場(chǎng)布置、工程量統(tǒng)計(jì)、技術(shù)交底和質(zhì)量管理過程中的應(yīng)用與傳統(tǒng)模式下相比有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.1 場(chǎng)地布置

首先根據(jù)業(yè)主提供的輸水箱涵工程項(xiàng)目的地形測(cè)量數(shù)據(jù)以及地形上附屬構(gòu)件信息，按照I：I的比例利用BIM技術(shù)的3D建模功能在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建與實(shí)際地形情況大致相同的3D地形模型。然后利用BIM技術(shù)創(chuàng)建現(xiàn)場(chǎng)布置所需的1：1比例的三維構(gòu)件等一切事物，如辦公或生活房屋、混凝土生產(chǎn)設(shè)備、混凝土泵車、鋼筋加工棚等。最后管理者利用BIM技術(shù)的碰撞檢測(cè)功能和自己以往的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際地形情況進(jìn)行場(chǎng)地布置，這個(gè)過程好比布置一個(gè)空房子，家里的家具等合理擺放，讓以后的生活更加方便和舒適。通過這種方式可以查詢場(chǎng)地中各個(gè)構(gòu)件的信息，并且在施工前對(duì)施工場(chǎng)地布置不斷優(yōu)化，最大限度地避免在實(shí)際場(chǎng)地布置時(shí)場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)件及材料的二次搬運(yùn)，降低運(yùn)輸成本，提高施工的流暢度。

2.2 工程量統(tǒng)計(jì)

輸水箱涵工程的工程量統(tǒng)計(jì)主要涉及到土方量、混凝土用量和鋼筋用量。利用BIM技術(shù)進(jìn)行基坑開挖和涵體3D建模，然后進(jìn)行工程量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，最后可以直接以表格的方式反映出來[8]。要想統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳細(xì)，就需要建模的時(shí)候?qū)?gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的分類并命名。通過這種方式統(tǒng)計(jì)工程量既準(zhǔn)確又快速，而且模型中的工程量發(fā)生改變，表格中的統(tǒng)計(jì)量會(huì)自動(dòng)改變。

2.3 技術(shù)交底

通過BIM技術(shù)進(jìn)行輸水箱涵的技術(shù)交底，首先需要滿足技術(shù)交底的部分（復(fù)雜節(jié)點(diǎn)工序、關(guān)鍵位置等）包含在已經(jīng)創(chuàng)建好的3D模型中，然后利用BIM技術(shù)進(jìn)行漫游、仿真模擬，最后以動(dòng)畫的方式呈現(xiàn)出來。主管技術(shù)的管理人員可以以文字和動(dòng)畫相結(jié)合的方式向施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，更加直觀，給人印象深刻，相當(dāng)于老師把一道題講過了一遍，然后考試出了原題再讓同學(xué)們做一遍，考試結(jié)果是可想而知的。利用這種方式，在實(shí)際施工過程中幾乎不會(huì)出現(xiàn)返工現(xiàn)象，使得輸水箱涵工程的施工能夠流暢進(jìn)行，從而完全滿足技術(shù)交底的所有要求。

2.4 質(zhì)量管理

應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)輸水箱涵進(jìn)行質(zhì)量控制，可以大大提高質(zhì)量管理的效率。要做好質(zhì)量管理，首先要做的就是從體量龐大的輸水箱涵工程中確定構(gòu)件所處的精確位置。通過BIM技術(shù)在創(chuàng)建輸水箱涵模型的過程中，每一個(gè)構(gòu)件會(huì)自動(dòng)生成自己的ID識(shí)別碼，工作人員可以通過這個(gè)識(shí)別碼快速地定位到需要查看的構(gòu)件處，然后判斷該構(gòu)件是否滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)并記錄下來[9]。有了相關(guān)記錄數(shù)據(jù)后，通過技術(shù)交底把質(zhì)量控制要點(diǎn)確定好，然后根據(jù)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范，把構(gòu)件的數(shù)據(jù)和驗(yàn)收要求提取出來，通過BIM軟件的共享參數(shù)功能，生成一個(gè)有關(guān)三維模型的信息數(shù)據(jù)庫。在日后進(jìn)行質(zhì)量管理時(shí)，依據(jù)質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)，可以隨時(shí)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用信息，從而對(duì)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控。此外，質(zhì)檢人員通過BIM技術(shù)可以把施工過程中有關(guān)質(zhì)量信息的圖片、視頻、音頻、文檔等手動(dòng)集成到模型中，從而實(shí)現(xiàn)輸水箱涵虛擬模型和施工真實(shí)情況信息的整合，在施工過程中相關(guān)人員通過模型可以迅速查看構(gòu)件的所有信息并對(duì)其管理。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

某輸水箱涵建造工程，全長9.88 km。該工程以現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵為主，為有壓輸水箱涵，其他建筑物包括：通氣孔5座、分水口1座、檢修閘1座、小型公路涵5座、小型倒虹吸1座。工程合同價(jià)為3.2億元，施工工期731 d。輸水箱涵全長9 km，共600節(jié)，每節(jié)15m，全部為直線段。輸水箱涵結(jié)構(gòu)尺寸為15.2 mx5.6m（寬×高），分三孔，每孔凈空尺寸4.4 mx4.5 m（寬×高），倒角尺寸為500 mmx500 mm.中間隔墻厚度為450 mm，頂板厚度為550 mm，其橫斷面尺寸如圖1所示。輸水箱涵混凝土全部采用C25，其基坑橫斷面為復(fù)式梯形斷面。對(duì)該輸水箱涵工程選用Autodesk公司的Revit軟件進(jìn)行3D建模，選用Navisworks軟件進(jìn)行漫游、碰撞檢測(cè)和仿真模擬。

3.2 基于BIM技術(shù)建立輸水箱涵的場(chǎng)地和基坑模型并進(jìn)行場(chǎng)地布置

首先利用業(yè)主提供的場(chǎng)地高程點(diǎn)txt格式坐標(biāo)文件，通過Revit創(chuàng)建輸水箱涵地形表面模型;然后根據(jù)輸水箱涵所需的施工機(jī)械、材料、設(shè)備以及功能分區(qū)，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行優(yōu)化布置：最后借助業(yè)主提供的基坑坐標(biāo)位置，通過Revit創(chuàng)建輸水箱涵的復(fù)式梯形斷面基坑。具體的創(chuàng)建過程如下：

（1）利用Revit中的體量與場(chǎng)地命令、地形表面命令、通過導(dǎo)人創(chuàng)建命令、指定點(diǎn)文件命令，把坐標(biāo)文件以逗號(hào)分隔文本類型導(dǎo)人到Revit中，從而完成地形表面模型的創(chuàng)建[10]。

（2）輸水箱涵施工涉及的主要施工機(jī)械和工具有混凝土泵車、振動(dòng)器、模板、挖掘機(jī)等，施工模板主要為鋼模板和鋼模臺(tái)車。這些器械和工具在Revit族庫中沒有，一部分通過新建族和拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣等命令的搭配使用，創(chuàng)建所需的機(jī)械和施工模板：一部分從網(wǎng)上下載所需的族文件，最后導(dǎo)人Revit中以供使用。在導(dǎo)入這些族文件的時(shí)候，應(yīng)通過放置構(gòu)件的方式把族文件導(dǎo)人Revit中，否則會(huì)產(chǎn)生模型與場(chǎng)地不貼合[11]。

對(duì)施工場(chǎng)地布置不斷優(yōu)化，最后劃分為8大區(qū)域：施工道路（灰色區(qū)域）、辦公生活區(qū)（綠色區(qū)域）、鋼筋加工棚（粉色區(qū)域）、混凝土生產(chǎn)區(qū)（黃色區(qū)域）、油庫（紅色區(qū)域）、施工器械和材料存儲(chǔ)區(qū)（藍(lán)色區(qū)域）、施工風(fēng)水電通信系統(tǒng)（白色區(qū)域）和堆土區(qū)（黑色區(qū)域）。

（3）通常情況下，用Revit的體量與場(chǎng)地命令和建筑地坪命令只能實(shí)現(xiàn)矩形斷面的基坑繪制[12].而輸水箱涵基坑為復(fù)式梯形斷面，故利用建筑地坪命令在這里行不通。經(jīng)過不斷摸索，最后反復(fù)利用體量與場(chǎng)地命令、拆分表面命令、平整場(chǎng)地命令、僅基于周界點(diǎn)新建地形場(chǎng)地命令實(shí)現(xiàn)了輸水箱涵基坑的創(chuàng)建。具體場(chǎng)地布置和基坑橫斷面形狀如圖2所示。

3.3 基于BIM技術(shù)建立輸水箱涵的結(jié)構(gòu)模型并統(tǒng)計(jì)工程量

（1）本案例的輸水箱涵結(jié)構(gòu)模型通過Revit創(chuàng)建，它由側(cè)墻、中墻、八字翼形底板和頂板構(gòu)成，其中側(cè)墻和中墻選取相應(yīng)尺寸的結(jié)構(gòu)墻即可，而特殊形狀的底板需要借助族工具來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建，因考慮到施工模擬方便，故在此利用放樣、拉伸等命令來完成輸水箱涵八字翼形底板和頂板的創(chuàng)建。由于需要對(duì)輸水箱涵進(jìn)行配筋，因此需要將新建族屬性中的“可將鋼筋附著到主體”打上對(duì)勾，這樣就可以對(duì)箱涵進(jìn)行配筋了。配完筋后輸水箱涵的結(jié)構(gòu)模型就完成了，配筋詳細(xì)情況如圖3所示。

（2）利用Revit中的明細(xì)表功能對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置后，分別對(duì)輸水箱涵的鋼筋混凝土用量和基坑挖填的土方量進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

3.4 基于BIM技術(shù)輸水箱涵工程的技術(shù)交底

輸水箱涵工程的技術(shù)交底涉及很多部分，這里基于BIM技術(shù)以鋼筋的搭接方式為例向施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，涉及的其他技術(shù)交底都可以模仿鋼筋的技術(shù)交底方式。首先把輸水箱涵的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)人Navis-works中，把混凝土的部分隱藏掉，只顯示鋼筋部分，根據(jù)鋼筋的搭接方案對(duì)鋼筋創(chuàng)建工作集，并通過animator功能創(chuàng)建合適的動(dòng)畫，然后在timeliner中輸入鋼筋的搭接方案，把工作集及動(dòng)畫附加到合適的位置[13].模式為構(gòu)造，就可以實(shí)現(xiàn)輸水箱涵工程箱涵鋼筋搭接過程的虛擬建造，最后導(dǎo)出avi格式的仿真模擬動(dòng)畫。鋼筋仿真模擬過程如圖4所示。當(dāng)管理人員向施工人員進(jìn)行技術(shù)交底時(shí)，通過動(dòng)畫和文字相結(jié)合的方式更加直觀易懂。即使當(dāng)時(shí)對(duì)技術(shù)交底沒有理解，在事后可以通過手機(jī)、電腦或者iPad等支持avi格式的工具，反復(fù)地對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行觀看，甚至可以邊觀看邊施工，大大提高施工的流暢度。

3.5 基于BIM技術(shù)輸水箱涵工程的質(zhì)量管理

3.5.1 基于BIM技術(shù)輸水箱涵項(xiàng)目參數(shù)的質(zhì)量管理

輸水箱涵主要由箱涵底板、側(cè)墻、中墻和箱涵頂板四類構(gòu)件組成。這里以某部分的箱涵頂板的質(zhì)量檢測(cè)為例來對(duì)基于BIM技術(shù)項(xiàng)目參數(shù)的質(zhì)量管理進(jìn)行描述。首先檢測(cè)人員根據(jù)所需檢測(cè)箱涵頂板的ID號(hào)確定它在模型中的位置，然后根據(jù)相關(guān)質(zhì)量規(guī)范來確定其是否滿足質(zhì)量要求并記錄下來。記錄過程如下：首先利用Revit軟件“管理”選項(xiàng)卡中的“項(xiàng)目參數(shù)”功能，對(duì)參數(shù)的屬性進(jìn)行創(chuàng)建：然后根據(jù)需要的參數(shù)類型對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)建，比如輸入質(zhì)檢的日期、評(píng)定、要求和人員等：最后當(dāng)質(zhì)檢人員對(duì)箱涵頂板進(jìn)行檢查后，把相關(guān)的檢查信息輸入其指定項(xiàng)目參數(shù)，相關(guān)人員可以直接對(duì)保存的結(jié)果進(jìn)行查閱與共享，如圖5所示。

3.5.2 基于BIM技術(shù)輸水箱涵信息鏈接的質(zhì)量管理

基于BIM技術(shù)輸水箱涵信息鏈接的質(zhì)量管理，主要是依托Navisworks軟件“項(xiàng)目工具”選項(xiàng)卡下的鏈接功能來實(shí)現(xiàn)模型與外部質(zhì)量信息的關(guān)聯(lián)[14]，關(guān)聯(lián)成功后，通過“常用”選項(xiàng)卡下的“顯示鏈接”功能來對(duì)關(guān)聯(lián)的質(zhì)量信息進(jìn)行查看。例如選擇某節(jié)輸水箱涵的頂板為例，首先把與其施工前相關(guān)的質(zhì)量資料、施工過程中生成的視頻、圖片等文件進(jìn)行收集，然后利用Navis-works的“添加鏈接”功能把外部的這些信息集成到模型中，最后通過“顯示鏈接”選項(xiàng)對(duì)相關(guān)質(zhì)量信息進(jìn)行查看，并且還可以把集成后的質(zhì)量信息模型發(fā)布給相關(guān)人員進(jìn)行審閱，以便及時(shí)給出反饋意見，其中關(guān)鍵步驟的系統(tǒng)界面如圖6所示。

4 結(jié)語

本文對(duì)傳統(tǒng)模式下輸水箱涵施工階段的場(chǎng)地布置、工程量統(tǒng)計(jì)、技術(shù)交底、質(zhì)量管理等方面存在的問題進(jìn)行了分析，并闡述了如何利用BIM技術(shù)來解決這些問題以及BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，最后以某輸水箱涵工程為例進(jìn)行了介紹。通過BIM技術(shù)在輸水箱涵施工階段的應(yīng)用，將相關(guān)人員從傳統(tǒng)的二維圖紙中解放了出來，大大減少了返工情況，工程進(jìn)展更加流暢，成本估算更加精確，施工質(zhì)量管理過程實(shí)現(xiàn)了信息的參數(shù)化和信息化集成。由此可以看出把BIM技術(shù)應(yīng)用到輸水箱涵工程的施工階段是可行的，并且意義重大。

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【責(zé)任編輯張帥】