BIM技術(shù)在水工金屬結(jié)構(gòu)全壽命周期管理中的應(yīng)用研究

郝楠楠 韓 剛 盧新杰

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122；2.浙江省發(fā)展規(guī)劃研究院，浙江杭州310012）

0 引言

水工金屬結(jié)構(gòu)是水利水電機(jī)電工程的核心設(shè)備之一，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需求定制等特點(diǎn)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。但由于受水頭、工況及不同功能定位等因素影響，水工金屬結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化和普適化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、施工建造以及運(yùn)維檢修等全壽命周期管理難度較大[2-4]。而建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）是采用三維數(shù)字模型技術(shù)對復(fù)雜工程項(xiàng)目進(jìn)行直觀的數(shù)字化表達(dá)，具有信息共享與協(xié)同交互等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對其從前期投資決策、設(shè)計(jì)施工安裝到后期運(yùn)行維護(hù)等的全過程管理[5]?；诖耍捎肂IM技術(shù)對復(fù)雜水工金屬結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目進(jìn)行全壽命周期管理，對推動(dòng)水工金屬結(jié)構(gòu)信息化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要意義[6]。

本文參考建筑市政領(lǐng)域BIM應(yīng)用成果，研究了BIM技術(shù)在水利水電金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，以蘇家灣航電樞紐工程項(xiàng)目為例（圖1），采用了數(shù)字化模型和智慧化設(shè)計(jì)等手段進(jìn)行全過程管理。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效提高工程質(zhì)量和效益，降低工程成本與風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)后數(shù)字化管理。

圖1 蘇家灣航電樞紐工程項(xiàng)目BIM全景圖

1 工程項(xiàng)目BIM全壽命周期管理方案

BIM技術(shù)以信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)水利水電工程項(xiàng)目各參與方和不同專業(yè)之間的信息協(xié)同，從而指導(dǎo)項(xiàng)目全壽命周期管理[7]，如圖2所示。具體表現(xiàn)為：在設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)三維可視化、信息化、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少不同專業(yè)碰撞沖突、設(shè)計(jì)變更，并結(jié)合有限元計(jì)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的校核與優(yōu)化；在施工階段，實(shí)現(xiàn)施工模擬、施工進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、合同管理以及投資造價(jià)管理；在運(yùn)維階段，實(shí)現(xiàn)綜合模型展示、大壩安全數(shù)字化監(jiān)測管理、設(shè)備資產(chǎn)管理、定檢管理等全壽命周期管理。

圖2 工程項(xiàng)目BIM全壽命周期管理方案

2 工程各階段的BIM應(yīng)用

2.1 投標(biāo)階段

應(yīng)用BIM技術(shù)可以擺脫以往經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)[8]，在各專業(yè)匯總工程量的基礎(chǔ)上建立三維模型，為確定投標(biāo)策略和預(yù)留利潤空間提供數(shù)據(jù)支撐。在招投標(biāo)階段，能夠幫助非本專業(yè)的評標(biāo)專家直觀地評判項(xiàng)目整體解決方案與總體功能布局，有效提高招投標(biāo)項(xiàng)目的中標(biāo)率。同時(shí)，采用VR、數(shù)字孿生等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過定性和定量等手段模擬項(xiàng)目周邊環(huán)境和建成后的運(yùn)行情況，選取最佳投標(biāo)方案，提高決策的科學(xué)性和合理性。

2.2 設(shè)計(jì)階段

BIM在設(shè)計(jì)中通過建立模型參數(shù)[9]，生成圖形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的“模型—圖紙—模型”相互雙向轉(zhuǎn)換，滿足不同專業(yè)之間的協(xié)同交互設(shè)計(jì)需求。各專業(yè)之間通過共享平臺，確保工程數(shù)據(jù)的唯一性和有效性，減少信息傳輸錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。同時(shí)，BIM模型在設(shè)計(jì)校核、設(shè)計(jì)變更、碰撞檢查和校核優(yōu)化等方面具有明顯的優(yōu)勢。

以蘇家灣航電樞紐工程金屬結(jié)構(gòu)部分疊梁閘門設(shè)計(jì)為例，主要設(shè)計(jì)步驟如下：（1）首先建立包含材料、規(guī)格、數(shù)量等在內(nèi)的材料明細(xì)表；（2）按照設(shè)置的初始參數(shù)（圖3）建立三維BIM模型；（3）生成工程視圖，并進(jìn)行尺寸標(biāo)注，調(diào)整材料明細(xì)表和技術(shù)說明等；（4）進(jìn)行參數(shù)模型轉(zhuǎn)換，分別生成三維、二維圖紙，如圖4、圖5所示；（5）根據(jù)用戶需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算和部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.3 施工階段

圖3 門葉部分參數(shù)設(shè)置表

圖4 疊梁閘門三維圖

圖5 疊梁閘門二維轉(zhuǎn)化圖

水利水電工程具有投資規(guī)模大、專業(yè)性較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)形式多樣化、參與專業(yè)多等特點(diǎn)，利用BIM先進(jìn)的仿真、計(jì)算和三維可視化數(shù)字模型技術(shù)，建立虛擬的工程施工主體及施工結(jié)構(gòu)的模擬環(huán)境[10]。利用模擬環(huán)境進(jìn)行直觀的“預(yù)施工”演練，及時(shí)了解施工過程中的作業(yè)順序安排、施工難點(diǎn)和施工安全隱患等。正式施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和捕捉各階段的動(dòng)態(tài)變化，可有效避免工程計(jì)量中的漏項(xiàng)、缺項(xiàng)、錯(cuò)算和重復(fù)計(jì)量，提高投資造價(jià)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，經(jīng)過設(shè)計(jì)深化和優(yōu)化后的BIM模型，可以采用最佳施工技術(shù)方案，提高可施工性，減少不必要的返工和材料浪費(fèi)。

2.4 運(yùn)行階段

BIM技術(shù)有效集成了生產(chǎn)制造、設(shè)計(jì)施工等不同階段過程的信息，是數(shù)字化運(yùn)維的有效支撐。通過BIM三維運(yùn)行管理平臺，可以將現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中的真實(shí)數(shù)據(jù)采用相應(yīng)的監(jiān)測傳感設(shè)備映射到虛擬場景中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)播報(bào)、畫面動(dòng)態(tài)可視、運(yùn)維遠(yuǎn)程便捷等功能。同時(shí)，采用BIM技術(shù)能夠進(jìn)行全業(yè)務(wù)、全方位的集約管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判和智能決策，提升設(shè)備數(shù)字化健康診斷水平。

3 結(jié)語

BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需求定制等為主要特點(diǎn)的水工金屬結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目全壽命周期管理的有效方法。本文研究了BIM技術(shù)在水利水電金屬結(jié)構(gòu)全壽命周期管理中的應(yīng)用，以蘇家灣航電樞紐工程項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了BIM技術(shù)在前期投標(biāo)、設(shè)計(jì)施工和運(yùn)營維護(hù)等階段的全過程管理方案。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效提高工程質(zhì)量和效益，降低工程成本與風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)維，對行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要參考價(jià)值。