BIM技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用

陳文亮，王 良，王 成，衡 陽(yáng)

(1.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，浙江 杭州 31000；2.浙江水專工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310000)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，集成建筑工程項(xiàng)目幾何特征、物理特征、功能特性及管理要素等各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，以解決項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)管理各階段及應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息斷層問題。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等5大特點(diǎn)[1]。

BIM技術(shù)最早應(yīng)用于建筑行業(yè)并取得了普遍認(rèn)可，在水利行業(yè)中的應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展速度很快，應(yīng)用前景廣闊。在水利行業(yè)，BIM技術(shù)的應(yīng)用已不局限于設(shè)計(jì)階段，在施工階段亦已嶄露頭角。在施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)，有助于提高施工的信息化、智能化水平，從而全面提升施工管理水平和工程質(zhì)量。

目前所查閱到的文獻(xiàn)中，BIM技術(shù)在水利工程施工階段的應(yīng)用尚處萌芽階段[2-4]，相比設(shè)計(jì)階段明顯不足。本文主要針對(duì)BIM在水利工程施工中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，并對(duì)其前景進(jìn)行了展望。

1 應(yīng)用場(chǎng)景

在水利工程施工中，BIM技術(shù)可廣泛應(yīng)用于施工區(qū)域總體布置、設(shè)備與材料管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、造價(jià)管理等方面。對(duì)BIM技術(shù)的有效應(yīng)用，可促進(jìn)施工中每項(xiàng)環(huán)節(jié)合理高效地完成，提升施工質(zhì)量。相比建筑、市政、交通等行業(yè)，水利工程施工具有其特殊性，使得BIM技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用也頗具特點(diǎn)。

1.1 施工區(qū)域總體布置

傳統(tǒng)的水利工程施工場(chǎng)地布置首先由施工人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在施工現(xiàn)場(chǎng)總平面圖上初步確定布置位置，然后按照布置圖在實(shí)際施工場(chǎng)地布置。這種布置方式由于不夠直觀，經(jīng)常需要在實(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)材料、設(shè)備二次搬運(yùn)，運(yùn)輸成本高，施工作業(yè)效率低。而利用BIM技術(shù)及其三維可視化特點(diǎn)，通過對(duì)水工建筑物、場(chǎng)地、施工設(shè)備及機(jī)械等進(jìn)行精細(xì)化建模，能更加容易地提前發(fā)現(xiàn)沖突，優(yōu)化施工現(xiàn)場(chǎng)布置，方便施工，節(jié)省物料，節(jié)約用地，提高施工效率，提前避免安全事故的發(fā)生。

金沙江向家壩水電站利用BIM技術(shù)，在四維時(shí)空?qǐng)鼍跋孪到y(tǒng)分析設(shè)備防碰撞等安全問題，幫助工程師科學(xué)、高效地制定了建塔安裝運(yùn)行的實(shí)施方案，有效縮短了設(shè)備租賃使用周期，為大壩節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)和大型設(shè)備安全運(yùn)行提供了重要保障[5]。某輸水箱涵建造工程利用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，實(shí)行了施工區(qū)域布置優(yōu)化[6]。

1.2 施工導(dǎo)流

利用BIM技術(shù)進(jìn)行水利工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)，可以采用Civil 3D軟件。利用該軟件進(jìn)行匯水分析、流域分析、高程分析、坡度分析、容量曲線的計(jì)算等，配合使用Storm and Sanitary Analysis(SSA)進(jìn)行初步水文分析，包括降雨過程分析、洪水過程分析等，最后結(jié)合當(dāng)?shù)厮那闆r，可幫助導(dǎo)截流設(shè)計(jì)人員建立準(zhǔn)確的導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案，確定導(dǎo)流建筑物的布置。并且，在施工期可隨時(shí)引入數(shù)據(jù)，分析導(dǎo)流能力，輔助導(dǎo)流變更以及信息化實(shí)時(shí)預(yù)警。

1.3 設(shè)備與材料管理

BIM具備多種信息，將信息整理導(dǎo)出，可以獲得詳細(xì)的材料表。在施工準(zhǔn)備階段能提供詳細(xì)的成本估算，便于施工材料、施工設(shè)備的購(gòu)買和配備。項(xiàng)目管理者可根據(jù)施工計(jì)劃，將材料與設(shè)備信息分階段歸類整理，確定清晰的材料設(shè)備進(jìn)場(chǎng)計(jì)劃，根據(jù)現(xiàn)有儲(chǔ)備情況，及時(shí)糾偏，避免維護(hù)、急缺、浪費(fèi)的情況。例如，電站水輪機(jī)金屬蝸殼鋼結(jié)構(gòu)制造階段，可采用Dynamo進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入advance steel生成對(duì)應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)與圖紙，精準(zhǔn)確定實(shí)際工程量，便于材料加工與采購(gòu)。

1.4 進(jìn)度管理

BIM信息管理系統(tǒng)可充分考慮計(jì)劃與模型的匹配要求，附加時(shí)間維度構(gòu)成4D模擬動(dòng)畫，檢查施工內(nèi)容是否有缺項(xiàng)，工序安排是否科學(xué)，設(shè)備安裝及拆除時(shí)間是否合理等問題，基于此進(jìn)行合理優(yōu)化，最終形成可執(zhí)行性強(qiáng)的施工進(jìn)度計(jì)劃。

山西中部引黃工程橋頭渡槽利用BIM技術(shù)模擬渡槽三維形象進(jìn)度，使渡槽施工更加直觀準(zhǔn)確，施工資源周轉(zhuǎn)更加合理，場(chǎng)地布置更加科學(xué)[7]。王天興等[8]開展了基于BIM技術(shù)的水工隧洞施工進(jìn)度仿真理論與施工進(jìn)度4D化技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了水工隧洞施工過程的動(dòng)態(tài)顯示以及施工信息的可視化查詢。

1.5 施工質(zhì)量管理

應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)水利工程進(jìn)行質(zhì)量控制，可有效提高質(zhì)量管理的效率。黑河黃藏寺水利樞紐BIM綜合應(yīng)用中根據(jù)質(zhì)量評(píng)定單元?jiǎng)澐趾褪┕みM(jìn)度計(jì)劃，利用自主開發(fā)的分塊程序?qū)υO(shè)計(jì)模型進(jìn)行劃分，并基于BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)和模型文件數(shù)據(jù)庫(kù)的施工管理平臺(tái)整合外部信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)施工過程中的質(zhì)量、安全、進(jìn)度和成本的全過程記錄，形成基于質(zhì)量驗(yàn)評(píng)單元的施工管理模型[9]。浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院在擴(kuò)大杭嘉湖南排八堡排水泵站工程、姚江上游西排梁湖樞紐等工程中開發(fā)了BIM協(xié)同管理系統(tǒng)，集成了施工質(zhì)量管理模塊，通過該模塊可進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定信息錄入、分析及查詢。

1.6 工程造價(jià)

BIM技術(shù)以準(zhǔn)確的地形模型、水工建筑物模型、金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電模型為前提，開挖工程量、樞紐建筑物工程量、金屬機(jī)構(gòu)及機(jī)電安裝工程量等一目了然，為工程結(jié)算提供直觀的參考數(shù)據(jù)。例如，新孟河界牌水利樞紐的BIM系統(tǒng)利用Bentley GEOPAK 軟件在三維地形上進(jìn)行開挖設(shè)計(jì)，獲取開挖工程量；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化三維配筋并自動(dòng)生成鋼筋表，快速獲得材料、規(guī)格、數(shù)量以及設(shè)備型號(hào)等工程量匯總信息[10]。

2 存在的問題

BIM技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用具有巨大的潛力和價(jià)值，但在推進(jìn)過程中，也遇到了很多問題，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)主流的BIM商業(yè)軟件主要面向建筑行業(yè)，對(duì)水利行業(yè)適配度不高，常需要二次開發(fā)或多軟件協(xié)作。

(2)由于使用對(duì)象不同，導(dǎo)致水利工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理等各階段的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)建設(shè)，無法統(tǒng)一。

(3)市場(chǎng)上的BIM軟件主要應(yīng)用于建模，具備進(jìn)度分析、成本控制、協(xié)同管理等功能的軟件相對(duì)匱乏而且深度不夠，無法充分發(fā)揮BIM應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。

(4)設(shè)計(jì)單位的BIM技術(shù)應(yīng)用亦處于起步階段，尚未真正形成生產(chǎn)力，導(dǎo)致上游BIM產(chǎn)品少、族庫(kù)不豐富，施工階段建模工作量巨大。

(5)施工單位BIM技術(shù)人才匱乏，過多依賴設(shè)計(jì)單位的幫助，但設(shè)計(jì)人員對(duì)施工管理理解程度不深、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，嚴(yán)重影響了BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用價(jià)值。

3 應(yīng)用前景及展望

2016—2017年，國(guó)務(wù)院先后出臺(tái)意見，要求積極應(yīng)用、大力推廣BIM技術(shù)。住建部印發(fā)的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》在施工類企業(yè)的主要目標(biāo)中明確要求“普及項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)，開展施工階段的BIM基礎(chǔ)應(yīng)用。有條件的企業(yè)應(yīng)研究BIM應(yīng)用條件下的施工管理模式和協(xié)同工作機(jī)制，建立基于BIM的項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)。”

隨著各項(xiàng)BIM技術(shù)鼓勵(lì)政策的出臺(tái)，目前我國(guó)BIM技術(shù)應(yīng)用總體處于上升期，應(yīng)用案例不斷積累。BIM技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用正逐漸推廣到施工管理深度應(yīng)用階段，多項(xiàng)技術(shù)呈現(xiàn)出“BIM+”的新特點(diǎn)，將對(duì)提高施工工效及管理水平起到深遠(yuǎn)的影響。

(1)水利施工現(xiàn)代化對(duì)施工管理工作的高效協(xié)同、項(xiàng)目信息的準(zhǔn)確傳遞要求更高，因此BIM應(yīng)用將逐步向施工階段深化延伸，與項(xiàng)目管理集成將成為BIM應(yīng)用的一個(gè)趨勢(shì)。

(2)BIM技術(shù)與三維激光掃描、無人機(jī)、VR/AR技術(shù)等融合，應(yīng)用于水利工程施工階段實(shí)測(cè)實(shí)量、深化設(shè)計(jì)、方案交底、施工仿真等，大幅提升水利智慧化管理水平。

(3)從單機(jī)應(yīng)用向基于云端的協(xié)同應(yīng)用轉(zhuǎn)變將是BIM應(yīng)用的一個(gè)趨勢(shì)。BIM技術(shù)與云計(jì)算的綜合應(yīng)用可支持水利工程施工現(xiàn)場(chǎng)不同參建者之間的協(xié)同和共享，將為施工現(xiàn)場(chǎng)管理帶來革命。

(4)BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用由大型水利工程向中小型水利工程普及，從標(biāo)志性項(xiàng)目應(yīng)用向一般項(xiàng)目應(yīng)用延伸。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著BIM技術(shù)應(yīng)用的不斷推進(jìn)，BIM技術(shù)已在水利工程施工場(chǎng)地布置、設(shè)備與材料管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、造價(jià)管理等方面得到了一定程度的應(yīng)用，并發(fā)揮了獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是，BIM技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用尚處于引進(jìn)探索階段，且存在不少問題，能否妥善解決這些問題將直接影響B(tài)IM技術(shù)在水利工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

BIM技術(shù)是水利行業(yè)的新機(jī)遇，為水利工程施工管理提供了一個(gè)全新的平臺(tái)，掌握BIM技術(shù)已是施工單位未來發(fā)展的必經(jīng)之路。希望水利施工單位認(rèn)真鉆研BIM技術(shù)，促成BIM技術(shù)在水利工程施工中的深化應(yīng)用，全面提升水利工程施工信息化水平。