BIM 技術(shù)在重力式大壩工程模擬施工中的應(yīng)用及效果評價(jià)研究

曾 寅，趙 龍，陳 靜

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定071000）

水利建設(shè)需要多專業(yè)協(xié)同，但不同專業(yè)之間的天然壁壘，導(dǎo)致在水利設(shè)計(jì)或施工時(shí)工程進(jìn)度緩慢甚至停滯，極大地影響了工程成本控制。[1-3]近幾年BIM 技術(shù)在土木建筑行業(yè)的多專業(yè)協(xié)同發(fā)展中起到了重要作用[4-6]，而同樣作為多專業(yè)復(fù)雜性水利工程，利用BIM 技術(shù)亦能滿足協(xié)同共享需求。國內(nèi)外已有一些學(xué)者或水利工程師通過引入土木建筑行業(yè)的BIM 技術(shù)，規(guī)劃水利工程中BIM 技術(shù)應(yīng)用前景，為水利工程中推廣BIM 技術(shù)打開了大門。[7-11]BIM 技術(shù)作為工程信息化設(shè)計(jì)與施工的重要舉措，評價(jià)其實(shí)際應(yīng)用效果，為其他工程帶來示范性應(yīng)用具有重要意義。本文利用模糊綜合評價(jià)手段[12-14]，研究BIM 技術(shù)在某大壩工程的應(yīng)用效果，以期為BIM 技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用及水利工程信息化設(shè)計(jì)施工提供重要的參考。

1 工程概況與BIM 模型建立

1.1 工程概況

某大壩工程為新建水庫的堤防工程與擋水工程，包括重力壩體、泄洪系統(tǒng)以及進(jìn)出水口等系統(tǒng)，承擔(dān)著防洪以及輸送水資源的任務(wù)。壩頂高程72m，上、下游設(shè)計(jì)水位分別為291m、273.5m，設(shè)置有防滲墻保護(hù)壩基與壩身，壩頂修建有寬為3.2m的公路，上、下游大壩坡度比均為2：3。整個(gè)壩體分為止水面板、墊層、鋪蓋層及堆體層，壩身由大面積混凝土澆筑形成，在上游壩身上鋪設(shè)有二次防滲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由防滲面板以及趾板構(gòu)成，防滲面板與趾板間以混凝土止水縫相連接，并在壩基覆蓋層處連接一次防滲墻結(jié)構(gòu)，使一、二次防滲結(jié)構(gòu)成為一整體。壩基以上設(shè)置有反濾層，厚度約為1.5m，整個(gè)壩體均鋪設(shè)有以粉煤灰為材料的過渡墊層，防止壩體滲透破壞，所有料底均來自距離工程現(xiàn)場約4km 處的材料場。壩體工程的水閘設(shè)置為單孔式，由液壓啟閉機(jī)控制，根據(jù)調(diào)控水資源流量精確控制閘門開度，設(shè)置有2 個(gè)引水隧洞，鋪設(shè)直徑為1.8m 的涵管作為輸水渠道。大壩所在水利樞紐建有引水發(fā)電機(jī)組4 組，可供應(yīng)區(qū)域內(nèi)工農(nóng)業(yè)用電800 萬kW·h。

大壩所在區(qū)域地形為丘陵地帶，工程場地為河流沖積平原，壩體位于第四階地上，表面覆蓋土層為第四系堆積土層，顆粒密實(shí)性較差，含水量測試為18%，厚度范圍為2.5～7.8m，在場地內(nèi)均有分布。覆蓋層還包括粉質(zhì)砂土層，厚度較薄，最厚之處僅為3.1m，透水性較強(qiáng)，土顆粒間存在較多孔隙，相互粘結(jié)性能差。區(qū)域內(nèi)無活躍地質(zhì)構(gòu)造帶，據(jù)鉆孔資料得知，壩基層為花崗巖體，完整性較好，以中粗顆粒為主，弱風(fēng)化特性，壩體趾板結(jié)構(gòu)即位于基巖層上。

1.2 BIM 模型建立

根據(jù)該壩體工程的特點(diǎn)，需要?jiǎng)?chuàng)建三維地質(zhì)模型與壩體模型，本文利用CAD 將平面圖轉(zhuǎn)化為BIM 的三維可視化編輯圖，創(chuàng)建出三維BIM 模型。采用測繪數(shù)據(jù)所獲得的地形地貌云圖以及地形曲面相關(guān)數(shù)據(jù)，以CAD 為中間平面視圖載體，轉(zhuǎn)入Revit 中進(jìn)行地形圖的修改編輯，獲得地形BIM 模型視圖，如圖1 所示。

壩體模型依據(jù)前文所述工程資料，結(jié)合擋水壩段、引水壩段以及溢洪壩段各個(gè)區(qū)段內(nèi)的平面設(shè)計(jì)圖紙，以Revit 設(shè)計(jì)獲得壩體三維模型。模型中有不同類型或功能的壩體區(qū)段、引水隧洞以及調(diào)控水位的閘門結(jié)構(gòu)，且每個(gè)子項(xiàng)目單元具體材料以及施工工序均囊括在BIM 模型中，便于多方單位進(jìn)行查證。

聯(lián)系地形三維模型與壩體模型，構(gòu)建工程整體設(shè)計(jì)模型，如圖2 所示。另外，將施工進(jìn)度計(jì)劃與施工各單元模型對應(yīng)連接，總工期為692 天，各個(gè)工序單元施工工序以及周期均已導(dǎo)入施工進(jìn)度計(jì)劃編制表。

圖1 地形BIM 模型圖

圖2 水利工程整體BIM 模型圖

2 進(jìn)度管理應(yīng)用研究

由于該工程涉及較多設(shè)計(jì)部門，包括水工部門、機(jī)電部門、建筑部門等，因而BIM 模型作為協(xié)同信息共享，可實(shí)現(xiàn)工程上每一步驟均有據(jù)可查，設(shè)計(jì)階段多個(gè)專業(yè)部門均在同一平臺上進(jìn)行，所需地理信息或其他專業(yè)信息均可實(shí)時(shí)更新獲得，從而減少因?qū)I(yè)設(shè)計(jì)之間的誤差造成的返工。各個(gè)部門在選材階段，均可以根據(jù)預(yù)定的統(tǒng)一施工標(biāo)準(zhǔn)以及施工進(jìn)度要求，采集信息并在系統(tǒng)中及時(shí)更新，減少由于材料不匹配帶來的專業(yè)設(shè)計(jì)之間的碰撞。而在后續(xù)的預(yù)算控制、質(zhì)量管理以及進(jìn)度管理方面，均可提升風(fēng)險(xiǎn)管控。本文將針對壩體施工進(jìn)度管控，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工與技術(shù)模擬，以混凝土的碾壓平層工藝、拉模工藝及特殊混凝土品種施工工藝開展施工模擬研究。

2.1 碾壓平層工藝

圖3 為大面積混凝土施工的碾壓工藝所需設(shè)備以及施工要求。施工設(shè)備包括振動(dòng)碾車、平倉機(jī)車、運(yùn)輸卡車。每臺振動(dòng)碾車以不超過1.5km/h 的速度前進(jìn)，與前置平倉機(jī)車間距應(yīng)控制在1～1.2m，每個(gè)混凝土鋪設(shè)層均需碾壓6～8 遍，碾壓桶寬度不可超過2m，桶上拼接板設(shè)計(jì)部門給定誤差不可超過±3cm，碾壓車行進(jìn)方向在垂直水流方向，保證混凝土面板結(jié)構(gòu)碾壓后強(qiáng)度與密實(shí)性能達(dá)到工程防滲要求。

圖3 大面積混凝土碾壓平層施工模擬

針對施工過程中的一些細(xì)節(jié)，在三維模型模擬時(shí)也可看出是否達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)。以混凝土標(biāo)準(zhǔn)層的碾壓次序?yàn)槔?，?dāng)混凝土泵車均勻卸下混凝土后，平倉機(jī)車將混凝土堆體整平，此時(shí)混凝土處于初始凝結(jié)狀態(tài)，碾壓振動(dòng)車在初始碾壓時(shí)嘗試3 次無振動(dòng)性碾壓，后開始有振動(dòng)性碾壓，該標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過多次模擬測試后得到混凝土強(qiáng)度才確定的。模擬測試多次無振動(dòng)碾壓后混凝土強(qiáng)度變化曲線如圖4 所示。從圖4 中可看出，當(dāng)無振動(dòng)碾壓次數(shù)在3 次以內(nèi)時(shí)，混凝土強(qiáng)度增長顯著，從無振動(dòng)碾壓次數(shù)1 次至3 次，混凝土強(qiáng)度增長了15.1%，而在無振動(dòng)碾壓次數(shù)超過3 次后，混凝土強(qiáng)度逐漸遞減。由于過多的無振動(dòng)碾壓易導(dǎo)致碾壓桶陷入混凝土中，并粘結(jié)上部分混凝土，影響混凝土整體平整性，進(jìn)而監(jiān)測強(qiáng)度量值降低。

圖4 無振動(dòng)碾壓后混凝土強(qiáng)度變化曲線

2.2 拉模工藝

圖5 為溢流面上混凝土拉模施工模擬圖。從圖5 可以看出，拉模施工由于涉及到鋼筋安裝以及混凝土裂縫的處理，考慮鋼筋網(wǎng)架間距對拉模工序中控制混凝土裂縫產(chǎn)生很有必要，因而依據(jù)BIM 技術(shù)多次模擬測試發(fā)現(xiàn)，同一鋼筋混凝土強(qiáng)度等級下，當(dāng)溢流面上鋼筋網(wǎng)架控制間隔為0.4m時(shí)，施工工期最短。鋼筋網(wǎng)架模擬結(jié)果如圖6 所示。另外，根據(jù)拉模施工工藝模擬得知，混凝土表面抹灰的砂漿強(qiáng)度與混凝土抹灰面積相匹配時(shí)，可抑制混凝土拉模之后強(qiáng)度降低速率。

圖5 溢流面上混凝土拉摸施工模擬

圖6 施工工期與拉模速率

2.3 特殊混凝土品種施工工藝

該壩體工程中所用特殊混凝土品種為變態(tài)性混凝土，模擬該類型混凝土施工工藝如圖7 所示。從圖7 中可看出，該特殊品種混凝土碾壓時(shí)應(yīng)考慮模板距離。模擬試驗(yàn)表明，以距離50cm 處混凝土開始不進(jìn)行碾壓。在后續(xù)工序中，還進(jìn)行了混凝土攪拌以及振搗。通過模擬試驗(yàn)獲得了碾壓與振搗在特殊品種混凝土中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，可為后續(xù)工程施工提供重要參考。

3 BIM 技術(shù)應(yīng)用效果評價(jià)

為評價(jià)BIM 技術(shù)在重力式混凝土大壩中進(jìn)度模擬及施工控制中的應(yīng)用效果，引入APH 評價(jià)方法，對整個(gè)BIM 應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評價(jià)。

3.1 指標(biāo)權(quán)重及模糊矩陣

將BIM 技術(shù)應(yīng)用效果評價(jià)分為3 個(gè)一級指標(biāo)和11 個(gè)二級指標(biāo)。一級指標(biāo)包括工程進(jìn)度計(jì)劃指標(biāo)A1、進(jìn)度控制實(shí)施指標(biāo)A2、進(jìn)度實(shí)施效益指標(biāo)A3。每個(gè)一級指標(biāo)下都包含二級指標(biāo)，例如進(jìn)度實(shí)施效益指標(biāo)就包括經(jīng)濟(jì)效益B31、社會效益B32、環(huán)境價(jià)值B33。

BIM 技術(shù)應(yīng)用綜合評價(jià)指標(biāo)Q包括的一級指標(biāo)權(quán)重值分配為：

各一級指標(biāo)所包含的二級指標(biāo)分配權(quán)重值分別為：

指標(biāo)權(quán)重矩陣歸一化處理公式如下：

圖7 特殊混凝土施工工藝

按照特征值代替矩陣計(jì)算原則，獲得矩陣B的特征值為：

式（6）中，（BW）i指矩陣中第i個(gè)元素；λmax指最大特征根值。以特征值作為各級指標(biāo)中的子元素，整理得到各級模糊指標(biāo)R1……Rn的模糊關(guān)系矩陣表達(dá)式：

最終獲得評價(jià)矩陣為：

依據(jù)上述模糊矩陣?yán)碚摚瑢υ撝亓κ酱髩蜝IM技術(shù)應(yīng)用效果開展調(diào)查，評價(jià)效果分為優(yōu)、良、中、及格、差5 個(gè)等級，分別對每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行打分，最終獲得各個(gè)指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣為：

3.2 綜合評價(jià)

按照模糊關(guān)系矩陣計(jì)算理論，以單因素評分與權(quán)重值分配作為評價(jià)分值，獲得綜合評價(jià)分值。一級指標(biāo)分配值由二級指標(biāo)決定，分別為：

最終將一級指標(biāo)權(quán)重分配值與所得指標(biāo)分結(jié)合運(yùn)算，獲得綜合評價(jià)Q 為：

以得分最大值為評價(jià)隸屬度的原則可知，BIM技術(shù)應(yīng)用效果分?jǐn)?shù)最高為0.424，“良”等級，故該重力式大壩BIM 技術(shù)應(yīng)用效果為“良”。一級指標(biāo)中工程進(jìn)度計(jì)劃指標(biāo)得分最高值為0.559，評價(jià)效果為“良”；進(jìn)度控制實(shí)施指標(biāo)得分最高為0.501，應(yīng)用效果為“優(yōu)”；進(jìn)度實(shí)施效益指標(biāo)最高得分為0.455，評價(jià)效果為“良”。由此可看出，BIM 技術(shù)在該重力式大壩施工控制及進(jìn)度調(diào)控中均具有良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

針對某重力式大壩工程施工，利用BIM 技術(shù)建立分析模型，開展施工模擬，調(diào)控進(jìn)度計(jì)劃，優(yōu)化施工指標(biāo)，并引入AHP 評價(jià)方法分析BIM 技術(shù)應(yīng)用效果，得出以下結(jié)論：

（1）利用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工模擬，獲得了大面積混凝土碾壓平層施工工藝及技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)模擬對比獲得混凝土標(biāo)準(zhǔn)層無振動(dòng)碾壓次數(shù)為3 次；溢流面上拉模施工鋼筋網(wǎng)架間距為0.4m 時(shí)施工工期最短；特殊品種混凝土以變態(tài)性混凝土開展了模擬施工。

（2）引入AHP 評價(jià)方法劃分出BIM 技術(shù)應(yīng)用效果一、二級指標(biāo)，并計(jì)算出模糊關(guān)系矩陣，最終獲得綜合評價(jià)最高分值為0.424，評價(jià)效果為良；工程進(jìn)度計(jì)劃指標(biāo)評價(jià)效果為良，進(jìn)度控制實(shí)施指標(biāo)評價(jià)效果為優(yōu)，進(jìn)度實(shí)施效益指標(biāo)評價(jià)效果為良；BIM 技術(shù)整體具有良好的應(yīng)用效果。