基于建筑信息模型（BIM）的三維協(xié)同設(shè)計在施工組織設(shè)計中的應(yīng)用

錢鶴軒

摘 要：建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)是水利工程行業(yè)近年興起的一種先進的設(shè)計手段。它改變了傳統(tǒng)的二維設(shè)計方式，基于成熟的三維數(shù)字技術(shù)，利用各類設(shè)計軟件，將工程設(shè)計思路和成果全階段以三維動態(tài)方式呈現(xiàn)。在設(shè)計初期，它直觀準確地進行全方位方案比選，設(shè)計中期精準設(shè)計選定方案，設(shè)計后期自動生成各類圖紙及動態(tài)展示成果。BIM技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了管理、設(shè)計效率及設(shè)計成果的準確率。本文針對施工專業(yè)，從設(shè)計流程和軟件應(yīng)用方面出發(fā)，闡述BIM技術(shù)在具體設(shè)計中的應(yīng)用和取得的簡單成果，以期為類似項目提供參考。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型協(xié)同設(shè)計;施工組織;三維數(shù)字技術(shù)

Abstract： BIM Technology is an advanced technology rising in the water conservancy industry in recent years. It is an engineering data model based on three-dimensional digital technology， integrating various related information of construction projects. BIM is a digital expression of the entity and functional characteristics of engineering projects. In the early stage of design， it intuitively and accurately compares and selects all-round schemes， accurately designs and selects schemes in the middle stage of design， and automatically generates various drawings and dynamic display results in the later stage of design. The application of BIM technology has greatly improved the efficiency of management and design， as well as the accuracy of design results. This paper only describes the application and simple results in specific design from the aspects of design process and software application for construction specialty， hoping to have reference value in similar projects.

Keywords： BIM collaborative design; construction organization; three-dimensional digital technology

1 工程簡介

天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程從長江流域的永寧河一級支流白家河引水，為黃河流域天水市秦州區(qū)、麥積區(qū)城市生活生產(chǎn)供水，年供水量為4 526萬m3。工程主要由曲溪水庫樞紐、引水系統(tǒng)和管道電站組成。水庫總庫容為7 782萬m3，最大壩高80 m，引水隧洞長21.64 km，引水管道長2.117 km，調(diào)蓄水池容積18萬m3，電站裝機1 000 kW。工程總投資21.3億元，建設(shè)工期39個月。

2 設(shè)計流程及軟件應(yīng)用

基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的三維協(xié)同設(shè)計是以三維數(shù)字為核心，利用各類成熟的三維設(shè)計原件對項目的基礎(chǔ)資料、各種相關(guān)信息及數(shù)字模型進行整合、模擬，從而精確實現(xiàn)設(shè)計意圖。BIM技術(shù)是對工程設(shè)計思路從宏觀整體展示到微觀具體設(shè)計的過程。一個完整的設(shè)計模型可以連接設(shè)計過程中每個階段的參數(shù)及設(shè)計成果，在設(shè)計過程中實現(xiàn)多專業(yè)聯(lián)動和信息成果共享，從而提高工作效率和成果的精確度。

BIM技術(shù)在施工專業(yè)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，與地質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)成果的聯(lián)動，確定合理的施工方案;另一方面，與水工、金屬結(jié)構(gòu)、水機專業(yè)中間成果的聯(lián)動及方案的合理性分析，從而給概算專業(yè)提供較為準確的投資估算基礎(chǔ)資料。施工專業(yè)BIM設(shè)計是與不同專業(yè)設(shè)計之間的信息共享，也是各專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計，是一個聯(lián)動、試算的過程[1]。

2.1 設(shè)計軟件

天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程BIM協(xié)同設(shè)計采用Autodesk平臺系列軟件Civil 3D、Inventor、Revit、Infraworks、Navisworks及CAD等，基于Vault三維設(shè)計協(xié)同平臺實現(xiàn)成果交互和實時高效的協(xié)作。它包括勘測子系統(tǒng)、樞紐子系統(tǒng)、引水工程子系統(tǒng)、電站廠房子系統(tǒng)，涵蓋勘測、水工、建筑、金結(jié)、水機、電氣以及施工等多個專業(yè)?；谌S設(shè)計協(xié)同平臺進行成果交互和實時高效的協(xié)作，模型精度達到了初步設(shè)計階段的應(yīng)用要求，實現(xiàn)了三維設(shè)計建模和三維動態(tài)切圖、抽圖、碰撞檢查、三維配筋、可視化展示等BIM應(yīng)用。

2.1.1 常用軟件。施工專業(yè)常用的設(shè)計軟件主要有Civil 3D和Infraworks。

①Civil 3D。Civil 3D基于三維可視化基本功能，可以清晰傳達設(shè)計意圖;借助軟件的動態(tài)更新功能，可以高效評估多個方案，從中選擇最優(yōu)方案;提高了設(shè)計精準度，有助于減少錯誤和遺漏。Civil 3D主要用于細節(jié)設(shè)計過程，可以精確模擬建筑物的三維結(jié)構(gòu)，與地質(zhì)專業(yè)提供的資料相結(jié)合，可以準確計算各類工程量，最終抽取各類二維、三維施工圖紙[2]。

②Infraworks。Infraworks主要實現(xiàn)建筑物和真實自然環(huán)境的概念設(shè)計，以便進行模擬、分析和可視化。它主要創(chuàng)建施工場地、臨建設(shè)施等基礎(chǔ)模型，完成各方案間的初步比選，實現(xiàn)中間成果與Civil 3D的聯(lián)動，同時在設(shè)計初始階段進行動態(tài)設(shè)計和及時優(yōu)化，以提高設(shè)計效率[3]。

2.1.2 軟件應(yīng)用。Civil 3D和 Infraworks軟件的具體應(yīng)用如下所示。

①施工總體規(guī)劃。借助Infraworks直觀、簡潔的三維動態(tài)展示功能，可利用線路漫游初步確定施工場地、臨建布置方案的可行性，并進行多方案比選。初選方案可與Civil 3D聯(lián)動，從工程量和投資的角度進行優(yōu)化，從而確定推薦方案進行精確設(shè)計[4]。

②施工導(dǎo)流。確定方案后，利用AutoCAD Civil 3D對擋水圍堰、隧洞、明渠等導(dǎo)流建筑物結(jié)構(gòu)進行三維建模設(shè)計，確定準確的導(dǎo)流設(shè)計方案計算工程量，繪制相關(guān)施工圖紙，且計算成果可與Infraworks聯(lián)動，動態(tài)展示施工專業(yè)成果。

③臨時交通?？衫肐nfraworks和AutoCAD Civil 3D地形處理技術(shù)以及道路路線、場地放坡等功能，通過模型裝配快速生成動態(tài)道路挖填曲面，從而計算道路準確工程量，最終達到動態(tài)視頻演示和施工圖紙繪制的效果。

④渣場與料場布置。初期利用Infraworks進行整體規(guī)劃布置，初選成果可在Civil 3D中以數(shù)字地面模型為基礎(chǔ)，利用放坡、場地等功能，快速實現(xiàn)復(fù)雜地形多級挖填方的渣場、料場可視化設(shè)計，并準確計算工程量，繪制詳細的施工圖紙。

⑤施工工廠。施工工廠模型包含場地模型和工廠三維模型。Autodesk Inventor參數(shù)化定義造型復(fù)雜的施工機械設(shè)備，聯(lián)合Infraworks實現(xiàn)準確的施工設(shè)施部署。

⑥營地布置。利用軟件中的各類臨建模型在選定的場地中進行設(shè)計，其中場地區(qū)域及選址可在Infraworks進行二維規(guī)劃，多方案比較后再進行三維信息化和可視化建模，以快速實現(xiàn)施工生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)等的布置，實現(xiàn)設(shè)計意圖[5]。

2.2 施工專業(yè)三維設(shè)計流程

Civil 3D和Infraworks設(shè)計軟件為施工專業(yè)三維設(shè)計的基本軟件。Infraworks前期動態(tài)模擬設(shè)計，后期成果動態(tài)展示。Civil 3D中期精確設(shè)計，后期出圖。根據(jù)軟件的這些特點，施工組織三維設(shè)計流程如圖1所示。

2.3 BIM設(shè)計在施工專業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢

將地層巖性、材料特性、力學(xué)參數(shù)以及設(shè)計屬性等信息，利用BIM技術(shù)增加三維模型的集成信息，使部分設(shè)計構(gòu)件成為智能實體，充分發(fā)揮BIM技術(shù)在施工組織設(shè)計中的優(yōu)勢，包括施工工藝模擬、施工現(xiàn)場管理模擬、與施工進度相結(jié)合的施工過程模擬以及與概預(yù)算相結(jié)合的成本模擬分析等。

2.4 施工專業(yè)與概算專業(yè)的BIM聯(lián)動

水利工程有地質(zhì)條件復(fù)雜、不可預(yù)見性強、投資大、施工難度高及建設(shè)周期長等特點。

二維設(shè)計過程中，各專業(yè)之間協(xié)同、聯(lián)動性差，且無法直觀從圖紙上展示設(shè)計的實際效果。因此，工程量計算準確率較低，會出現(xiàn)投資不足或浪費等現(xiàn)象。基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計和協(xié)同設(shè)計技術(shù)，可從流程設(shè)計中由施工專業(yè)模擬出較為可行且精準的施工方案，從而提供給概算專業(yè)一個相對準確的概算單價編制基礎(chǔ)資料，使整個工程投資的計算基礎(chǔ)相對準確可靠。此外，在共享協(xié)同設(shè)計平臺上可利用其各專業(yè)的聯(lián)動性，隨時更新因設(shè)計修改產(chǎn)生的工程量變化信息，并與自身概算成果產(chǎn)生聯(lián)動。不僅可以大大提高工作效率，還可以有效減少因各專業(yè)協(xié)調(diào)而產(chǎn)生不必要的設(shè)計誤差[4]。

通過將更多的非幾何信息如價格參數(shù)、市場信息及價格變化因素集成到三維模型，可以從工程造價的角度進行施工工藝或項目方案的比選，有效減少設(shè)計變更，使工程投資更加準確、合理。

3 簡要設(shè)計成果展示

3.1 施工營地布置

施工工廠模型包含場地模型和工廠三維模型，利用Autodesk Inventor參數(shù)化定義造型復(fù)雜的施工機械設(shè)備，聯(lián)合Infraworks實現(xiàn)準確的施工設(shè)施部署。施工營地布置如圖2所示。

3.2 施工規(guī)劃

利用Infraworks直觀、簡潔的三維動態(tài)展示功能以及線路漫游等確定施工場地、臨建布置方案。對于擋水圍堰、明渠等導(dǎo)流建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計，可利用AutoCAD Civil 3D進行三維建模設(shè)計，動態(tài)展示施工專業(yè)成果。利用Infraworks和AutoCAD Civil 3D地形處理技術(shù)以及道路路線、場地放坡等功能，實現(xiàn)場內(nèi)交通布置效果[5]。壩址區(qū)施工組織設(shè)計三維總布置圖，如圖3所示。

4 結(jié)語

由于水利行業(yè)的特殊性，每個項目會因地質(zhì)條件的不同而使得BIM設(shè)計的難度也不同，導(dǎo)致與地質(zhì)專業(yè)緊密相關(guān)的水工、施工等專業(yè)不能有效進行模塊化和參數(shù)化設(shè)計。隨著各相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，水利行業(yè)也在逐步探索BIM技術(shù)的使用范圍，實現(xiàn)水利專業(yè)與BIM的融合。與BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計，不僅是軟件間的協(xié)同，更是基于BIM技術(shù)的全階段、全方位、全專業(yè)，從設(shè)計到施工再到后期管理、運行、維護的一個資源共享、信息聯(lián)動、高效精準的大協(xié)同。

參考文獻：

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