BIM 技術(shù)在水利圈圍工程施工管理中的應(yīng)用分析

尹 航，李玉龍，吳曉南

（上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

引言

近年來，水上工程呈現(xiàn)出工藝復(fù)雜化、規(guī)模擴(kuò)大化的趨勢(shì)。傳統(tǒng)二維圖紙、沙盤推演等手段，在施工方案編制、總平面布置、進(jìn)度對(duì)比分析中難以直觀的幫助技術(shù)人員深入理解工程，容易引發(fā)設(shè)備調(diào)度混亂、作業(yè)面效率不高等問題。GPS 背包、測(cè)深儀等常規(guī)測(cè)量工具也愈發(fā)體現(xiàn)出其效率的劣勢(shì)，難以精確、快速的反映施工進(jìn)度與成本。

1 水利圈圍項(xiàng)目的工程管理現(xiàn)狀

1.1 項(xiàng)目管理常規(guī)方法和使用的工具

當(dāng)前水利圈圍項(xiàng)目管理體系基于項(xiàng)目管理組織機(jī)構(gòu)創(chuàng)建，以職能部門為管理單元，分配不同管理內(nèi)容。各職能部門對(duì)自身工作內(nèi)容提出最優(yōu)解決方案后，交由項(xiàng)目管理領(lǐng)導(dǎo)班子進(jìn)行決策，并根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)班子意見對(duì)解決方案予以修正或執(zhí)行，是一種對(duì)事務(wù)和問題逐層分解的線性項(xiàng)目管理組織結(jié)構(gòu)，能夠有效解決工程管理重難點(diǎn)問題。

管理過程中，一般運(yùn)用簡單的文字、表格處理軟件，如Word、Excel 等，在處理進(jìn)度計(jì)劃時(shí)，往往應(yīng)用Project 進(jìn)行簡單的橫道圖進(jìn)度計(jì)劃編制。

表1 各類工程管理內(nèi)容的軟件應(yīng)用場(chǎng)景

在施工現(xiàn)場(chǎng)管理方面，現(xiàn)階段水利圈圍工程施工過程控制主要運(yùn)用測(cè)深儀、GPS、全站儀等測(cè)量設(shè)備進(jìn)行相對(duì)精確的水上水下施工質(zhì)量檢測(cè)；少數(shù)需要實(shí)時(shí)、可視化確定施工質(zhì)量的水下工序，一般使用旁掃聲納或超短基線設(shè)備。至于材料管理、安全管理、設(shè)備管理等施工管理重要內(nèi)容，則往往采用更為原始的人力去落實(shí)。

經(jīng)過多年工程建設(shè)檢驗(yàn)，當(dāng)前水上工程管理方法與常用工具能夠切實(shí)有效的對(duì)施工管理各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行把控，解決各類施工重點(diǎn)難點(diǎn)，保障工程建設(shè)按部就班順利推進(jìn)。

但隨著水利圈圍工程行業(yè)的不斷發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)與工藝逐漸復(fù)雜、規(guī)模逐漸增大，傳統(tǒng)管理方法與工具的管理成效逐漸減弱，并愈發(fā)顯現(xiàn)出諸多的不足與局限。

1.2 傳統(tǒng)工程管理的不足與局限

按照不同施工管理環(huán)節(jié)，當(dāng)前水利圈圍工程管理的不足與局限主要體現(xiàn)在以下方面：

1）信息孤島

基于項(xiàng)目管理組織機(jī)構(gòu)設(shè)立的職能部門，在對(duì)各自工作提出最優(yōu)解決方案的同時(shí)，獲取其他管理內(nèi)容信息的能力有限，使得最優(yōu)解決方案并不能兼顧考慮對(duì)其他管理內(nèi)容帶來的影響，同時(shí)給領(lǐng)導(dǎo)班子決策造成困難。質(zhì)量管理人員對(duì)質(zhì)量的追求，會(huì)對(duì)工程進(jìn)度造成影響；進(jìn)度管理人員對(duì)進(jìn)度的追求，會(huì)對(duì)工程質(zhì)量造成影響；而安全管理人員對(duì)安全的追求，會(huì)對(duì)工程進(jìn)度與質(zhì)量同時(shí)產(chǎn)生影響。

再者，隨著工程規(guī)模的逐漸增大，信息孤島效應(yīng)將不斷顯著，造成質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本各個(gè)管理環(huán)節(jié)信息的產(chǎn)生越來越大的隔離，并降低工程管理體系運(yùn)行效率，增加管理人員工作量。

2）可視化困難

水利圈圍工程的結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，工序交叉的現(xiàn)象就越發(fā)增多。對(duì)工程總體施工方案的實(shí)際指導(dǎo)性、施工階段劃分的科學(xué)性、多工作面布設(shè)的合理性、設(shè)備調(diào)遣的準(zhǔn)確性提出了新的要求。

在解決此類問題時(shí)，傳統(tǒng)管理手段主要通過多張平面圖、斷面圖，分階段體現(xiàn)施工平面布置，對(duì)施工管理人員空間想象力與邏輯思維能力要求較高，難以對(duì)擬定的施工總體方案進(jìn)行形象的推演與驗(yàn)算，容易導(dǎo)致不同工序相互影響、設(shè)備調(diào)遣矛盾、不同施工區(qū)域進(jìn)度沖突、多工作面協(xié)同作業(yè)效率低下等一系列問題，顯著降低施工總體方案的實(shí)際指導(dǎo)意義，延誤工程進(jìn)度，產(chǎn)生設(shè)備重復(fù)調(diào)遣費(fèi)用、閑置費(fèi)用等不必要的施工成本。

3）施工成本難以快速反映、統(tǒng)計(jì)精度受限

施工成本控制是施工企業(yè)工程管理的重點(diǎn)，而施工成本準(zhǔn)確控制與測(cè)算，建立在工程量的快速、精確統(tǒng)計(jì)之上。

當(dāng)前水利圈圍工程施工工程量主要依靠工前工后測(cè)量的差值來計(jì)算，計(jì)算效率受測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法限制，計(jì)算誤差多來自測(cè)量設(shè)備精度及選取的計(jì)算方法。

結(jié)合前文，現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)量多使用測(cè)深儀、GPS、全站儀等設(shè)備。水下測(cè)量常用的多波束測(cè)深儀，受船舶航速、涌浪、水溫等多方面因素影響，誤差可達(dá)20～50 cm，對(duì)水下工程量計(jì)算精度帶來極大影響。而在計(jì)算吹填工程量時(shí)普遍使用的方格法，其計(jì)算精度和效率與測(cè)量點(diǎn)密度、單元格大小關(guān)系密切。在計(jì)算大型水利圈圍工程的吹填土方量時(shí)，為保證計(jì)算速度，往往會(huì)犧牲部分計(jì)算精度，選用相對(duì)稀疏的測(cè)量點(diǎn)和較大的單元格，無法兼顧計(jì)算精度，而計(jì)算精度的損失，將進(jìn)一步影響施工管理決策。

除了上述不足與局限之外，傳統(tǒng)水利圈圍工程管理方式還存在材料管理過度依靠人工、工程檔案整理困難。質(zhì)保資料追溯性難以保證、安全管理與船機(jī)設(shè)備調(diào)度難度大等一系列問題，這些問題都需要在企業(yè)精細(xì)化、信息化管理的不斷發(fā)展過程中加以解決。

1.3 現(xiàn)階段行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

近年來，國家對(duì)工程管理精細(xì)化、信息化持續(xù)激勵(lì)與引導(dǎo)，政府行政職能部門對(duì)國有施工企業(yè)信息化管理要求不斷提高，水工建設(shè)市場(chǎng)競爭日趨激烈、企業(yè)管理成本、人工成本逐年增加，建設(shè)單位對(duì)總承包單位工程管理水平的重視程度越來越高，同時(shí)工程規(guī)模不斷增加，施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員對(duì)信息化管理的需求也持續(xù)提高。諸多原因，致使水工施工企業(yè)必然去尋求一種更加高效、更能提升公司工程管理水平、增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力、促進(jìn)提質(zhì)降本增效工作不斷落實(shí)的新型工程管理手段。

2 采用BIM 作為工程管理手段

BIM，建筑信息管理，是在信息化時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生的新型工程管理理念，旨在利用三維建筑模型搭載工程信息，直觀反映工程情況，提升大型工程管理效率，最終實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程不斷增值，為使用者帶來時(shí)間、成本等多方面效益。

BIM 技術(shù)在西方經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，能夠完善覆蓋建設(shè)工程全生命周期，尤其是在建筑、橋梁、隧道及管線方面，擁有多家軟件公司提供深入開發(fā)的成套軟件，為工程建設(shè)服務(wù)。

在水利圈圍工程領(lǐng)域，BIM 的應(yīng)用目前還處于初步階段。受水上工程特點(diǎn)約束，如建筑形狀、軸網(wǎng)不規(guī)則，受水下地形起伏影響較大，施工進(jìn)度受自然條件影響顯著等，BIM 技術(shù)應(yīng)用推廣相對(duì)緩慢。

但在不斷的嘗試與摸索中，技術(shù)人員緊密結(jié)合工程建設(shè)需要，從前期規(guī)劃布置及總體施工方案的編制、工程量計(jì)算與快速反映、信息孤島消除及工程管理信息強(qiáng)化三個(gè)方面展開了BIM 技術(shù)在水利圈圍施工管理中的應(yīng)用研究，并對(duì)研究結(jié)果展開分析，得到了符合預(yù)期、能夠體現(xiàn)BIM 技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的對(duì)比結(jié)果。

3 BIM 在水利圈圍施工管理中的應(yīng)用

3.1 前期規(guī)劃布置及總體施工方案

1）案例一：

長興潛堤后方灘涂圈圍工程（以下簡稱長興潛堤工程）位于長興島東南角，工程圍堤堤身結(jié)構(gòu)均采用袋裝砂斜坡堤型式，堤線全長3 277.07 m，總?cè)娣e1 666.68 畝。工程平面布置如圖1。

圖1 優(yōu)化前平面布置

長興潛堤工程工期緊張，圍堤施工與吹填作業(yè)需同時(shí)進(jìn)行，圍內(nèi)外交叉作業(yè)頻繁，且水深條件受限，施工船舶作業(yè)空間不足，船機(jī)設(shè)備調(diào)遣頻繁，需要采用科學(xué)的總體施工布置與多工作面布設(shè)，消除多項(xiàng)工序同時(shí)施工造成的相互影響，避免船機(jī)設(shè)備重復(fù)調(diào)遣造成的施工成本提升。

為解決長興潛堤工程施工難點(diǎn)，施工前，技術(shù)人員利用BIM 理念，按照工程圖紙、船舶圖紙建立1:1 三維模型。通過BIM 軟件可視化的擺放船舶設(shè)備模型、調(diào)整施工作業(yè)面，合理確定施工作業(yè)面布設(shè)位置，優(yōu)化-3.0 m 以上堤身填筑方案為對(duì)拉施工，根據(jù)水深三維水下地形科學(xué)確定絞吸船泥面加深位置（圖2），為工程順利推進(jìn)奠定基礎(chǔ)；施工過程中，利用BIM 技術(shù)使進(jìn)度管理形象化（圖3），迅速確定進(jìn)度影響因素。

圖2 優(yōu)化后平面布置

圖3 進(jìn)度管理形象化示意圖

2）案例二：

南匯東灘促淤二期工程（以下簡稱“南匯二期工程”）位于浦東機(jī)場(chǎng)外側(cè)促淤區(qū)以南的沒冒沙水域，以及大治河延伸段以南-2～-3 m 高程（吳淞零點(diǎn)為基準(zhǔn)）以上的南匯東灘灘地。

南匯二期工程堤線全長4 056.678 m，其中堤線南段為1 717.5 m 的透空式六面體筑堤結(jié)構(gòu)，底層塊體全部水平放置并呈梅花形布置，二層及以上則采用質(zhì)心定點(diǎn)、姿態(tài)隨機(jī)安放，上層塊體斜插下層塊體間隙之中筑堤結(jié)構(gòu)段面如圖4。

圖4 透空式六面體筑堤結(jié)構(gòu)斷面圖

該結(jié)構(gòu)為堤頂高程、堤頂寬度、坡比控制，灘地標(biāo)高變化復(fù)雜，塊體尺寸統(tǒng)一而固定，產(chǎn)生了堤頂高程控制困難的問題：當(dāng)灘地高程變化小于塊體尺寸時(shí)，若增加一層塊體，則堤頂標(biāo)高太高，帶來過多的施工成本；若減少一層塊體，則堤頂標(biāo)高太低，無法滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整底層塊體擺放的間距，能夠在不改變塊體層數(shù)的同時(shí)，微調(diào)最終斷面堤頂標(biāo)高。

在確定塊體施工方案時(shí)，選取典型段利用BIM 技術(shù)進(jìn)行了形象化的塊體擺放分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灘地高程數(shù)據(jù)，將底層塊體縱橫間距按照設(shè)計(jì)要求的最大偏差進(jìn)行多種數(shù)據(jù)組合試驗(yàn)，尋求出最佳的底層塊體間距數(shù)據(jù)（圖5）。

圖5 底層間距1.0 m×0.9 m 時(shí)模擬情況

分析過程利用底層塊體縱、橫間距的改變，模擬了共20 余種底層塊體擺放情況，篩選出9 種滿足設(shè)計(jì)要求的底層塊體擺放結(jié)果，并統(tǒng)計(jì)各種方式的塊體使用數(shù)量，揭示了塊體數(shù)量使用最少的情形。

表2 底層塊體擺放情況結(jié)果分析表

最終，利用BIM 技術(shù)模擬的方案成為透空式六面體施工方案，經(jīng)完工后驗(yàn)收和統(tǒng)計(jì)，整體安裝情況順利，工后堤頂標(biāo)高滿足要求，塊體消耗數(shù)量符合預(yù)期，充分體現(xiàn)了BIM 技術(shù)的應(yīng)用意義。

3.2 工程量計(jì)算與快速反映

橫沙東灘圈圍（八期）工程（以下簡稱橫沙八期工程）位于橫沙六、七期北側(cè)，橫沙三期東側(cè)，N23 潛堤西側(cè)，已建促淤壩南側(cè)。主要建筑物包括：圍堤、保灘、吹填、河道、水（泵）閘、施工道路改建等，堤線全長22 509 m，總?cè)娣e6.36 萬畝。

橫沙八期工程吹填土方量巨大，達(dá)14 242.3萬方，每1 %的計(jì)算誤差都會(huì)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，是工程施工成本管理重中之重。因此吹填土方量測(cè)算需要盡可能的準(zhǔn)確，避免測(cè)量手段或計(jì)算方法對(duì)土方量計(jì)算結(jié)果造成的影響。

結(jié)合前沿的無人機(jī)點(diǎn)云測(cè)量技術(shù)，施工管理人員在BIM 軟件中將點(diǎn)云測(cè)量結(jié)果建立為三維工前工后地形模型，根據(jù)實(shí)際需求選取特定區(qū)域計(jì)算吹填土方量。點(diǎn)云算法以微積分為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)方格法用平均高程和插值算法計(jì)算方量完全不同，點(diǎn)云算法高程測(cè)點(diǎn)密度極大，通過工前工后點(diǎn)云數(shù)據(jù)比對(duì)形成空間體，再對(duì)空間體三維數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，精度極高。同時(shí)，技術(shù)人員將其與傳統(tǒng)網(wǎng)格法計(jì)算結(jié)果、吹填船方量進(jìn)行細(xì)致比對(duì)。

表3 土方量計(jì)算結(jié)果比對(duì)表

比對(duì)結(jié)果顯示，傳統(tǒng)方格法計(jì)算方式測(cè)量作業(yè)非常消耗時(shí)間，計(jì)算精度隨著方格減小而增加，實(shí)際算量過程中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)會(huì)隨計(jì)算精度要求增加而加密，進(jìn)一步增加測(cè)量作業(yè)時(shí)間，導(dǎo)致方量計(jì)算效率顯著降低；而點(diǎn)云模型方量計(jì)算數(shù)據(jù)采集使用無人機(jī)進(jìn)行，速度快、精度高，形成數(shù)字化測(cè)量結(jié)果方便下一步計(jì)算處理，全部計(jì)算流程消耗時(shí)間比傳統(tǒng)方格法計(jì)算方式減少了50 %以上，計(jì)算精度也有著3～7 %的顯著提升，且與吹填供砂量相互吻合（圖6、圖7）。

圖6 土方量計(jì)算結(jié)果耗時(shí)比對(duì)

圖7 土方量計(jì)算結(jié)果偏差比對(duì)

通過新型測(cè)量手段與BIM 技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)源頭到計(jì)算方法全過程的快速精確計(jì)算，最大程度的避免了工程量測(cè)算偏差，同時(shí)能以最快速度給出工程量、工程成本情況，為工程成本精確控制提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

4 結(jié)語

本文借助水利圈圍工程實(shí)例，總結(jié)、歸納了傳統(tǒng)施工管理手段的特點(diǎn)和局限，并與BIM 技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，通過多個(gè)鮮明、典型案例的對(duì)比分析，闡明了BIM 技術(shù)在前期規(guī)劃布置及總體施工方、工程量計(jì)算與快速反映、信息孤島消除及工程管理信息強(qiáng)化三個(gè)方面的顯著作用，可歸納為以下四點(diǎn)：

1）采用BIM 技術(shù)模擬施工總體布置，具有直觀、可視化的顯著特點(diǎn)，在大規(guī)模、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水利圈圍工程中應(yīng)用效果顯著，能夠有效提升方案的實(shí)際指導(dǎo)意義；

2）采用BIM 技術(shù)對(duì)新型透空式六面體堤身結(jié)構(gòu)展開研究，能夠直觀、形象的確定施工安裝方案，有效確保施工質(zhì)量滿足圖紙要求，同時(shí)控制塊體用量；

3）采用BIM 技術(shù)分析土方工程量，在大型吹填工程中效果顯著，可快速反映吹填工程量，同時(shí)確保計(jì)算精度與傳統(tǒng)測(cè)量方式相當(dāng)；

4）采用BIM 技術(shù)建立施工信息模型，在大規(guī)模水利圈圍工程中應(yīng)用，能夠打通各管理部門的消息閉塞，給施工管理中各項(xiàng)決策的制定提供全方位的依據(jù)。