水利工程施工中BIM技術(shù)的應(yīng)用探析

徐 燕 王亞薇 劉亞潔

任丘市城鄉(xiāng)供水服務(wù)中心 河北 任丘 062550

21世紀(jì)后，計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)、軟件和信息處理技術(shù)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，2 G技術(shù)逐漸進(jìn)入5G時(shí)代，許多新技術(shù)被廣泛地運(yùn)用到了建筑行業(yè)。隨著施工技術(shù)的發(fā)展，工程項(xiàng)目呈現(xiàn)出越來越多的新特點(diǎn)，比如跨度越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，規(guī)模越來越遠(yuǎn)大?；谄矫鎴D形的平面造型，利用三維圖形進(jìn)行三維立體造型建模比較困難，而平面CAD圖形的平面造型已經(jīng)不能滿足當(dāng)前施工單位之間的工作需求。為了提高建筑的建設(shè)速度，使建筑的3D可視化和BIM仿真技術(shù)得以實(shí)施。

1 BIM技術(shù)特征

利用BIM技術(shù)和一套功能化的技術(shù)，使 BIM技術(shù)可以將所有的信息有機(jī)地結(jié)合起來，以可視化、多維度、多功能的立體模式進(jìn)行顯示。BIM模式可以根據(jù)項(xiàng)目的建設(shè)單位及項(xiàng)目的不同發(fā)展時(shí)期的具體需求，通過各種信息的整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目信息的及時(shí)更新、修改、插入和提取。與常規(guī)CAD繪圖相比，BIM不僅可以進(jìn)行三維的描述，還可以引入其他微觀的管理、成本和時(shí)間等方面的數(shù)據(jù)。

1.1 仿真和最佳化

BIM建模的基礎(chǔ)是對(duì)工程進(jìn)行多方位、全過程仿真，它包含了建筑物或構(gòu)件、平面布置、施工進(jìn)度、施工進(jìn)度和施工管理。采用可視仿真技術(shù)，進(jìn)行工程質(zhì)量的有效控制，從而達(dá)到早期的問題，并對(duì)施工成本、工期和質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)的控制[1]。

1.2 三維效果

通過對(duì)工程的綜合分析，建立了一個(gè)具有完整可視性的四維、三維 BIM模型。在此基礎(chǔ)上，各個(gè)參與單位使用共用的平臺(tái)登陸，能夠?qū)ㄖ锘虿考M(jìn)行形象的可視化，并能及時(shí)高效地進(jìn)行交流，極大地降低了信息傳輸?shù)腻e(cuò)誤，并能在二維、三維轉(zhuǎn)換中，減少建筑或成品、二維圖紙、三維建筑施工等信息的傳輸。

1.3 全過程模擬

只要不改變建模的軟硬件和應(yīng)用規(guī)范，就可以在規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等全過程中采用相同的BIM模式，并根據(jù)不同的需求對(duì)不同的項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)全方位、全過程的仿真設(shè)計(jì)。

BIM技術(shù)是通過一組基于相關(guān)規(guī)范的運(yùn)行程序共同實(shí)施的，從而達(dá)到維護(hù)、管理、施工、設(shè)計(jì)等多個(gè)方面的信息的分享與傳輸。利用 REVIT等軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行建模，經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換和可視化設(shè)計(jì)，最終完成項(xiàng)目的信息集成，成本核算，設(shè)計(jì)模擬，能耗計(jì)算等。

2 水利樞紐建設(shè)特征

2.1 多種因素的作用

由于水文氣象、地形地貌、地質(zhì)條件等諸多自然條件，對(duì)其工程的建設(shè)有很大的作用[2]。

2.2 多個(gè)設(shè)計(jì)單位

水利工程的特點(diǎn)是：生態(tài)環(huán)境，工程技術(shù)，城鄉(xiāng)規(guī)劃，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)政治，財(cái)政金融，居民生活等各個(gè)領(lǐng)域，涉及的行業(yè)和部門也很多，這也是水利工程的一個(gè)重要特點(diǎn)。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

由于水文地質(zhì)條件、氣候條件等諸多原因，對(duì)水工結(jié)構(gòu)的滲透、沖刷、推力、浮力等影響較大，因此，在實(shí)際工程中，往往存在著水文地質(zhì)、氣候等諸多不能精確掌握的條件。

2.4 高質(zhì)量的產(chǎn)品

水利項(xiàng)目建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，輔助性工程多，而且如果發(fā)生事故，造成的經(jīng)濟(jì)后果無法估算，因此對(duì)工程的質(zhì)量提出了更高的要求。

2.5 需要政府參與

由于水利項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)間較短，需要大量的資金，因此，其項(xiàng)目在一定程度上是由政府進(jìn)行的。

3 BIM技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r及優(yōu)越性

3.1 目前的使用狀況

1)缺乏專門的人員

BIM技術(shù)的運(yùn)用不僅需要對(duì)相關(guān)的相關(guān)軟件進(jìn)行熟練的操作，還要將BIM概念與現(xiàn)場(chǎng)的建設(shè)與技術(shù)相融合。但目前在水利工程建設(shè)中，掌握BIM技術(shù)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人才很少見。準(zhǔn)確、迅速的仿真是BIM技術(shù)充分利用的前提條件，但目前BIM技術(shù)的運(yùn)算速率和存儲(chǔ)量都很難達(dá)到工程應(yīng)用的需要。

2) BIM技術(shù)的運(yùn)用還不夠深入

當(dāng)前，我國(guó)大部分建筑企業(yè)對(duì) BIM的整體建模水平還不夠高，只能通過錄入項(xiàng)目信息、輸入CAD繪圖等方法來構(gòu)建BIM模型。BIM技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為圖像的繪制和簡(jiǎn)單的3D模型，其優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)還沒有完全體現(xiàn)出來。

3)目前還沒有完全開發(fā)的軟件體系

水利工程建設(shè)中存在著諸多因素，工程項(xiàng)目中 BIM技術(shù)要求相對(duì)于工程來說更高，但 BIM技術(shù)在水利工程中的運(yùn)用并不顯著，這是因?yàn)槟壳斑€沒有開發(fā)出適用于水利工程的BIM技術(shù)。另外，在實(shí)際運(yùn)用的過程中，各個(gè)模塊的量算、成本模塊的運(yùn)用效率都比較低，盡管模塊已經(jīng)開始運(yùn)用，但是在真實(shí)的計(jì)量計(jì)算中，絕大部分仍然是不能用的。由于我國(guó)目前還沒有建立起與施工相關(guān)的BIM技術(shù)的統(tǒng)一接口和規(guī)范，制約了BIM技術(shù)的互聯(lián)和普及[3]。

3.2 優(yōu)點(diǎn)

與住宅建設(shè)相比，水利建設(shè)施工難度大，相關(guān)專業(yè)多，涉及范圍廣，BIM技術(shù)在我國(guó)的普及比較緩慢。近幾年，BIM技術(shù)在大型復(fù)雜的大型工程和重大工程中逐步得到了廣泛的應(yīng)用，并已初見成效。比如，某研究所運(yùn)用BIM技術(shù)，利用相關(guān)的軟件完成了道路建設(shè)、場(chǎng)地規(guī)劃、測(cè)繪、勘察分析、設(shè)計(jì)、三維造型等工作，并利用三維模型進(jìn)行三維模型的集成和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。BIM技術(shù)使工程的設(shè)計(jì)過程變得簡(jiǎn)單，大大提高了工程建設(shè)的效率。在項(xiàng)目正式開始之前，通過可視化、數(shù)字化的方式，使項(xiàng)目參與方能夠了解項(xiàng)目的每一個(gè)階段，并且收到了很好的結(jié)果。

基于上述的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)整個(gè)工程施工進(jìn)行全面的監(jiān)控，可以保證工程施工的安全、成本、質(zhì)量和進(jìn)度。

1) 建筑結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)與最佳化

在工程施工中，施工單位要與監(jiān)理、業(yè)主、設(shè)計(jì)、材料供應(yīng)商、交通部門、相鄰標(biāo)段施工單位、審批單位等多方配合。此外，非建筑專業(yè)人士很難根據(jù)文字和圖形來描繪出一個(gè)具有三維結(jié)構(gòu)的建筑外形。利用BIM技術(shù)制作的3D建模不僅能夠使產(chǎn)品更具視覺效果，而且可以極大地提高各個(gè)行業(yè)之間的交流。

2) 建筑工程的最佳化

要從根本上改變目前工地的盲目、粗糙的狀況，就需要提高項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)量。利用BIM技術(shù)進(jìn)行工程建設(shè)，可以實(shí)時(shí)地分析工程建設(shè)中的各種問題，并進(jìn)行最優(yōu)的調(diào)試和后期的控制，從而防止工程中的盲目建設(shè)。另外，利用建筑的立體建模技術(shù)，對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的工程區(qū)域進(jìn)行安全交底、技術(shù)交底，能給一線的工程人員提供更為具體、直觀的指示，便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員和工作人員進(jìn)行了解，從而極大地提升了工作的工作效率和交流的效果。

3) 優(yōu)化建筑過程

在項(xiàng)目正式開始之前，將項(xiàng)目的進(jìn)度和過程相結(jié)合，可以將項(xiàng)目的具體情況，以最大限度的減少返工的可能性。

4) 工程建設(shè)的時(shí)間安排

以水利水電工程的3-D BIM建模為例，將工程進(jìn)度規(guī)劃融入到時(shí)間維中，形成4D建模，并將工程量、成本等數(shù)據(jù)融入到5D建模中，使整個(gè)工程建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)都能得到較好的仿真。BIM技術(shù)可使工程節(jié)點(diǎn)得到合理的選擇，并在合適的情況下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

BIM技術(shù)可以對(duì)工程的關(guān)鍵部位進(jìn)行可視性的仿真，對(duì)工程的布局進(jìn)行了科學(xué)的規(guī)劃和布局，對(duì)材料、機(jī)械等的使用進(jìn)行了更直觀的了解。通過碰撞檢驗(yàn)，可以及早地察覺到工程建設(shè)中的沖突和矛盾，從而為工程進(jìn)度、資源和成本的最優(yōu)控制提供有力的保證。

4 BIM技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用

4.1 BIM協(xié)作模型

“奔牛”水利樞紐包括船閘、節(jié)制閘、京杭運(yùn)河立體交叉式地下涵洞、孟九橋等重要建筑，涉及到水工、金屬結(jié)構(gòu)、房建、電氣等多個(gè)領(lǐng)域，其中涉及到多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)人才。Revit中有兩種協(xié)作方式：專案工作集中和連結(jié)檔案。

在 Revit里，工作集中會(huì)把大家的改動(dòng)信息儲(chǔ)存在一個(gè)中心的數(shù)據(jù)包里，然后把別人的改動(dòng)情況及時(shí)的告訴其他的設(shè)計(jì)者，讓他們知道別人的改動(dòng)和改變的效果。可通過工作集輕易地將同一項(xiàng)工作分解到多人的項(xiàng)目中，適用于各行業(yè)的協(xié)作。

連接是將被提交的Revit文檔與中央模塊連接，并利用Revit的沖突檢測(cè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了部件之間的沖突檢測(cè)，適用于不同行業(yè)之間的協(xié)作?？梢詣?chuàng)建私人云或者租賃公用的云計(jì)算，把數(shù)據(jù)中心的文件放置到云端，實(shí)現(xiàn)異地訪問、修改、建模和協(xié)同。

在奔牛水利樞紐建設(shè)中，通過專業(yè)間的工作集合和專家的聯(lián)系，通過一個(gè)企業(yè)的云平臺(tái)，在不同的地方進(jìn)行協(xié)作和技術(shù)支持。

4.2 模式的構(gòu)建與分解原理

施工BIM與工程施工模式不同，必須考慮施工工藝、施工步驟等方面的影響，將其分解和重構(gòu)。模型分割太多會(huì)增加模型工程量，增加中心文件的體積，使得 Revit瀏覽和修改變得卡頓，模型分割太粗，無法滿足施工模擬、質(zhì)量控制和施工管理的要求。一般情況下，BIM的分解應(yīng)按單元、清單和工序綜合考慮。鑒于奔牛場(chǎng)的工程模型數(shù)量眾多，為了建立輕質(zhì)Reivt模型并達(dá)到施工的控制需求，對(duì)分析單元進(jìn)行了分解，以達(dá)到工程仿真和控制的目的。《奔牛水利樞紐工程項(xiàng)目劃分表(調(diào))》中的一些單位工程的名字和編號(hào)，如圖所述。

在 Revit中，整個(gè)建模都是以族類的形式進(jìn)行的，而奔牛的核心工程中，包含的組件很多，相應(yīng)的族類文檔也很多，所以為了便于系統(tǒng)的更改和管理，必須要有特定的族類和實(shí)例。根據(jù)《水利工程建筑信息模型設(shè)計(jì)規(guī)范》DB32/T 3841-2020，“跑牛樞紐人”和“家”的命名準(zhǔn)則，例如：“橋頭_墊層_C25_10cm”；“導(dǎo)向墻_墊層_C25_10cm；“每一種”的名字盡可能是一個(gè)“族譜”，例如：在“地涵”的南側(cè)2#東側(cè)墻體“φ70 cm”的“勁性復(fù)合樁基”是一個(gè)對(duì)應(yīng)的“族譜”，見圖1。

圖1 “奔牛場(chǎng)”協(xié)作工作方式的原始圖片

圖2 奔牛站各子段工程名稱及編號(hào)的分區(qū)

4.3 數(shù)據(jù)的輸入和抽取

BIM在施工過程中必須滿足工程技術(shù)的需求，便于工程的管理，為工程實(shí)施提供全面的服務(wù)。BIM模式必須與有關(guān)的資料進(jìn)行聯(lián)系，以滿足工程建設(shè)的需要。信息量大，輸入的工作量大，信息量小，無法為建設(shè)提供高效的服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)項(xiàng)目的詳細(xì)分析，確定了8項(xiàng)指標(biāo)：1）單位項(xiàng)目的名字；2）單位項(xiàng)目的項(xiàng)目號(hào)；3）項(xiàng)目的開工日期；4）項(xiàng)目竣工的日期；5）建設(shè)竣工日期；6）質(zhì)量檢驗(yàn)資料；7）建設(shè)單位負(fù)責(zé)人；8）注意事項(xiàng)。單位工程的名字、單位的數(shù)量一一與奔牛水利樞紐工程的單位標(biāo)號(hào)一一對(duì)應(yīng)，計(jì)劃開工時(shí)間、計(jì)劃完工時(shí)間、開工時(shí)間、施工完成時(shí)間是施工進(jìn)度和施工過程的管理，施工質(zhì)量檢驗(yàn)資料有利于掌握工程的質(zhì)量，施工負(fù)責(zé)人在施工中出現(xiàn)問題可以追溯。在 Revit中，將專案的參數(shù)設(shè)定為與該模式元件相聯(lián)系。

4.4 建筑仿真

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合 Revit的可視化柔性特性，運(yùn)用 BIM技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)建筑的幾何建模和施工流程，使其實(shí)時(shí)、交互、逼真地仿真，從而驗(yàn)證了現(xiàn)有的施工方案，并能針對(duì)不同的場(chǎng)地和項(xiàng)目特征，制定不同的方案，并進(jìn)行比較和優(yōu)選。

建筑仿真的實(shí)現(xiàn)，大多采用 Navisworks語言。首先將 Revit的綜合模式轉(zhuǎn)換為. nwc，然后將相應(yīng)的模板和工程進(jìn)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后利用 Navisworks中的時(shí)間鏈接來完成。通過仿真，可以精確控制施工進(jìn)度，最大限度的利用資源和場(chǎng)所的合理布局，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度和資源的統(tǒng)一，縮短工期，降低成本，改善產(chǎn)品的質(zhì)量。可以防止由于工程建設(shè)期間缺少資金而造成工程的停頓和拖延。這將有助于工程人員更好地了解和了解工程，降低由于信息傳達(dá)而產(chǎn)生的疏忽或誤會(huì)，從而加速工程建設(shè)的進(jìn)程，提高工程的整體質(zhì)量，從而有助于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)做出迅速的決定[4]。

時(shí)間鏈接也可以通過設(shè)定單位的開始外觀、結(jié)束外觀、提前完工外觀、延遲完工外觀等來顯示工程進(jìn)度和真實(shí)時(shí)間的不同。既能使施工人員能全面掌握整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)度，又能根據(jù)邊界情況對(duì)尚未竣工的單位進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖┕つM和布置。

5 結(jié)論

結(jié)合新孟河奔牛橋工程實(shí)例，對(duì)施工模型建立標(biāo)準(zhǔn)、施工模型族的定名、BIM模型分解標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了細(xì)致的剖析，將施工時(shí)間、施工質(zhì)量與BIM模型進(jìn)行了聯(lián)系，并編寫了 Revit二次施工的施工資料和查詢模塊，以便在施工中對(duì)施工進(jìn)行質(zhì)量和進(jìn)度進(jìn)行控制，完成BIM模型，為進(jìn)一步推廣BIM模型，為進(jìn)一步推廣BIM技術(shù)提供了一定的參考和借鑒。