基于BIM的船閘工程研究與應(yīng)用

周欽，陳虹宇，劉永勝

（1.湖南省水運投資集團有限公司，湖南 長沙410004；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南 長沙410200）

水運運輸是經(jīng)濟發(fā)展和往來友好的一種運輸方式，具有運量大、能耗低和污染小等優(yōu)點，也是遠距離大宗貨物的主要運輸手段，符合我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。船閘工程是水運建設(shè)的重要建筑物，是一個集項目決策、設(shè)計、施工、運營等的系統(tǒng)工程，目前國內(nèi)大部分船閘工程項目仍沿用傳統(tǒng)的設(shè)計方式和管理理念，存在滯后性、溝通傳遞效率低、數(shù)據(jù)統(tǒng)計效率和利用率不高、信息管理不規(guī)范等問題。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是隨著計算機發(fā)展而衍生的一種全新理念和技術(shù)，越來越受到國內(nèi)外學者和業(yè)界的普遍關(guān)注，也是未來工程建設(shè)項目信息化發(fā)展的趨勢。在船閘工程的設(shè)計、施工、信息化管理中創(chuàng)新BIM 技術(shù)的應(yīng)用研究，對優(yōu)化施工組織提升施工效率、控制建設(shè)成本、提高決策效率和設(shè)計質(zhì)量具有重要意義。

1 BIM 信息集成與協(xié)同

在土木工程領(lǐng)域中，項目建設(shè)過程由諸多利益方共同參與，并通過相互配合，合理組織追求各自利益最大化并完成建設(shè)目標，整個過程體現(xiàn)協(xié)同思想。但由于土木工程項目一般都具有復(fù)雜性、一次性、建設(shè)周期長等特點，各參與方的協(xié)同工作在實際中并沒有落到實處，亟需技術(shù)與管理上的創(chuàng)新將“協(xié)同”貫徹項目全壽命周期。船閘工程項目持續(xù)時間長，建設(shè)過程中產(chǎn)生大量的信息。為有效解決傳統(tǒng)信息交流方式落后、效率低、信息失真、不能有效共享等弊端，BIM 技術(shù)則可以將船閘工程項目信息及各種數(shù)據(jù)進行收集、匯總和存儲，克服目前土木工程建設(shè)行業(yè)信息管理中存在的問題?；贐IM 理念的搭建的協(xié)同工作框架如圖1所示。

圖1 基于BIM 理念的協(xié)同工作信息傳遞圖

基于圖1BIM 理念下協(xié)同工作信息傳遞圖，結(jié)合船閘工程建設(shè)全壽命周期各階段工作及BIM 模型功能，構(gòu)建圖2所示BIM 協(xié)同工作框架。

圖2 BIM 協(xié)同工作框架

2 基于BIM 的船閘工程管理系統(tǒng)設(shè)計及其優(yōu)勢

船閘工程管理系統(tǒng)可以對項目進行綜合的全過程管理，且可以保存行業(yè)主管單位在工程建設(shè)中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，使行業(yè)主管單位、建設(shè)單位實時了解工程造價的綜合信息，實現(xiàn)參加“四方”（行業(yè)主管單位、建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位）業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化及規(guī)范化管理，可以大大提高業(yè)務(wù)交流效率，減少審批時間，對工程造價進行實時監(jiān)控，使項目管理水平更高效且透明。

該系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)模塊包含合同管理、投資控制、工程變更、質(zhì)量管理、計劃與進度、安全管理、綜合查詢、現(xiàn)場管理、系統(tǒng)管理等模塊，系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 基于BIM 的綜合協(xié)同管理平臺

基于BIM 的綜合協(xié)同管理平臺，能大大提高項目管理效率，實現(xiàn)“三控兩管”，相比傳統(tǒng)的管理模式和設(shè)計方式，基于BIM 的綜合協(xié)同管理平臺與設(shè)計方式優(yōu)勢明顯，管理模式上信息傳遞方式優(yōu)，信息以三維形式進行傳遞；數(shù)字信息集成到BIM 協(xié)同管理平臺，構(gòu)成信息化現(xiàn)場，信息傳遞效率高、信息傳遞準確、信息實時共享。設(shè)計方式上三維設(shè)計模式，面向?qū)ο笤O(shè)計，設(shè)計結(jié)果可視化；各設(shè)計專業(yè)可協(xié)同設(shè)計，可進行復(fù)雜的工程計算；在協(xié)同設(shè)計模式下，設(shè)計質(zhì)量與效率高。

2.1 基于BIM 的船閘工程協(xié)同管理云平臺構(gòu)建

基于BIM 技術(shù)的船閘項目協(xié)同平臺綜合管理信息可分為宏觀信息與微觀信息。以船閘工程造價管理為例，宏觀信息是指對工程造價的管理活動特征進行全局描述。微觀信息是指對工程造價的管理活動情況和特征進行微觀描述。兩類工程造價信息表現(xiàn)的特征明顯不同：前者綜合管理面更大，信息綜合性和概括性更強；而后者信息量更大，時效性更強。整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是通過Internet 將行業(yè)主管單位、項目公司、監(jiān)理單位、承包單位網(wǎng)絡(luò)連為一體，實現(xiàn)互聯(lián)互通和雙向數(shù)據(jù)交換。

2.2 船閘工程的優(yōu)化設(shè)計

船閘主體結(jié)構(gòu)是船閘工程設(shè)計的基礎(chǔ)，同時是船閘工程設(shè)計的重點和難點，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞對航行安全起到至關(guān)重要的作用，金屬結(jié)構(gòu)也至關(guān)重要，是船閘通航效率、安全、質(zhì)量及能源效益的基礎(chǔ)保障，運用BIM 技術(shù)對大源渡二線船閘上閘首、下閘首、閘室、導(dǎo)航墻等主體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，將消防泵房的布置位置從船閘控制房地下室優(yōu)化調(diào)整至上游中洲側(cè)進水墻，同時對進水墻的魚道的位置進行設(shè)計優(yōu)化，上游輔導(dǎo)航墻墻底高程抬高至與主導(dǎo)航墻側(cè)進水墻及上閘首一致。運用BIM 模型對大源渡二線船閘人字門和啟閉設(shè)備進行了統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計。通過采用BIM 技術(shù)明顯提升了船閘結(jié)構(gòu)的設(shè)計深度和設(shè)計質(zhì)量。基于BIM 技術(shù)的船閘主體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 上閘首和人字門總體結(jié)構(gòu)

2.3 船閘輸水廊道布置優(yōu)化

輸水廊道是船閘工程的重要組成部分，輸水廊道的設(shè)計對于船閘主體結(jié)構(gòu)、通航功能實現(xiàn)以及工程外在質(zhì)量有著十分重要的意義，通過精細化設(shè)計合理、規(guī)范、有效的布置將有助于全面提升船閘工程的整體施工建設(shè)水平。

大源渡二線船閘輸水廊道的結(jié)構(gòu)屬于異形結(jié)構(gòu)，曲面多且不規(guī)則，為了各施工環(huán)節(jié)交流通暢、理解一致和保障工程質(zhì)量，僅依靠二維CAD 圖紙很難實現(xiàn)。而基于BIM 技術(shù)，可以對船閘水廊道進行三維實體建模，且直接標注尺寸，讓各施工環(huán)節(jié)人員直觀地看到水廊道的形成、尺寸和鏈接關(guān)系等，大大提高了交流溝通效率和減小了理解偏差，實現(xiàn)了船閘輸水廊道復(fù)雜多曲面異形空間設(shè)計，如圖5。

圖5 輸水廊道整體結(jié)構(gòu)

3 基于BIM 的船閘工程4D 施工模擬

基于三維建筑信息模型BIM，增加時間（進度）維度，就行形成BIM 4D 模型的信息化技術(shù)。BIM 4D 施工模型首先是在綜合考慮施工總體目標、資源條件限制及WBS 任務(wù)分解的基礎(chǔ)上，利用BIM 3D 施工模型成果，將BIM 技術(shù)融入工程項目的工作時間估算、施工資源配置等過程，編制施工進度計劃。通過BIM 3D 施工模型與進度計劃對應(yīng)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)工程施工過程的4D 可視化表達。

3.1 BIM 3D +Project 的4D 建模

依據(jù)大源渡二線船閘工程項目施工組織方案、施工合同、施工進度目標、工作分解結(jié)構(gòu)以及勞動力、機械設(shè)備、材料的供應(yīng)狀況等有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟資料，確定工作各階段的時間節(jié)點、先后次序、邏輯關(guān)系以及持續(xù)時間，編制施工進度計劃，流程。在三維信息模型和進度計劃完成的基礎(chǔ)上，運用BIM 4D 相關(guān)軟件，將模型中的建筑構(gòu)件與施工進度計劃的任務(wù)一一匹配及關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)BIM 4D 施工模型的創(chuàng)建。BIM 3D 施工模型與進度任務(wù)鏈接的基本步驟如圖6。

圖6 BIM 4D 施工模型構(gòu)建流程

3.2 進度數(shù)據(jù)創(chuàng)建

在完成BIM 4D 施工模型后，需要根據(jù)項目進度計劃安排，采用項目進度管理軟件Project 創(chuàng)建進度數(shù)據(jù)。依次完成項目信息搜集、確立任務(wù)細節(jié)、定義項目情況、制定作業(yè)進度計劃、繪制項目進度計劃提綱、項目整體的預(yù)判、最后添加資源提高項目進度的精準性和有效性。

3.3 4D 進度模擬

4D 施工計劃模擬的步驟重點包含四點：1.以月、周、天為模擬時間，可以選擇正序模擬或逆序模擬，根據(jù)不同的時間間隔，可以直觀地模擬出整體的施工計劃；2.展示施工進度同時，在軟件上可以隨時對施工時間、日工作量完成情況進行檢查；3.每當施工時間和狀態(tài)調(diào)整后，系統(tǒng)會自動更新進度數(shù)據(jù)庫，并對Project 進度計劃進行相應(yīng)調(diào)整；4.可以通過添加動畫、設(shè)置任務(wù)類型和播放時間來達到更好地反映構(gòu)件的出現(xiàn)效果。以大源渡二線船閘工程為例，對人字門門葉吊裝模擬如圖7。

圖7 人字門門葉吊裝模擬

4 結(jié)論

（1）基于自主研發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)元工程屬性，建立了船閘BIM 綜合管理云平臺，開展了BIM 技術(shù)與船閘工程項目綜合協(xié)同管理應(yīng)用，實現(xiàn)了船閘建設(shè)的“三控兩管”。

（2）于BIM 技術(shù)建立的船閘3D 模型，提高了不同專業(yè)間設(shè)計的協(xié)同性，減少各個部位之間的碰撞，實現(xiàn)船閘工程BIM 可視化協(xié)同設(shè)計，并優(yōu)化了依托工程的設(shè)計。

（3）BIM 模型的基礎(chǔ)上，加入施工進度的維度，形成4D 模型，用于指導(dǎo)工程施工，提高項目進度的精準性和有效性。