水利水電工程施工建筑信息模型應用探索

李 宗 宗， 孟 凡 朋， 山 繼 紅， 林 思 學

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱BIM)技術肇始于房建項目，目前其應用最成熟、市場最完善的行業(yè)也是房建工程。而水利水電工程以其復雜的地形、地質(zhì)、場地、道路、水文等外部條件和結(jié)構復雜、個體差異大、專業(yè)類別多、標準化程度低等結(jié)構特點，在應用BIM技術方面存在較大難度。

結(jié)合自身實踐，在水利水電工程施工過程中對投標、方案規(guī)劃與編制、現(xiàn)場實施、工程完工后的工程量結(jié)算、總結(jié)、移交等階段對BIM技術的應用進行了研究和探索，以尋找提高水利水電工程管理水平的途徑和方法。

2 軟件及平臺的選擇

目前整個建筑業(yè)市場BIM技術正處于上升期。在歐美國家，BIM技術的應用已較為普及，而國內(nèi)的應用也大都需要用到Autodesk、Bentley、Catia等歐美國家公司的核心技術產(chǎn)品。在我國，BIM技術方興未艾，廣聯(lián)達、魯班等軟件公司推出了一系列建模軟件和平臺軟件，理念提升、技術迭代、版本更新速度讓人應接不暇。同時，結(jié)合IOT、5G、傳感器、圖像識別、VR、云計算等技術，“BIM以一種‘更智慧’的方法來改進工程各干系組織和崗位人員相互交互的方式”[1]，以提高交互的明確性、效率、靈活性和響應速度。

但就水利水電工程施工而言，BIM應用的實現(xiàn)在沒有有針對性地二次開發(fā)或者深度匹配的前提下更適宜扁平化的管理平臺架構和多軟件協(xié)同操作模式。管理平臺的扁平化一方面要求用于項目管理的廣度覆蓋水利水電工程施工全專業(yè)和全生命周期，包括較房建專業(yè)更特質(zhì)化的地質(zhì)、水文、復雜的地形地貌、地下工程等工程信息處理；另一方面要求平臺兼容信息模型在運行過程中逐步細化和更新，包括結(jié)構尺寸的細化和多專業(yè)的逐步補充和完善。多軟件協(xié)同包括但不限于核心建模軟件，如Autodesk、Bentley、Catia、BIMMAKE等產(chǎn)品、GIS、遙測信息、專業(yè)設備廠家提供的工業(yè)模型、勘測數(shù)據(jù)、通用的建模軟件如SketchUp、Fuzor、Lumion等。

軟件及平臺的應用要點在于如何在現(xiàn)今技術水平和產(chǎn)業(yè)生態(tài)下靈活運用各個軟件和平臺的優(yōu)勢以實現(xiàn)水利水電工程前述特征的管理需求，文中的論述并不限于某一產(chǎn)品，而是從需求出發(fā)，探索實現(xiàn)的可能性和途徑，在實際運用過程中可以靈活取舍、博采眾長，以實現(xiàn)展示效果和管理要求為目的。闡述了在水電工程項目建設過程中各階段對軟件及相關平臺的選擇。

2.1 投標階段

鑒于投標階段時間緊、任務重，工程信息量少、來源單一，因此，BIM的應用以全局展示、場地布局、分析主要結(jié)構和施工順序為主。

水利水電工程的原始地形及土石方工程、道路工程可以用Autodesk Civil 3D進行處理。Civil 3D架構于AutoCAD之上，同時集成了地理信息系統(tǒng)軟件Map 3D，對于CAD圖紙和數(shù)據(jù)的處理相互兼容，“對于處理招標文件提供的CAD圖紙可以直接識別帶高程信息的等高線、點圖元、圖塊等數(shù)據(jù)信息”[2]。帶矢量信息的PDF文件經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后也可以直接識別。識別出的地形數(shù)據(jù)賦值于三角網(wǎng)曲面，可以生成較為詳細的三維曲面模型，

曲面模型是一個單獨的對象模型，可以根據(jù)顯示樣式設置任意顯示為工程設計和規(guī)劃所需要的等高線、邊界、地形點、三角網(wǎng)等信息，并進行高程、坡度、流域、縱斷面、流徑、匯流等分析，加之衛(wèi)星地圖貼圖后顯示為真實的地形地貌模型，最大限度地還原了現(xiàn)場真實情況。在生成的曲面模型基礎上創(chuàng)建出場地模型，其中，利用要素線和放坡工具可以創(chuàng)建出土石方挖填模型，在用該挖填模型生成相對原始地形曲面的挖填曲面后，即可計算出挖填體積、生成挖填方案和斷面圖，并可利用工具進行挖填平衡規(guī)劃。通過曲面剪切，可以生成場地整平挖填后的地形曲面，便于后續(xù)施工布置。

利用路線、裝配和道路等工具相互配合可以進行道路、隧道的設計和規(guī)劃，實現(xiàn)指定路線的挖填放坡、指定起始點的路線規(guī)劃、道路線形擬合、道路設施裝配等功能，所生成的模型可以實時進行駕駛模擬和碰撞分析，生成施工方案、斷面圖和工程量計算。

平整場地后，臨時設施的布置可以采用revit場地布置模塊或廣聯(lián)達場地布置軟件進行設計，可以采用自帶模型庫和云端模型庫，也可以導入草圖大師(SketchUp)的su格式模型，“su模型是主流模型格式，模型來源豐富，可以滿足工程需求”[3]。

投標階段的主體結(jié)構模型采用CAD三維實體或revit模型均可。CAD建模更為靈活，而revit建模更為專業(yè)和規(guī)范，亦便于后續(xù)施工階段的擴展和細化。

對于模型的整合，上述軟件均可實現(xiàn)。SketchUp以其兼容性好、市面上模型組件、專業(yè)插件多、支持格式多、顯示效果豐富等特點值得推薦。

模型的后期渲染展示亦采用Autodesk infraworks、lumion等軟件，可實現(xiàn)實時觀察場景效果，出圖速度快，水景逼真，樹木真實飽滿，后期效果較好。施工模擬動畫采用Autodesk Navisworks、Fuzor等軟件，可實現(xiàn)BIMVR展示、4D施工模擬、施工現(xiàn)場動態(tài)展示和施工機械碰撞檢查等功能。

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下的語文課堂，即在語文課堂教學中通過多媒體設備實現(xiàn)課堂的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)課堂作為一個獨立概念于2000年首次面世，其模式在十年內(nèi)的發(fā)展經(jīng)過四個階段模式，概念—雛形—探索—模式架構。2011年，這種學習模式被Sal?aman Khan教授命名為“Flipped Classroom”。[1]國內(nèi)外對于翻轉(zhuǎn)課堂的實踐研究與理論研究，翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的探討，翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的構建，分別形成了三類體系架構：結(jié)構說，方法說與程序說。其核心要素包含了教學目標、設施條件、理論支撐、運行程序、評價反饋五大要素。

2.2 方案編制階段

項目進場后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況和設計圖紙編制實施階段的施工組織設計和單項施工方案，可以在投標階段的BIM模型基礎上添加實測數(shù)據(jù)和設計細節(jié)，細化模型、優(yōu)化布置、在模型上添加詳細的施工方案、工藝流程、進度計劃、質(zhì)量安全控制要點等，并在此基礎上進行可視化安全技術交底和作業(yè)指導。

在這一過程中，需要提前考慮BIM施工管理過程中水利水電工程的特殊性，特別是發(fā)電廠房具有內(nèi)部結(jié)構復雜、層間高差大、孔洞臨邊多、專業(yè)類別多、建筑物布置復雜等特點，建模之前，就應考慮專業(yè)、分層和流水段的劃分，規(guī)范模型工具和命名規(guī)則，確保后期應用統(tǒng)一規(guī)范。

(1)模型分專業(yè)建立，設定統(tǒng)一的項目原點，包括revit中的項目原點位置和圖紙中(0，0，0)坐標的對應關系，各專業(yè)可獨立建模。對于所對應的各個建筑物，如安裝間、主機間、副廠房等也可單獨建立模型以減少系統(tǒng)資源的占用、分工操作以加快建模速度。在模型建立完成后，可以采用復制或插入鏈接的形式合并模型以形成一個完整的建筑模型進行后期輸出操作。

(2)規(guī)范命名規(guī)則。在分工建模的前提下，需要規(guī)范構件名稱和編號的規(guī)則以方便后期的引用操作。其中包括建筑物的名稱和編號、分層的命名和編號、軸網(wǎng)和標高的命名和編號、具體構件的名稱和編號等。由于其在各個專業(yè)中并不完全一致，因此，提前規(guī)范和明確可以減少后期的混淆和返工。

(3)統(tǒng)一材質(zhì)和貼圖。模型的材質(zhì)將影響到后期工程量的統(tǒng)計和流水段的關聯(lián)，貼圖影響后期模型漫游、渲染的整體效果和質(zhì)量。建模之初統(tǒng)一材質(zhì)有助于加快建模速度并提高模型質(zhì)量。材質(zhì)要根據(jù)項目管理的深度進行統(tǒng)一規(guī)劃，例如混凝土需不需要細分到標號、配合比、級配、坍落度、施作方式、模板類型等，或者按照工程量清單/單價劃分等。細分可以加大管理深度，但會降低模型的容錯性和適配性，增加管理的難度，甚至造成管理脫節(jié)。因此，選擇合理的材質(zhì)深度至關重要。亞曼蘇水利樞紐試運行以結(jié)構類型粗分材質(zhì)，比如混凝土僅劃分為現(xiàn)澆和預制兩種，與項目管理的適配性較好，但項目管理偏于粗糙，因此，可以考慮更細一步按強度標號進行劃分。貼圖應考慮到工程的整體外觀，選定兩種以內(nèi)可以達到較好的出圖效果。

(4)水利水電工程建筑不同于房建項目，其分層和隔間不明晰，BIM建模與軸網(wǎng)和標高的契合度不高。建議采用建立建筑物輪廓線參照軸網(wǎng)、建筑物控制高程如機組安裝高程、尾水管轉(zhuǎn)折點高程參照標高的方法，建模時設置相對標高偏移值的方法可以實現(xiàn)任意結(jié)構快速建模。

(5)鑒于水工建筑物異型結(jié)構較多而無法使用建模軟件默認的柱、梁、板等集成功能，可以采用內(nèi)建模型或外建族予以實現(xiàn)。例如T形梁、牛腿、異型柱等，可以在族編輯器中根據(jù)其結(jié)構特點建立參照平面，利用族編輯器中提供的拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、放樣融合和可以進行布爾運算的空心形狀、幾何圖形運算等建立模型，并將對齊參照平面的圖形要素進行鎖定，而對參照平面間的幾何參數(shù)設置為標簽參數(shù)，將構件間的參數(shù)或同一構件參數(shù)間的邏輯關系或技術要求通過數(shù)學公式進行約束和自動更新。對于重復性結(jié)構或公式曲線設施如球形網(wǎng)架、流道等可以采用Revit自帶Dynamo插件進行可視化編程建模，采用該方法建立的參數(shù)化族在載入到建筑物模型中后，可以根據(jù)設計要求設置結(jié)構的具體參數(shù)以達到快速、準確建模的效果。

(7)發(fā)電廠房最復雜的結(jié)構是機墩風罩，其體型復雜、孔洞多、二期預留多，因此，其建模可以采用內(nèi)建模型進行建模。內(nèi)建模型工具同族編輯器，但可以借用主體結(jié)構的軸網(wǎng)和標高。其建模的主要步驟同建族，孔洞和二期以空心形狀建立，可以保證內(nèi)建模型的整體性和完整性。

2.3 現(xiàn)場實施階段

該階段主要利用BIM 5D平臺以模型為核心“進行項目進度、質(zhì)量、安全、成本等管理”[4]。由于目前該平臺產(chǎn)品主要以房建為主，在水利水電工程中移植應用這些管理工具就需要靈活變通，結(jié)合水工建筑物的特點，以有效實施項目管理為目標，通過拆分、融合某些功能和工具，將管理覆蓋到施工現(xiàn)場的方方面面。

(1)進行項目管理，首先要在模型的基礎上加載流水段的劃分信息。房建的流水段劃分較為明確，其以樓層和分區(qū)為界。而水工建筑物的分層分區(qū)不明晰，需要在建模之初就考慮建筑物的整體施工分層分塊，建立流水段時，按照能全勿缺、寧粗勿模糊的原則，以施工分層和施工縫為界進行流水段的劃分。在將作業(yè)細分到工序的部分，可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況將一個流水段劃分為若干倉號，以犧牲管理細度的代價換回水利水電工程BIM管理的靈活性和準確性。

在此基礎上，對于發(fā)電廠房以外的線性工程，如渠道工程管理中可以按結(jié)構特點劃分為若干個甚至僅為一個大的流水段，在將作業(yè)細分到工序的部分換成按具體分塊或施工縫或班組進行劃分，即可以保證項目管理與現(xiàn)場的準確結(jié)合。

(2)流水段關聯(lián)進度計劃需要將進度計劃按流水段劃分進行相應的細化和調(diào)整。關聯(lián)流水段和相關責任人也可替換為關聯(lián)作業(yè)隊或班組以便于現(xiàn)場靈活管理。關聯(lián)完成后，系統(tǒng)自動將任務下發(fā)給責任人并提醒責任人每天用手機錄入現(xiàn)場對應的施工進展情況，自動在模型上更新進度情況。

(3)在模型準確的情況下，更新進度后平臺即可自動更新工程量、成本、產(chǎn)值等情況。因此而要求現(xiàn)場錄入的數(shù)據(jù)需及時、準確、連貫。

(4)數(shù)據(jù)錄入后，平臺自動生成的日報、周報、月報及其他按人材機分類匯總的現(xiàn)場情況和數(shù)據(jù)分析模型可以直接用于項目管理匯報，為項目決策提供依據(jù)和參考。

(5)質(zhì)量情況以現(xiàn)場用手機錄入的情況為主，在手機端點選關聯(lián)相應流水段和責任人，可以將現(xiàn)場質(zhì)量問題、形象面貌、獎懲等信息直接發(fā)送相關責任人和管理決策層，追蹤責任人進行整改后還會發(fā)送審核人進行驗收審核。對于質(zhì)量的實測實量，可以關聯(lián)智能設備針對圖紙中或操作規(guī)范中的參數(shù)要求進行現(xiàn)場實測實量，實時上傳系統(tǒng)平臺，對實測實量數(shù)據(jù)進行自動統(tǒng)計分析；對于不滿足規(guī)范要求的部位將直接發(fā)送責任人進行整改。

(6)安全情況的錄入與質(zhì)量類似，以手機現(xiàn)場實時錄入安全隱患、安全問題和獎懲的情況為主。另有一項安全的要求是定點巡視，下達任務時生成二維碼，要求責任人定期到現(xiàn)場相應部位進行巡視、掃描二維碼并記錄觀測情況。

(7)成本管理主要采用錄入工程量清單中的單價并關聯(lián)模型后，平臺根據(jù)現(xiàn)場每天實時錄入的進展情況實時更新已完成工程量、發(fā)生成本和產(chǎn)值，生成周期報表和統(tǒng)計分析圖表等。

2.4 工程完工階段

工程完工階段需要提交的成果包括實際完成工程量、結(jié)算報表、完工報告、總結(jié)、工程資料等?；贐IM技術的移交清單包括由BIM 5D實施過程中通過大數(shù)據(jù)分析與提煉得到的“工程量匯總表與產(chǎn)值報表、質(zhì)量報表、安全報表、成品模型效果圖，以及包括全部施工數(shù)據(jù)的數(shù)字工程移交”[5]。

本階段成果在前述階段數(shù)據(jù)完整、操作及時準確的前提下利用平臺算法和機制可直接生成和輸出，為工程完工移交提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 語

通過對水利水電工程施工過程中各階段BIM技術應用的探索可以看出，在水利水電工程施工過程中應用BIM技術具有以下特點：應用該技術需要貫穿其生命周期，循序漸進，逐步細化、環(huán)環(huán)相扣、要求數(shù)據(jù)完整準確；其涉及多專業(yè)、全數(shù)據(jù)支撐，需要多個軟件和平臺匹配、支持，需要各個部門和專業(yè)的人員相互配合、協(xié)作。該項技術的實施，實質(zhì)上是將傳統(tǒng)項目管理集成于模型信息化這一核心上，其應用有利于提高項目的管理水平和信息化程度。因此，在水利水電工程施工中應用BIM技術具有較好的推廣價值和前景。