BIM技術在大中型水閘建設中的全生命周期應用
——以山東省無棣縣黃瓜嶺橡膠壩除險加固工程為例

郝玉偉，梅震偉，任澤儉（.濱州市城鄉(xiāng)水務發(fā)展服務中心，山東 濱州 56600；.山東環(huán)發(fā)工程管理有限公司，山東濟南 5000）

0 引 言

水利工程是國民經濟和社會發(fā)展的重要基礎，水利工程建設質效關系到國計民生。目前，水利工程建設正面臨從人工化、機械化向數(shù)字化、智能化轉型的過程。BIM技術作為新型建筑項目信息化管理技術，在工程建設進度、質量、安全等方面的應用日益廣泛并得到快速發(fā)展，有效提升了工程建設管理質量和效率，是推動建筑業(yè)快速發(fā)展的關鍵所在[1]。目前水利工程建設BIM技術應用尚處于起步階段，雖然在河道工程應用上尚有一定局限性[2]，但是BIM技術在城市供排水管網、灌區(qū)現(xiàn)代化改造等工程中的應用已凸顯其優(yōu)勢[3-4]。在水利工程特別是大中型建筑物工程中，廣泛推廣BIM技術，將推動工程從設計到建設管理形成統(tǒng)一協(xié)同、精細高效的全過程管理，有利于提升水利工程建設智能化水平，促進水利工程建設轉型升級。

1 工程概況

黃瓜嶺橡膠壩除險加固工程（以下簡稱“橡膠壩工程”）位于山東省無棣縣馬頰河中泓線樁號331＋055處，是山東省重點水利工程，主要建設內容是改建攔河閘。工程等別為Ⅲ等，水閘建筑物級別為2級，攔河閘共9孔，每孔凈寬為12 m，設計閘底高程為－3.8 m，正常蓄水位為2.2 m。工程采用平板鋼閘門和雙調點卷揚式啟閉機，兩岸分別布置橋頭堡，閘室為鋼筋混凝土灌注樁基礎。建成后將提高當?shù)胤篮榉莱蹦芰Γ謸躏L暴潮侵襲，保障區(qū)域供水安全，改善交通條件和生態(tài)環(huán)境，有利于保障經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定。

橡膠壩工程被列入山東省第一批水利智能建造試點項目。在工程建設中，基于BIM技術可視化、協(xié)調性、模擬性等特性[5]，進行全專業(yè)協(xié)同數(shù)字化設計；開發(fā)工程智慧建設管理平臺，對工程的圖紙模型、投資、進度、質量、安全、檔案等進行管理，對各構件進行三維模擬控制，細化工程建設施工過程，規(guī)范施工過程。

2 BIM技術在工程建設中的全生命周期應用

2.1 實現(xiàn)數(shù)字化設計

2.1.1 可視化三維建模

采用Revit、Inventor等三維建模軟件對橡膠壩工程進行多專業(yè)三維信息模型建模，模型包括地層、水工結構、建筑結構、金屬結構及電氣系統(tǒng)，利用模型可查看任意專業(yè)、部位、構件的所有角度。模型設置了不同的顯示階段，可以查看施工前、施工期、完建期不同階段模型的情況。在此基礎上對模型進行外觀渲染，結合地理信息系統(tǒng)（Geograjhic Information System，GIS）的地理信息和漫游設計，制作出項目演示視頻。通過視頻可直觀了解項目的地理位置、周邊環(huán)境以及工程實體，視頻也對工程實體進行了拆分演示和講解，生動、形象、真實，能夠使觀看者快速掌握項目整體情況及設計成果。同時可利用BIM技術三維信息模型進行各專業(yè)正向出圖，圖紙的建立相對快捷，可出具軸測圖、透視圖、任意平面及剖面圖，表達形式豐富，有助于審圖者快速掌握結構設計成果。

2.1.2 協(xié)同化設計

采用先分專業(yè)建模再進行鏈接整合的方式進行協(xié)同設計。協(xié)同設計流程，如圖1所示。首先，統(tǒng)一項目基點、空間單位以及平面定位圖。然后，對水工結構和建筑結構進行模型設計建立，其間各個模型可以在關鍵階段互相交付，通過鏈接整合進行校核，金屬結構的單體模型設計、地層及原始地形模型建立同步進行。當水工模型具備初步條件時交付金屬結構專業(yè)，當建筑模型具備初步條件時交付電氣專業(yè)，金屬結構專業(yè)、電氣專業(yè)將收到的模型作為鏈接進行本專業(yè)模型的設計建立，其間根據(jù)水工模型、建筑模型的調整隨時更新鏈接文件。當水工和建筑模型輪廓基本確定后鏈接至地形模型，建立臨時工程模型。最后，將各專業(yè)的模型鏈接整合形成完整的模型文件。各專業(yè)根據(jù)任務建立各自的模型，同步且有序地開展工作，過程中隨時更新鏈接進行互相校核，對設計沖突早發(fā)現(xiàn)早修改，提高了設計效率。

圖1 協(xié)同設計流程圖

2.1.3 碰撞檢查及優(yōu)化

本項目采用Navisworks軟件對專業(yè)自身模型與整合后的總體模型進行了碰撞檢查，并且對檢查結果進行審閱，對報告中的碰撞問題進行分析處理，根據(jù)檢查結果修改、完善模型。各專業(yè)先與結構專業(yè)進行碰撞檢查，調整至無碰撞后，各專業(yè)再兩兩組合進行碰撞檢查，直到調整至無碰撞。建筑專業(yè)和水工專業(yè)模型體量較大，設計過程中初次碰撞檢查結果顯示碰撞點數(shù)量均在200處以上，對各專業(yè)整合的模型進行初次碰撞檢查結果顯示有約30處碰撞點，根據(jù)碰撞檢查結果，逐項對設計進行優(yōu)化。最終剩余碰撞點數(shù)量為個位數(shù)，且均為由于項目精度要求、建模工具功能限制而無法避免的碰撞。

2.2 實現(xiàn)智慧建設管理

2.2.1 施工進度模擬

施工進度模擬依托建立的三維信息模型，運用Navisworks Manage 2021軟件對模型進行集合分類，使用軟件中TimeLiner功能制作施工演示，并形成演示動畫視頻。施工模擬按照實際施工順序和進度計劃控制，對各施工部位賦予時間屬性，進行施工演示，形象、直觀地模擬了施工過程，可查看工期中任意時間點的工程建設情況。

2.2.2 智慧管理平臺運用

基于互聯(lián)網思維，采用大數(shù)據(jù)、BIM等先進信息技術，以自主開發(fā)的智慧施工管理系統(tǒng)為平臺，將BIM模型輕量化后與平臺進行掛載聯(lián)動，根據(jù)水閘建筑物結構組成、施工流程、不同的管理需求，進行系統(tǒng)架構、數(shù)據(jù)庫和功能模塊的設計及優(yōu)化，對水閘工程項目數(shù)據(jù)進行分析與再整合，把傳統(tǒng)冗繁的紙質圖紙變成三維立體模型，以三維模型為載體，通過平臺的實時數(shù)據(jù)錄入，BIM模型同步、直觀展示工程建設進度。平臺集成了項目管理、報審管理、合同預算、現(xiàn)場管理、進度管理、質量管理、安全管理、技術管理、物資管理、資源庫管理等10余個功能模塊，貫穿整個施工過程，通過信息化手段實現(xiàn)審批、驗收等建設過程的智慧化管理，集數(shù)字化、信息化為一體，實現(xiàn)工程建設的信息化、項目管理的流程化、平臺的智能化，初步實現(xiàn)了對建設過程的伴隨式管理，提高了工程各參與方協(xié)調工作的便捷性。同時，深度結合工程建設現(xiàn)場條件及技術要求，通過攝像頭布設、人員門禁管理等，實現(xiàn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)與BIM模型的掛接，實現(xiàn)了入場施工人員安全帽動態(tài)監(jiān)測等功能。

2.2.3 工地智慧規(guī)劃運用

三維可視化確定場地布設，避免非必要施工環(huán)節(jié)，提高了工程施工效率。在施工區(qū)域總體布置環(huán)節(jié)，通過對水利工程建筑物、場地等進行精細化建模，提前發(fā)現(xiàn)沖突，優(yōu)化施工現(xiàn)場布置，減少二次搬運，提高用工功效，節(jié)省臨時施工材料與用工約8萬余元。在施工導流環(huán)節(jié)，基于Civil 3D軟件進行水利工程施工導流設計、模擬，確保導流安全，節(jié)省土方開挖的土方量，減少施工機械臺班，節(jié)約了人工和管理成本。

基于BIM模型，結合施工組織計劃，與模型充分匹配，構建與工程施工組織設計相一致的4D動態(tài)模擬動畫，進一步促進工程施工內容、工序安排、設備安裝拆除等施工組織合理化，減少施工過程中的錯漏現(xiàn)象和不合理時間安排，形成更符合施工實際的流水施工作業(yè)組織。將BIM模型進行壓縮和簡化后，與智慧建管平臺進行掛載聯(lián)動，提供實時的計劃進度與實際進度對照分析，以及時調整施工安排。橡膠壩工程的831根灌注樁預計工期為60 d，通過進度模擬，合理有效地安排施工工序，調整施工隊伍進場順序，優(yōu)化設備安裝，將灌注樁工期縮短為40 d，取得了極大成效。

2.2.4 智能配筋和工程量輔助計量

依據(jù)項目劃分的483個單元工程，對BIM模型構件進行重新拆分、組合、編碼，實現(xiàn)了BIM模型構件與項目劃分的一一對應。針對主要構件，基于BIM模型建立三維鋼筋模型，進行三維可視化交底，可以杜絕不合理布筋，大幅提升鋼筋設計施工效率[6]。部分構件三維配筋圖，如圖2所示。采用明細表的統(tǒng)計功能輔助工程量計量，通過BIM模型導出詳細的材料表，對模型包含的各類實體構件的工程量采用模型工程量對常規(guī)工程計量進行復核，誤差基本在10%以內。相較于傳統(tǒng)統(tǒng)計方式更加快捷精確，為實際施工提供了有效真實的作業(yè)指導，有效節(jié)約了材料。構件的輔助三維設計計量功能，同時可為工程實施裝配式建造提供依據(jù)。

圖2 部分構件三維配筋圖

2.3 實現(xiàn)高效運行管理

2.3.1 數(shù)據(jù)集成

BIM技術能夠將多個數(shù)據(jù)源（包括設計數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等）整合在一個模型中。通過集成這些數(shù)據(jù)，運行管理人員可以獲得全面的水閘信息，從而更好地進行運行監(jiān)測和管理。

2.3.2 可視化分析

BIM技術可以創(chuàng)建高度可視化的水閘模型，包括結構、管道、電氣系統(tǒng)等，從而使運行管理人員能夠準確了解水閘的布局和組成，這有助于提高運行管理的效率和準確性。借助BIM技術，運行管理人員可以進行可視分析，包括流量分析、水位分析、水流軌跡分析等。通過可視化的分析結果，可以更好地了解水閘的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，并采取相應的措施。

2.3.3 預測和溝通

BIM技術可以模擬水閘在不同條件下的運行情況，并預測水位的改變、水流量的調整等。這有助于運行管理人員評估各種操作和調整的影響，制訂合理的運行策略，提高水閘的運行效率和安全性[6]。

BIM技術可以支持多個相關方之間的協(xié)作和溝通。不同的運行管理人員可以共享和更新水閘模型和數(shù)據(jù)，通過實時協(xié)作和信息共享，提高解決問題的效率。

4 結 語

以往水閘施工的優(yōu)化布置和施工模擬更多地依靠于技術人員的空間想象能力和經驗判斷，影響優(yōu)化結果的不確定因素較多。采用BIM技術，依托三維模型對水閘工程進行優(yōu)化布置，施工布置的合理性、準確性和深度均得到有效提高，對后期施工的指導作用明顯增強?；贐IM技術的數(shù)字化設計、智慧建設管理、高效運行管理等在橡膠壩工程全生命建設周期取得了較為成功的應用，為工程建設發(fā)揮了顯著的輔助功效。