基于BIM技術(shù)的面板堆石壩施工管理研究

陳 園

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

BIM（Building information Modeling）是由 Chuck M.Eastman在1975年提出的一種集數(shù)字化、信息化于一體的新型建筑信息模型[1]，在實際的優(yōu)化設(shè)計、工程建設(shè)、施工管理、工程咨詢等方面有廣泛的應(yīng)用[2]。

隨著BIM的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外對BIM越來越重視對其研究越來越多，在歐美國家尤其明顯。例如將BIM用于工程項目的智能化管理[3]；Kymmel提出將BIM作為實現(xiàn)項目構(gòu)建、規(guī)劃、施工、運行、管理為一體的三維模型[4]；另外BIM還可用于進行不確定性分析對項目進行評估[5～6]，進而降低工程的成本，更加有效進行管理。在21世紀初期BIM技術(shù)逐漸在我國開始流行，雖然時間較短，但是對于BIM的研究發(fā)展速度還是較快[7～8]。2011年住建部明確要加強BIM在工程中的應(yīng)用[9]，陸續(xù)制定了相關(guān)標準規(guī)范，但是對于實際應(yīng)用，還是比較缺乏。

本文在此基礎(chǔ)上將BIM技術(shù)應(yīng)用于常見的面板堆石壩，研究其在面板堆石壩施工進度管理中的應(yīng)用，為工程的實際建設(shè)提供理論依據(jù)。

2 模型建立

以某水利樞紐為工程基礎(chǔ)來進行研究。該樞紐由水庫、廠房、輸水系統(tǒng)和附屬設(shè)施等組成。流域面積為124 km2，正常蓄水位為541.60 m，詳細特征水位見表1。混凝土壩高為101.9 m，面板堆石壩的壩面爬坡度均為1∶1.5。

表1 壩前特征水位

根據(jù)工程基礎(chǔ)信息對施工過程進行可視化模擬，進而對施工進度進行管理。首先進行BIM團隊組織的構(gòu)建，BIM團隊組織根據(jù)工程實際情況進行安排和調(diào)整，實現(xiàn)人力資源的最優(yōu)化。BIM團隊主要由工程師、技術(shù)研究團隊、應(yīng)用開發(fā)團隊、技術(shù)支持團隊、系統(tǒng)管理團隊、數(shù)據(jù)維護團隊、項目標準管理團隊等組成，BIM團隊組織結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 BIM組織結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)工程地質(zhì)材料采用Civil 3D軟件進行地形三維建模，見圖2。

圖2 三維地形圖

在地形圖的基礎(chǔ)上建立面板堆石壩三維模型，根據(jù)工程壩體內(nèi)材料的不同分為特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、堆石區(qū)、反濾層、壩面防護、防滲區(qū)等。根據(jù)情況將對應(yīng)的數(shù)據(jù)錄入BIM對應(yīng)軟件中，構(gòu)建模型。本項目需要土石挖方796萬m3，混凝土澆筑29.8萬m3、過渡料填筑9.4萬m3、墊層料填筑量為4.9萬m3、回填灌漿1.05萬m3、碎石量為6.7萬m3以及其他需要的材料。使用三維建模軟件創(chuàng)建的面板堆石壩BIM模型見圖3。

圖3 面板堆石壩BIM模型

3 施工進度三維動態(tài)模擬

根據(jù)工程施工的大致流程確定施工的關(guān)鍵路線及進度表。在施工中壩體由不同部分組成，施工順序為優(yōu)先進行壩基開挖，然后進行截流和下趾板結(jié)構(gòu)的施工，下趾板施工完成后進行下墊層和過渡區(qū)的填筑，然后進行堆石體的填筑，堆石體優(yōu)先進行大粒徑的塊石，然后礫石最后進行砂石的填筑，在填筑的過程中需要混凝土進行加固，填筑完成后進行面板的澆筑，最后進行周邊附屬設(shè)施的施工。具體見圖4。

圖4 簡易施工流程圖

施工流程確定后進行三維動態(tài)模擬，使用Navisworks軟件進行面板堆石壩壩體的施工過程仿真模擬。在施工過程中壩面堆石采用平起法，使壩面可以相對平整的施工受力均衡。圖5為采用BIM技術(shù)進行壩體澆筑預演過程。采用圖5預演方案進行施工，按照圖4施工流程圖進行澆筑，在實際施工中將壩體切割為多個工作區(qū)域，同時進行施工來提高施工效率。

圖5 BIM技術(shù)在壩體施工中的預演

Navisworks軟件對施工流程進行自我檢查合格后開始進行動態(tài)模擬，若發(fā)現(xiàn)與前期導入的標準規(guī)范有誤差的話會有提醒，對于過大的誤差會停止進程進行修改后重新進行模擬，具體模擬過程見圖6。

圖6 基于BIM技術(shù)的壩體三維動態(tài)施工過程

根據(jù)圖6可知，BIM技術(shù)將各專業(yè)人員匯集在一起可以實現(xiàn)面板堆石壩的整個動態(tài)施工，可以根據(jù)設(shè)定好的程序按照順序逐步進行壩體的施工。在施工中不同顏色代表不同的部分，BIM技術(shù)系統(tǒng)會自動的進行檢查并對檢查結(jié)果進行反饋，當出現(xiàn)較大的誤差可能影響安全時，系統(tǒng)會及時的反饋出來進行調(diào)整。經(jīng)過多次的調(diào)整可使施工進度及安全問題達到整體最優(yōu)化，進而可以節(jié)約工期提高施工效率。

4 采用灰色系統(tǒng)理論進行評價

采用灰色系統(tǒng)理論對BIM技術(shù)在面板堆石壩施工的應(yīng)用進行評價。BIM模型項目成熟度可以分為五個等級：初始級、可重復級、定義級、管理級、優(yōu)化級。隨著BIM信息的逐漸豐富和完善，項目的成熟度會逐漸增加，表明項目的預期成果與實際成果之間越來越接近。依據(jù)BIM成熟度模型進行評價，構(gòu)建BIM信息成熟度模型指標評價體系見圖7。主要分為信息因素、組織因素和交互方式因素三大類，針對每類因素進行細分。

圖7 BIM信息成熟度模型指標評價體系

對于評價體系采用10分制，評分標準見表2。根據(jù)評分標準可以邀請一定數(shù)量的專家進行打分組成一個矩陣，本項目邀請10位專家打分評價矩陣見表3。

表2 評分標準

表3 專家打分評價矩陣

由灰度及白化函數(shù)得出灰色模糊評價矩陣R，參考序列U0如下：

對U0進行相關(guān)計算，令分辨系數(shù)為0.5，可以得到關(guān)聯(lián)系數(shù)如下：

對關(guān)聯(lián)度進行歸一化處理得出評價指標的權(quán)重集合為：W=(0.056,0.057,0.058,0.062,0.061,0.057,0.062,0.048,0.051,0.063）

模糊評價矩陣為：

系數(shù)調(diào)整矩陣A為：

最終得出評價系數(shù)為：

根據(jù)評分標準可知此項目在施工進度管理上處于“管理級”，說明BIM技術(shù)信息基本已經(jīng)滿足需要，但是在交流方式和平臺管理上，還不夠完善需要進行進一步的完善來達到“優(yōu)化級”。

5 結(jié)論

本文將BIM技術(shù)與仿真軟件結(jié)合應(yīng)用于面板堆石壩中對其施工進度進行管理研究，BIM可以很好地對面板堆石壩的施工進行動態(tài)管理，根據(jù)施工過程中出現(xiàn)的問題進行優(yōu)化處理，進而提高施工的質(zhì)量和效率。

采用灰色系統(tǒng)評價法對BIM技術(shù)的應(yīng)用進行評價得出評價系數(shù)為7.38，處于“管理級”，說明BIM技術(shù)在此工程建設(shè)中理論已經(jīng)比較成熟，可以進行應(yīng)用。在應(yīng)用中需要加強對BIM技術(shù)平臺的管理，使得工程建設(shè)效率達到最優(yōu)化。