BIM技術在水工金屬結構全壽命周期管理中的應用研究

郝楠楠 韓 剛 盧新杰

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.浙江省發展規劃研究院，浙江杭州310012）

0 引言

水工金屬結構是水利水電機電工程的核心設備之一，具有結構復雜、需求定制等特點，其安全穩定運行至關重要[1]。但由于受水頭、工況及不同功能定位等因素影響，水工金屬結構的標準化、統一化和普適化設計、生產制造、施工建造以及運維檢修等全壽命周期管理難度較大[2-4]。而建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）是采用三維數字模型技術對復雜工程項目進行直觀的數字化表達，具有信息共享與協同交互等特點，能夠實現對其從前期投資決策、設計施工安裝到后期運行維護等的全過程管理[5]。基于此，采用BIM技術對復雜水工金屬結構工程項目進行全壽命周期管理，對推動水工金屬結構信息化和數字化轉型發展具有重要意義[6]。

本文參考建筑市政領域BIM應用成果，研究了BIM技術在水利水電金屬結構領域的應用，以蘇家灣航電樞紐工程項目為例（圖1），采用了數字化模型和智慧化設計等手段進行全過程管理。應用結果表明，該方法能有效提高工程質量和效益，降低工程成本與風險，實現投產后數字化管理。

圖1 蘇家灣航電樞紐工程項目BIM全景圖

1 工程項目BIM全壽命周期管理方案

BIM技術以信息數據作為模型的基礎，實現水利水電工程項目各參與方和不同專業之間的信息協同，從而指導項目全壽命周期管理[7]，如圖2所示。具體表現為：在設計階段，實現三維可視化、信息化、多專業協同設計，減少不同專業碰撞沖突、設計變更，并結合有限元計算，實現設計的校核與優化；在施工階段，實現施工模擬、施工進度管理、質量管理、合同管理以及投資造價管理；在運維階段，實現綜合模型展示、大壩安全數字化監測管理、設備資產管理、定檢管理等全壽命周期管理。

圖2 工程項目BIM全壽命周期管理方案

2 工程各階段的BIM應用

2.1 投標階段

應用BIM技術可以擺脫以往經驗估計的風險[8]，在各專業匯總工程量的基礎上建立三維模型，為確定投標策略和預留利潤空間提供數據支撐。在招投標階段，能夠幫助非本專業的評標專家直觀地評判項目整體解決方案與總體功能布局，有效提高招投標項目的中標率。同時，采用VR、數字孿生等虛擬現實技術，通過定性和定量等手段模擬項目周邊環境和建成后的運行情況，選取最佳投標方案，提高決策的科學性和合理性。

2.2 設計階段

BIM在設計中通過建立模型參數[9]，生成圖形數據，實現設計過程中的“模型—圖紙—模型”相互雙向轉換，滿足不同專業之間的協同交互設計需求。各專業之間通過共享平臺，確保工程數據的唯一性和有效性，減少信息傳輸錯誤，提高設計效率和質量。同時，BIM模型在設計校核、設計變更、碰撞檢查和校核優化等方面具有明顯的優勢。

以蘇家灣航電樞紐工程金屬結構部分疊梁閘門設計為例，主要設計步驟如下：（1）首先建立包含材料、規格、數量等在內的材料明細表；（2）按照設置的初始參數（圖3）建立三維BIM模型；（3）生成工程視圖，并進行尺寸標注，調整材料明細表和技術說明等；（4）進行參數模型轉換，分別生成三維、二維圖紙，如圖4、圖5所示；（5）根據用戶需求進行結構有限元分析計算和部分結構優化。

2.3 施工階段

圖3 門葉部分參數設置表

圖4 疊梁閘門三維圖

圖5 疊梁閘門二維轉化圖

水利水電工程具有投資規模大、專業性較強、結構形式多樣化、參與專業多等特點，利用BIM先進的仿真、計算和三維可視化數字模型技術，建立虛擬的工程施工主體及施工結構的模擬環境[10]。利用模擬環境進行直觀的“預施工”演練，及時了解施工過程中的作業順序安排、施工難點和施工安全隱患等。正式施工過程中，根據現場反饋，及時發現和捕捉各階段的動態變化，可有效避免工程計量中的漏項、缺項、錯算和重復計量，提高投資造價的準確性。同時，經過設計深化和優化后的BIM模型，可以采用最佳施工技術方案，提高可施工性，減少不必要的返工和材料浪費。

2.4 運行階段

BIM技術有效集成了生產制造、設計施工等不同階段過程的信息，是數字化運維的有效支撐。通過BIM三維運行管理平臺，可以將現實運行中的真實數據采用相應的監測傳感設備映射到虛擬場景中，實現數據信息實時播報、畫面動態可視、運維遠程便捷等功能。同時，采用BIM技術能夠進行全業務、全方位的集約管理、風險預判和智能決策，提升設備數字化健康診斷水平。

3 結語

BIM技術是實現以結構復雜、需求定制等為主要特點的水工金屬結構工程項目全壽命周期管理的有效方法。本文研究了BIM技術在水利水電金屬結構全壽命周期管理中的應用，以蘇家灣航電樞紐工程項目為例，詳細介紹了BIM技術在前期投標、設計施工和運營維護等階段的全過程管理方案。應用結果表明，該方法能有效提高工程質量和效益，降低工程成本與風險，實現數字化運維，對行業數字化轉型發展具有重要參考價值。