BIM技術在農業大棚設計建造領域的應用*

丁乙 辛詩潔 白爽 胡冰 陳小波

(1.東北財經大學投資工程管理學院，遼寧 大連 116025；2.東北財經大學工程管理研究中心，遼寧 大連 116025)

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，我國農業生產領域正走向科學化、機械化和智能化。“十四五”期間，我國將進一步加快農業農村現代化發展進程。在農業作物的生產過程中，農業大棚以其安全衛生、節約成本、提高產量、適栽品種多、操作方便等優點被廣泛應用。現階段，我國農業大棚的設計建造主要是依照2D的CAD軟件進行操作，存在工作信息不連貫、直觀性差、修改圖樣工作量大且易出錯等缺點，不能滿足現代農業發展建設的需求。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術作為基于三維模型的設計，利用虛擬的三維模型，通過數字化技術，模擬出擬建建筑物的幾何狀態。將BIM技術應用于農業大棚的設計建造過程，可以很好地解決CAD平面設計的不足。對于BIM技術在空間設施優化、質量管理以及農業生產領域的應用，張勇等[1]分析了BIM技術在Venlo溫室設計中的應用；任偉[2]研究了BIM在機電設備施工中的實踐；李超瓊[3]總結了BIM技術在建筑工程項目管理流程優化中的應用；王文進等[4]對工程質量管理信息系統的特點進行了總結；齊寶庫等[5]分析了BIM技術在建筑工程全生命周期管理中的應用；唐小衛等[6]研究了BIM技術在三維施工空間布置中的應用；李東軍等[7]研究了BIM技術應用于機電管線的優化方法；魏存興等[8]對比分析了BIM和CAD在溫室大棚建模時的不同點；鄧朗妮等[9]分析了BIM技術在工程質量管理中的應用。本文通過分析農業大棚設計建造及管理過程中的難點，研究BIM技術應用于農業大棚設施優化、質量管理、運營維護等所起的作用，為農業大棚在設計、建造以及運維等階段的全生命周期管理提供參考。

1 傳統農業大棚設計建造中存在的問題

傳統農業大棚的建造是基于CAD圖樣施工的，現有的CAD設計模式存在以下問題：

(1)平面圖與立面圖的關聯程度差，要求設計者有較好的空間想象能力，一旦設計出現更改需要對相關圖樣進行更改，極易產生疏漏。

(2)CAD圖樣僅能繪制出農業大棚的平面圖和立面圖，無法對農業大棚內部的設計進行詳細表達，設計不夠全面。

(3)基于CAD的平面設計信息收集難度較大，往往需要人工統計圖樣中的信息，后期的資料調取工作較為煩瑣，需要耗費較多的人力物力且極易出錯。

(4)農業大棚的業主一般不具有建筑或農業領域的專業知識，對二維設計的接受能力差，在農業大棚的設計建造過程中很難滿足業主的主觀要求。

2 農業大棚模型的構建、優化與應用

基于BIM技術的設施優化是以BIM專業軟件為基礎，利用其數字化技術，通過圖元的構建與組合，形成可視化的三維模型。正是由于BIM可視化的優點，工程團隊各方尤其是業主方可以充分參與農業大棚的設計，業主的訴求將得到最大限度的滿足，大幅減少設計變更次數，提高設計效率，使項目能夠盡快投入使用。

2.1 農業大棚模型的創建

BIM模型的創建主要是基于軟件中族的構建和運用。族是形成BIM模型的基本元素，族的準確度將直接決定BIM模型的準確度。BIM軟件中族庫和族的類型十分豐富，如Revit軟件中有系統族、可載入族和自建族等多種設置族的方式，設計者在構建模型時將需要的族導入項目中，將族的各項參數更改為項目對應的參數(圖1)，將各種族組合在一起即可完成農業大棚模型的構建。

圖1 族參數修改圖示

雖然我國對農業大棚有明確的行業規范和設計標準，但不同跨度、不同地區、不同用途的大棚形式多種多樣，其鋼骨架的形式也并非類似于房屋建筑工程中的構件具有較高的標準化程度。尤其是拱圓形的農業大棚，其鋼骨架的曲度受大棚高度和跨度的影響，在BIM軟件中并沒有完全匹配的系統族，所以在建模時需要進行大量的自建族和已有族的修改工作。因此，在建模時需要注意選擇合適的族類型進行族的構建，以保證建模的準確度，最大限度減少建模的工作量。

2.2 管線優化

為保證棚內作物有良好的生長環境，農業大棚的內部通常設置有通風系統、保溫系統、灌溉系統、移動苗床系統、物聯網系統等多種復雜且密切關聯的系統。由于大棚內部的空間十分有限，各個系統間需要用繁密的管線連接，而大棚內空間又十分有限，管線的布置難度較大，采用傳統的2D設計有較大的局限性。由于2D設計是基于平面圖樣，管線相互交錯時在圖樣上顯示比較混亂。尤其是對于管道的翻彎和路徑繞行，在進行平面設計時難以考慮到項目的實地情況，工人對平面圖樣的理解也存在一定的難度，導致工人在施工時極易產生遺漏的碰撞點，從而引發設計變更，給業主造成損失。

在管線的布置過程中應用BIM技術，可以通過Revit或Navisworks等軟件進行施工模擬或碰撞檢測，在管線建模完成后通過模擬施工的方式檢測到管線之間或管線與主體結構之間的碰撞沖突問題(圖2)。在可視化的視角下，設計者可以及時對管線的布置進行調整和優化，盡量減少管線的翻彎和繞行，使管線排布更加合理。應用BIM技術可以有效解決大棚內部管線布置時產生的沖突問題，優化大棚內部的空間布局，為后續其他設施的布置預留更大的空間。

圖2 Revit視角下管線碰撞檢查圖示

2.3 平面布局優化

現代化的農業大棚主要是以苗床、種植槽、種植架為器皿對作物進行栽培，在有限的空間內提高空間的利用效率，進而提高大棚的產量，提高業主的經濟效益。基于BIM技術可視化的優勢，可以構建出大棚內部各個設施擺放的具體位置、模擬工人的行走路徑，使工人的操作更加方便、合理。目前，大部分的BIM軟件(如Revit、Sketchup、Lumion等)都具有渲染功能，工程師可以通過BIM技術的渲染功能渲染出農業大棚內部的真實情況，并根據業主要求模擬出棚內需要布置的設施種類和各類設施的數量，形成可靠的物料清單和可視化模型，為業主在物資采購方面提供有力保障，有效減少材料損耗，降低造價。大棚內部苗床布置圖如圖3所示。

圖3 大棚內部苗床布置圖

此外，由于農業大棚內部需要供應聲、光、電以及水源滿足作物生長要求，基于BIM技術的布局優化，結合斯維爾軟件的能耗分析功能，可以調整大棚之間的相互位置和朝向，使得每個大棚都能最大限度地利用自然資源。尤其是對于大棚的通風系統和采光照明系統來說，位置和方向的科學布置將使大棚盡可能多地接收自然風和自然光，從而減少大棚內部通風設備和照明設備的使用頻率和時間，在起到綠色節能環保作用的同時，有效減少項目運營過程中的費用。

2.4 技術交底

為了科學地組織施工，使施工人員對工程特點和技術難點有一定的了解和認識，各項工程開工前都會組織施工交底，對工程中的重點難點進行解釋。但是以傳統圖樣為基礎的施工交底可視性差，外加施工人員的經驗、能力參差不一，接受程度難以保證，又由于農業大棚內部管線及設備交錯布置，更容易在施工時產生疏漏。基于BIM技術的施工交底可視性強，可以通過Navisworks軟件模擬施工過程和實景漫游，直觀展示專業化程度高、施工難度大的部分，使施工人員細致了解工程特點，提高施工時的重視程度，保障項目順利進行。

2.5 施工質量管理及信息管理

在傳統的施工質量管理過程中，多是采用事中控制和事后控制的方式，由監理工程師在施工現場對施工進行監管，并在施工完成后對項目質量進行檢查。在這種質量控制方式下，一旦工程質量出現問題就可能產生大量的返工，導致工期延誤、成本增加。而采用BIM技術可以在工程施工前開始質量管理工作，監理工程師可以將每個構件的詳細信息(如材料規格、生產廠家、操作人員等)通過參數設置的方式輸入BIM軟件中，使工程信息精確到每一個構件，使工程信息的可靠性、準確性得到保證。項目參數設置如圖4所示。

圖4 項目參數設置

工程質量信息具有數量龐大、類型復雜、來源普遍、動態變動性較高等特點，在傳統的質量控制中需要耗費大量的人力資源對工程質量信息進行統計和保存，而BIM技術作為建筑信息化的工具，從多個方面改善了傳統質量管理存在的弊端。運用BIM技術，可以建立基于BIM模型的管理平臺，現場的工程師只需登錄賬號就可以通過手機、電腦等設備將材料/設備進場、施工節點、簽證變更以及相關資料文件全部上傳至BIM綜合管理平臺；工程各方也可以在BIM平臺上查找文件，減少了許多煩瑣復雜的程序，不僅保證了工程質量，還大大減少了各類文檔、多媒體文件的歸檔整理工作。

3 BIM技術在農業大棚全生命周期的應用

作為具有信息化特點的建筑模型，在農業大棚的運營維護階段，BIM技術可以與農業大棚的物聯網系統鏈接，將棚內各項機電設備的相關信息載入BIM平臺，業主在BIM模型中可以清楚地了解設備的使用情況和實時參數；在棚內設施發生故障時，相關工作人員可以通過BIM模型第一時間確定故障的位置、了解設備的維修記錄并確定相應的維修方案，及時地對故障設施進行維修，快速有效地解決問題；在設備的日常維護保養工作中，可以將設備進行歸類，將不同類型設備的保養要求和保養周期置入BIM軟件，形成設備保養計劃表，方便工作人員對設備進行日常維護和保養。此外，在實際工程項目的運維階段往往需要調用與項目建設有關的各種資料，通過BIM平臺快捷地獲取這些資料數據，使檔案信息的查找更加方便。

4 結語

隨著我國農業技術的不斷發展進步，農業大棚的設計及應用也必然向建筑行業信息化、可視化、工業化的方向發展。BIM技術的應用將彌補二維設計中存在的不足，通過BIM對大棚內部的設施進行優化，有效減少農業大棚內部的各類管線碰撞問題；使大棚內部各項設施的平面布置更為合理，減少圖樣更改和材料損耗；使大棚的各項信息集成到BIM管理平臺中，提高溝通協作效率，減少信息傳遞過程中可能出現的問題；提高大棚在運營維護階段的工作效率，有效提升各類設備的工作質量，起到及時維修和保養的作用。通過BIM技術進行農業大棚的施工管理，將進一步提升工程質量，減少材料損耗，確保工程順利完成。因此，對于農業大棚的設計人員、業主以及工作人員和管理人員而言，融合了BIM技術的農業大棚設計更合理、運營維護更快捷、經濟效益更高。