水利工程施工中BIM技術的應用探析

徐 燕 王亞薇 劉亞潔

任丘市城鄉供水服務中心 河北 任丘 062550

21世紀后，計算機硬件、網絡、軟件和信息處理技術都有了長足的進步，2 G技術逐漸進入5G時代，許多新技術被廣泛地運用到了建筑行業。隨著施工技術的發展，工程項目呈現出越來越多的新特點，比如跨度越來越大，結構越來越復雜，規模越來越遠大。基于平面圖形的平面造型，利用三維圖形進行三維立體造型建模比較困難，而平面CAD圖形的平面造型已經不能滿足當前施工單位之間的工作需求。為了提高建筑的建設速度，使建筑的3D可視化和BIM仿真技術得以實施。

1 BIM技術特征

利用BIM技術和一套功能化的技術，使 BIM技術可以將所有的信息有機地結合起來，以可視化、多維度、多功能的立體模式進行顯示。BIM模式可以根據項目的建設單位及項目的不同發展時期的具體需求，通過各種信息的整合，實現對項目信息的及時更新、修改、插入和提取。與常規CAD繪圖相比，BIM不僅可以進行三維的描述，還可以引入其他微觀的管理、成本和時間等方面的數據。

1.1 仿真和最佳化

BIM建模的基礎是對工程進行多方位、全過程仿真，它包含了建筑物或構件、平面布置、施工進度、施工進度和施工管理。采用可視仿真技術，進行工程質量的有效控制，從而達到早期的問題，并對施工成本、工期和質量進行科學的控制[1]。

1.2 三維效果

通過對工程的綜合分析，建立了一個具有完整可視性的四維、三維 BIM模型。在此基礎上，各個參與單位使用共用的平臺登陸，能夠對建筑物或部件進行形象的可視化，并能及時高效地進行交流，極大地降低了信息傳輸的錯誤，并能在二維、三維轉換中，減少建筑或成品、二維圖紙、三維建筑施工等信息的傳輸。

1.3 全過程模擬

只要不改變建模的軟硬件和應用規范，就可以在規劃設計、施工、運營、維護等全過程中采用相同的BIM模式，并根據不同的需求對不同的項目進行相應的調整，從而實現全方位、全過程的仿真設計。

BIM技術是通過一組基于相關規范的運行程序共同實施的，從而達到維護、管理、施工、設計等多個方面的信息的分享與傳輸。利用 REVIT等軟件對項目進行建模，經過一系列的轉換和可視化設計，最終完成項目的信息集成，成本核算，設計模擬，能耗計算等。

2 水利樞紐建設特征

2.1 多種因素的作用

由于水文氣象、地形地貌、地質條件等諸多自然條件，對其工程的建設有很大的作用[2]。

2.2 多個設計單位

水利工程的特點是：生態環境，工程技術，城鄉規劃，經濟發展，社會政治，財政金融，居民生活等各個領域，涉及的行業和部門也很多，這也是水利工程的一個重要特點。

2.3 建筑結構的復雜性

由于水文地質條件、氣候條件等諸多原因，對水工結構的滲透、沖刷、推力、浮力等影響較大，因此，在實際工程中，往往存在著水文地質、氣候等諸多不能精確掌握的條件。

2.4 高質量的產品

水利項目建設環境復雜，輔助性工程多，而且如果發生事故，造成的經濟后果無法估算，因此對工程的質量提出了更高的要求。

2.5 需要政府參與

由于水利項目的建設時間較短，需要大量的資金，因此，其項目在一定程度上是由政府進行的。

3 BIM技術在我國的發展狀況及優越性

3.1 目前的使用狀況

1)缺乏專門的人員

BIM技術的運用不僅需要對相關的相關軟件進行熟練的操作，還要將BIM概念與現場的建設與技術相融合。但目前在水利工程建設中，掌握BIM技術和豐富的工程實踐經驗的工程技術人才很少見。準確、迅速的仿真是BIM技術充分利用的前提條件，但目前BIM技術的運算速率和存儲量都很難達到工程應用的需要。

2) BIM技術的運用還不夠深入

當前，我國大部分建筑企業對 BIM的整體建模水平還不夠高，只能通過錄入項目信息、輸入CAD繪圖等方法來構建BIM模型。BIM技術在實際中的應用主要表現為圖像的繪制和簡單的3D模型，其優點和優點還沒有完全體現出來。

3)目前還沒有完全開發的軟件體系

水利工程建設中存在著諸多因素，工程項目中 BIM技術要求相對于工程來說更高，但 BIM技術在水利工程中的運用并不顯著，這是因為目前還沒有開發出適用于水利工程的BIM技術。另外，在實際運用的過程中，各個模塊的量算、成本模塊的運用效率都比較低，盡管模塊已經開始運用，但是在真實的計量計算中，絕大部分仍然是不能用的。由于我國目前還沒有建立起與施工相關的BIM技術的統一接口和規范，制約了BIM技術的互聯和普及[3]。

3.2 優點

與住宅建設相比，水利建設施工難度大，相關專業多，涉及范圍廣，BIM技術在我國的普及比較緩慢。近幾年，BIM技術在大型復雜的大型工程和重大工程中逐步得到了廣泛的應用，并已初見成效。比如，某研究所運用BIM技術，利用相關的軟件完成了道路建設、場地規劃、測繪、勘察分析、設計、三維造型等工作，并利用三維模型進行三維模型的集成和軟件系統設計。BIM技術使工程的設計過程變得簡單，大大提高了工程建設的效率。在項目正式開始之前，通過可視化、數字化的方式，使項目參與方能夠了解項目的每一個階段，并且收到了很好的結果。

基于上述的經驗，運用BIM技術對整個工程施工進行全面的監控，可以保證工程施工的安全、成本、質量和進度。

1) 建筑結構的協調與最佳化

在工程施工中，施工單位要與監理、業主、設計、材料供應商、交通部門、相鄰標段施工單位、審批單位等多方配合。此外，非建筑專業人士很難根據文字和圖形來描繪出一個具有三維結構的建筑外形。利用BIM技術制作的3D建模不僅能夠使產品更具視覺效果，而且可以極大地提高各個行業之間的交流。

2) 建筑工程的最佳化

要從根本上改變目前工地的盲目、粗糙的狀況，就需要提高項目建設的質量。利用BIM技術進行工程建設，可以實時地分析工程建設中的各種問題，并進行最優的調試和后期的控制，從而防止工程中的盲目建設。另外，利用建筑的立體建模技術，對錯綜復雜的工程區域進行安全交底、技術交底，能給一線的工程人員提供更為具體、直觀的指示，便于對現場工作人員和工作人員進行了解，從而極大地提升了工作的工作效率和交流的效果。

3) 優化建筑過程

在項目正式開始之前，將項目的進度和過程相結合，可以將項目的具體情況，以最大限度的減少返工的可能性。

4) 工程建設的時間安排

以水利水電工程的3-D BIM建模為例，將工程進度規劃融入到時間維中，形成4D建模，并將工程量、成本等數據融入到5D建模中，使整個工程建設的各個環節都能得到較好的仿真。BIM技術可使工程節點得到合理的選擇，并在合適的情況下進行優化設計。

BIM技術可以對工程的關鍵部位進行可視性的仿真，對工程的布局進行了科學的規劃和布局，對材料、機械等的使用進行了更直觀的了解。通過碰撞檢驗，可以及早地察覺到工程建設中的沖突和矛盾，從而為工程進度、資源和成本的最優控制提供有力的保證。

4 BIM技術在水利工程施工中的應用

4.1 BIM協作模型

“奔牛”水利樞紐包括船閘、節制閘、京杭運河立體交叉式地下涵洞、孟九橋等重要建筑，涉及到水工、金屬結構、房建、電氣等多個領域，其中涉及到多個領域的技術人才。Revit中有兩種協作方式：專案工作集中和連結檔案。

在 Revit里，工作集中會把大家的改動信息儲存在一個中心的數據包里，然后把別人的改動情況及時的告訴其他的設計者，讓他們知道別人的改動和改變的效果。可通過工作集輕易地將同一項工作分解到多人的項目中，適用于各行業的協作。

連接是將被提交的Revit文檔與中央模塊連接，并利用Revit的沖突檢測函數實現了部件之間的沖突檢測，適用于不同行業之間的協作。可以創建私人云或者租賃公用的云計算，把數據中心的文件放置到云端，實現異地訪問、修改、建模和協同。

在奔牛水利樞紐建設中，通過專業間的工作集合和專家的聯系，通過一個企業的云平臺，在不同的地方進行協作和技術支持。

4.2 模式的構建與分解原理

施工BIM與工程施工模式不同，必須考慮施工工藝、施工步驟等方面的影響，將其分解和重構。模型分割太多會增加模型工程量，增加中心文件的體積，使得 Revit瀏覽和修改變得卡頓，模型分割太粗，無法滿足施工模擬、質量控制和施工管理的要求。一般情況下，BIM的分解應按單元、清單和工序綜合考慮。鑒于奔牛場的工程模型數量眾多，為了建立輕質Reivt模型并達到施工的控制需求，對分析單元進行了分解，以達到工程仿真和控制的目的。《奔牛水利樞紐工程項目劃分表(調)》中的一些單位工程的名字和編號，如圖所述。

在 Revit中，整個建模都是以族類的形式進行的，而奔牛的核心工程中，包含的組件很多，相應的族類文檔也很多，所以為了便于系統的更改和管理，必須要有特定的族類和實例。根據《水利工程建筑信息模型設計規范》DB32/T 3841-2020，“跑牛樞紐人”和“家”的命名準則，例如：“橋頭_墊層_C25_10cm”；“導向墻_墊層_C25_10cm；“每一種”的名字盡可能是一個“族譜”，例如：在“地涵”的南側2#東側墻體“φ70 cm”的“勁性復合樁基”是一個對應的“族譜”，見圖1。

圖1 “奔牛場”協作工作方式的原始圖片

圖2 奔牛站各子段工程名稱及編號的分區

4.3 數據的輸入和抽取

BIM在施工過程中必須滿足工程技術的需求，便于工程的管理，為工程實施提供全面的服務。BIM模式必須與有關的資料進行聯系，以滿足工程建設的需要。信息量大，輸入的工作量大，信息量小，無法為建設提供高效的服務。在此基礎上，通過對項目的詳細分析，確定了8項指標：1）單位項目的名字；2）單位項目的項目號；3）項目的開工日期；4）項目竣工的日期；5）建設竣工日期；6）質量檢驗資料；7）建設單位負責人；8）注意事項。單位工程的名字、單位的數量一一與奔牛水利樞紐工程的單位標號一一對應，計劃開工時間、計劃完工時間、開工時間、施工完成時間是施工進度和施工過程的管理，施工質量檢驗資料有利于掌握工程的質量，施工負責人在施工中出現問題可以追溯。在 Revit中，將專案的參數設定為與該模式元件相聯系。

4.4 建筑仿真

在此基礎上，結合 Revit的可視化柔性特性，運用 BIM技術構建了一個建筑的幾何建模和施工流程，使其實時、交互、逼真地仿真，從而驗證了現有的施工方案，并能針對不同的場地和項目特征，制定不同的方案，并進行比較和優選。

建筑仿真的實現，大多采用 Navisworks語言。首先將 Revit的綜合模式轉換為. nwc，然后將相應的模板和工程進度進行關聯，然后利用 Navisworks中的時間鏈接來完成。通過仿真，可以精確控制施工進度，最大限度的利用資源和場所的合理布局，實現施工進度和資源的統一，縮短工期，降低成本，改善產品的質量。可以防止由于工程建設期間缺少資金而造成工程的停頓和拖延。這將有助于工程人員更好地了解和了解工程，降低由于信息傳達而產生的疏忽或誤會，從而加速工程建設的進程，提高工程的整體質量，從而有助于項目團隊做出迅速的決定[4]。

時間鏈接也可以通過設定單位的開始外觀、結束外觀、提前完工外觀、延遲完工外觀等來顯示工程進度和真實時間的不同。既能使施工人員能全面掌握整個項目的建設進度，又能根據邊界情況對尚未竣工的單位進行適當的施工模擬和布置。

5 結論

結合新孟河奔牛橋工程實例，對施工模型建立標準、施工模型族的定名、BIM模型分解標準進行了細致的剖析，將施工時間、施工質量與BIM模型進行了聯系，并編寫了 Revit二次施工的施工資料和查詢模塊，以便在施工中對施工進行質量和進度進行控制，完成BIM模型，為進一步推廣BIM模型，為進一步推廣BIM技術提供了一定的參考和借鑒。