BIM建模技术在水利工程施工中的应用

赵国华,李 岩,石 菊

（北京金河水务建设集团有限公司，102206，北京）

本文阐述了BIM建模技术在工程中的使用，从现在计算机BIM建筑模型的主要特点出发，就BIM建筑模型应用的优点及缺点，BIM今后的腾飞进行描述探索，故而产生对BIM建筑模型的认知。并通过BIM建筑模型的使用，合理控制施工中每项环节都科学、合理、有效地完成，提升水利工程施工质量整体水平。以下以山西中部引黄工程桥头渡槽薄壁空心墩BIM建筑模型为例，介绍BIM建模技术在水利建设工程施工中的应用。

BIM应用流程见图1。

图1 BIM应用流程

一、BIM建筑模型在水利工程施工中的技术特点

运用BIM技术创建的虚拟建筑模型包含了建筑的所有信息，将这个虚拟建筑模型导入建筑能耗分析软件中，可以自动识别、转换并分析模型中包含的大量建筑数据信息，从而方便快捷地得到建筑能耗分析结果。

BIM建筑模型是应用电脑以数学方式说明物体和它们之间的空间关系，在工程中表现为可视化、模拟性、优化性、参数化性4个优点。

1.可视化

可视化，通俗一点就是“看得见”的意思，是使用电脑图形学和图像应用技术，将所得的数值分别转成图形的形式，并可以显示出来。可视化在水利工程中发挥的作用很大，例如：水利工程中钢筋、管线交叉，一般的设计图在描绘主体和线位的关系时，需要使用多张图纸，有的图纸可能并没能和其他图纸联系在一起，所有的施工图纸前后的关系施工人员根据经验想象。结构单一的工程，这种想象未尝不可以使用，但由于近些年水利工程益趋复杂，凭借想象容易导致发生错误现象和产生遗漏。使用BIM视图可以将复杂的视图进行统一整理，梳理各专业的关系，在三维立体的空间内形成实物的模型，用三维立体的形状将结构工程呈现出来。不再用想象施工这种识图方式，极大地降低了人为因素所造成的施工错误。

山西中部引黄工程桥头渡槽位于山西省保德县桥头镇石堎湾村，横跨朱家川河及既有线公路神保线，上游方向与#2暗涵相接，下游方向通过#3暗涵与#2隧洞相连。朱家川河沟底地面高程957.0 m左右，底宽约80 m，河谷呈U形，岸坡陡立，底部近乎直立，上部较缓。渡槽在桩号总15 km+657 m（改）～总 15 km+667 m（改）段下部有神保线公路穿过，该公路是晋煤外运的重要通道，车流量非常大。桥头渡槽起点里程为总15 km+525 m，终点里程为总15 km+720 m，全长195 m。渡槽宽度为7.2 m，过水断面为4.2 m×4.2 m，设计水深3260 mm。槽墩采用7.2 m×3.5 m的C35钢筋混凝土矩形墩，#1槽墩 10.8 m，#2槽墩 55.9 m，#3槽墩43.6 m，#4槽墩14.35 m，矩形墩的4个外角均为圆倒角，内角均为直倒角。矩形墩下接3.5m厚C30混凝土承台，承台下面为6根直径1.8 m的C30混凝土桩基础。使用BIM建筑模型的碰撞检查功能，在繁琐的设计图中，实现桥梁结构的阅读，降低了返工率。该工程BIM实体建模图形见图2。

2.模拟性

BIM可以通过一系列虚拟手段用数字仿真技术对将要进行的项目及过程进行模拟，从而实现事前控制。模拟性并排就是简单的模拟建筑模型，还包括对工程实体材料、质量、体积尺寸、工程数量的模拟。

图纸只能描绘出实体工程的尺寸、外观，对于工程的数量需要另行计算。为了确保计算的正确性，需多人进行计算复核工作，如计算错误，还需再进行计算，浪费大量的工程技术人员并且耽误时间，还大大降低了工作效率。采用BIM建筑模型，完全可以模拟工程实体的物理材质、建筑材料的质量、体积及材料的数量，根据BIM建筑模型更加快捷地进行工程量清单、材料清单数据的分类汇总，节约了时间，提高了工作效率，降低了计算的错误率。

3.优化性

优化性受3个条件制约：信息、复杂的程度、时间。

①信息不准确就不能做出合理的优化结果。BIM建筑模型可以直接快速优化的信息，使信息数字化。经微调使优化方案更实际。

②复杂程度决定实际操作的难度。在复杂建筑的施工中，施工人员的能力信息无法统计，只有借助科学技术与设备。BIM建筑模型使用在计算机中，将整个模型分解成小单元，也可以将模型刨开，形成需要的截面，可以解析掌握建筑物的细部尺寸，采用模型进行完全解析。

③时间是优化成功与否的关键。在BIM建筑模型中，可模拟实物的施工进度，及各部位连接的前后次序。通过BIM进度模拟，可将施工进程模拟出来，减少了优化、研发的时间。

4.参数化性

参数化建模是指通过简单改变模型中的参数值就可建立和分析新的模型。参数化体现在两部分：参数化图元和参数化修改引擎。

①参数化图元：在图纸中，一种类型部件的尺寸经常会采用代数和参数表的形式，之后需要查找在某种条件下需要代入的数值，是由部位→条件→尺寸→再反过来将尺寸代入部位的过程，整体步骤繁琐，没有直观的概念容易带入错误的数值。例如：在图纸中，墩柱的尺寸都是通过X来表示（部位），要想知道墩柱的尺寸就要先知道建造墩柱多高（条件），再到墩柱的参数表中查找该高度下墩柱的细部结构尺寸，再将查到的细部结构尺寸代入对应的墩柱尺寸中（反代入部位）。BIM建筑模型中的同一种类型部件采用的是同一个图元，根据尺寸的不同在同一图元下分解成各种型号的子图元，形成一个由同一模型构造出的尺寸不同的模型组。只需要知道什么条件下的部件就可以直接得到该部件的细部尺寸，不需要再去查找、代入的过程。例如：同样的墩柱只需要知道墩柱高度，就可以通过BIM建筑模型参数化图元得到墩柱在该高度下的尺寸。

②参数修改引擎：参数化修改引擎提供参数更改技术，是对建筑设计或文档部分作任何的改动，这些改动都可以自动地在其他相关联部分反映出来。每个建筑模型都是由单独的构件拼装而成，每一个构件都可以通过一个变更传播引擎互相关联。构件移动、删除、尺寸变化所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联变化，每一个视图下发生的变化都使参数产生变化，并双向传导到所有视图，确保图纸的一致性，不用逐一修改，进而提升了工作效率和质量。

BIM的数据传递到施工阶段，公司用来做工程量化、进度编排、工程造价等动工前的准备，用以安排采购、下包、后勤等工作任务。

二、BIM技术的应用

设计和施工阶段应用BIM技术可使各个环节配合得更好，可降低图纸出错率、减少质量事故、提高项目的透明度和可控性等。从长远来看该技术惠及建筑物的运作、维护和设施管理等方面，其经济效益可持续显现。北京金河水务建设集团有限公司承建的山西中部引黄工程桥头渡槽薄壁空心墩工程，采用BIM建筑模型技术进行施工，并利用BIM建筑模型技术，在施工中对传统工艺进行了改革。

1.三维立体施工坐标复核与查询

采用BIM建筑模型研发的工具可随时查询实体工程任意位置的三维立体施工坐标，随时对放样点的平面坐标及高程进行复核。在施工图纸中，工程实体的坐标和高程都不在一起，每次进行测量都必须计算坐标高程并进行复核才可以施工放样。使用BIM建筑模型可随时在建筑模型的任意位置查询该点的坐标和高程。该项新技术极大地减少了测量人员的压力，在墩身的施工中，测量人员可以随时查看并放样任意点的坐标，减少测量方面出现的施工错误。BIM建模图形见图3。

图3 BIM建模图形

2.三维立体施工技术交底

过去给作业队伍进行交底，主要是文字和图纸交底，交底内容匮乏且不形象，许多作业人员反映交底内容看起来像看天书一样不明白。在山西中部引黄工程桥头渡槽薄壁空心墩工程施工中，第一次采用了BIM建筑模型进行了施工的技术交底，交底内容更加方便、快捷、直观、形象，提高了沟通和协调效率，节约了成本。

3.实时出图功能

由于纸张的限制，大部分图纸都是只有主要结构的图纸，当想查看部分位置结构时，只能靠想象，对于沟通能力有着极大的限制。

使用BIM建筑模型后可以实时提供桥梁任意角度、任意剖面、不同构件的二维图纸，真正做到了有问题拿图纸来说明，对于施工质量有着极大的提升，减少了大量人力成本。

4.施工进度模拟

通过实施4D施工模拟，根据项目施工计划来模拟桥梁三维形象进度，使桥梁施工更加直观准确，便于施工资源周转，为科学进行场地布置提供了帮助。

三、BIM建模施工技术的局限性

现阶段，BIM建筑模型施工技术属于高新计算机技术，对应的配套设施还不完善，存在对应的人才少、计算机配置要求高、不便携等局限性。

现在建筑工程施工中BIM技术尚未普及，BIM建筑模型技术不是一门容易掌握的技术，需长期、持续地学习和练习。

BIM建模技术属于计算机的高新技术，对于计算机硬件的要求也比较高，无形中增加了施工成本。

重要的是，BIM建模现在只能在计算机屏幕中显示，携带极不方便，虽然BIM建模也可以通过BIM打印技术形成BIM模型，也可以形成纸质上的2D图纸，但并不能解决BIM模型携带不便的事实。

BIM管理问题，BIM模型中包含着建设项目全生命周期的所有信息，模型数据量庞大，系统处理负担沉重，而BIM模型数据格式不同于传统CAD及文本文件，跨平台间资料交换标准尚未全统一，所以就存在着数据分类命名的问题及档案管理的问题。

图4 VR技术虚拟

四、BIM建模施工技术展望

1.利用手机APP查看BIM模型

现阶段手机上对应主流的BIM建模软件APP相对匮乏，但是已经有了很多APP可以在手机上查看BIM模型，只是受限于操作步骤复杂、繁复，无法直观体验BIM模型。与手机APP应用结合后，相信不久的将来可以做到更加完美。

2.与VR技术的结合

VR（虚拟现实技术）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。

使用VR技术会更加直观地体验BIM模型。在VR技术的虚拟空间里，可以按照真实1∶1的比例来观察BIM模型。在电脑中，人们查看的是缩小了百倍的图形，不管模型尺寸再精细，都无法替代按1∶1建造出来的模型的直观感。而且BIM模型是由一个个构件组成的，利用VR空间可以随意地替换、更改构件，还可以直观地观看施工进程模拟，更加完美地体验、优化模型。

3.与AR技术的结合

AR（现实虚拟技术）现在说还太早，只是设想一下，将虚拟的BIM模型通过设备在现实中体现出来。可以在实际施工中通过实物与BIM模型对比、观察，发现实物与BIM模型的细微差别。使施工人员直观地观看施工进程，使施工更加简便。