BIM 技术在重力式大坝工程模拟施工中的应用及效果评价研究

曾 寅，赵 龙，陈 静

（河北软件职业技术学院，河北 保定071000）

水利建设需要多专业协同，但不同专业之间的天然壁垒，导致在水利设计或施工时工程进度缓慢甚至停滞，极大地影响了工程成本控制。[1-3]近几年BIM 技术在土木建筑行业的多专业协同发展中起到了重要作用[4-6]，而同样作为多专业复杂性水利工程，利用BIM 技术亦能满足协同共享需求。国内外已有一些学者或水利工程师通过引入土木建筑行业的BIM 技术，规划水利工程中BIM 技术应用前景，为水利工程中推广BIM 技术打开了大门。[7-11]BIM 技术作为工程信息化设计与施工的重要举措，评价其实际应用效果，为其他工程带来示范性应用具有重要意义。本文利用模糊综合评价手段[12-14]，研究BIM 技术在某大坝工程的应用效果，以期为BIM 技术在水利工程中的应用及水利工程信息化设计施工提供重要的参考。

1 工程概况与BIM 模型建立

1.1 工程概况

某大坝工程为新建水库的堤防工程与挡水工程，包括重力坝体、泄洪系统以及进出水口等系统，承担着防洪以及输送水资源的任务。坝顶高程72m，上、下游设计水位分别为291m、273.5m，设置有防渗墙保护坝基与坝身，坝顶修建有宽为3.2m的公路，上、下游大坝坡度比均为2：3。整个坝体分为止水面板、垫层、铺盖层及堆体层，坝身由大面积混凝土浇筑形成，在上游坝身上铺设有二次防渗结构，该结构由防渗面板以及趾板构成，防渗面板与趾板间以混凝土止水缝相连接，并在坝基覆盖层处连接一次防渗墙结构，使一、二次防渗结构成为一整体。坝基以上设置有反滤层，厚度约为1.5m，整个坝体均铺设有以粉煤灰为材料的过渡垫层，防止坝体渗透破坏，所有料底均来自距离工程现场约4km 处的材料场。坝体工程的水闸设置为单孔式，由液压启闭机控制，根据调控水资源流量精确控制闸门开度，设置有2 个引水隧洞，铺设直径为1.8m 的涵管作为输水渠道。大坝所在水利枢纽建有引水发电机组4 组，可供应区域内工农业用电800 万kW·h。

大坝所在区域地形为丘陵地带，工程场地为河流冲积平原，坝体位于第四阶地上，表面覆盖土层为第四系堆积土层，颗粒密实性较差，含水量测试为18%，厚度范围为2.5～7.8m，在场地内均有分布。覆盖层还包括粉质砂土层，厚度较薄，最厚之处仅为3.1m，透水性较强，土颗粒间存在较多孔隙，相互粘结性能差。区域内无活跃地质构造带，据钻孔资料得知，坝基层为花岗岩体，完整性较好，以中粗颗粒为主，弱风化特性，坝体趾板结构即位于基岩层上。

1.2 BIM 模型建立

根据该坝体工程的特点，需要创建三维地质模型与坝体模型，本文利用CAD 将平面图转化为BIM 的三维可视化编辑图，创建出三维BIM 模型。采用测绘数据所获得的地形地貌云图以及地形曲面相关数据，以CAD 为中间平面视图载体，转入Revit 中进行地形图的修改编辑，获得地形BIM 模型视图，如图1 所示。

坝体模型依据前文所述工程资料，结合挡水坝段、引水坝段以及溢洪坝段各个区段内的平面设计图纸，以Revit 设计获得坝体三维模型。模型中有不同类型或功能的坝体区段、引水隧洞以及调控水位的闸门结构，且每个子项目单元具体材料以及施工工序均囊括在BIM 模型中，便于多方单位进行查证。

联系地形三维模型与坝体模型，构建工程整体设计模型，如图2 所示。另外，将施工进度计划与施工各单元模型对应连接，总工期为692 天，各个工序单元施工工序以及周期均已导入施工进度计划编制表。

图1 地形BIM 模型图

图2 水利工程整体BIM 模型图

2 进度管理应用研究

由于该工程涉及较多设计部门，包括水工部门、机电部门、建筑部门等，因而BIM 模型作为协同信息共享，可实现工程上每一步骤均有据可查，设计阶段多个专业部门均在同一平台上进行，所需地理信息或其他专业信息均可实时更新获得，从而减少因专业设计之间的误差造成的返工。各个部门在选材阶段，均可以根据预定的统一施工标准以及施工进度要求，采集信息并在系统中及时更新，减少由于材料不匹配带来的专业设计之间的碰撞。而在后续的预算控制、质量管理以及进度管理方面，均可提升风险管控。本文将针对坝体施工进度管控，利用BIM 技术进行施工与技术模拟，以混凝土的碾压平层工艺、拉模工艺及特殊混凝土品种施工工艺开展施工模拟研究。

2.1 碾压平层工艺

图3 为大面积混凝土施工的碾压工艺所需设备以及施工要求。施工设备包括振动碾车、平仓机车、运输卡车。每台振动碾车以不超过1.5km/h 的速度前进，与前置平仓机车间距应控制在1～1.2m，每个混凝土铺设层均需碾压6～8 遍，碾压桶宽度不可超过2m，桶上拼接板设计部门给定误差不可超过±3cm，碾压车行进方向在垂直水流方向，保证混凝土面板结构碾压后强度与密实性能达到工程防渗要求。

图3 大面积混凝土碾压平层施工模拟

针对施工过程中的一些细节，在三维模型模拟时也可看出是否达到施工标准。以混凝土标准层的碾压次序为例，当混凝土泵车均匀卸下混凝土后，平仓机车将混凝土堆体整平，此时混凝土处于初始凝结状态，碾压振动车在初始碾压时尝试3 次无振动性碾压，后开始有振动性碾压，该标准是经过多次模拟测试后得到混凝土强度才确定的。模拟测试多次无振动碾压后混凝土强度变化曲线如图4 所示。从图4 中可看出，当无振动碾压次数在3 次以内时，混凝土强度增长显著，从无振动碾压次数1 次至3 次，混凝土强度增长了15.1%，而在无振动碾压次数超过3 次后，混凝土强度逐渐递减。由于过多的无振动碾压易导致碾压桶陷入混凝土中，并粘结上部分混凝土，影响混凝土整体平整性，进而监测强度量值降低。

图4 无振动碾压后混凝土强度变化曲线

2.2 拉模工艺

图5 为溢流面上混凝土拉模施工模拟图。从图5 可以看出，拉模施工由于涉及到钢筋安装以及混凝土裂缝的处理，考虑钢筋网架间距对拉模工序中控制混凝土裂缝产生很有必要，因而依据BIM 技术多次模拟测试发现，同一钢筋混凝土强度等级下，当溢流面上钢筋网架控制间隔为0.4m时，施工工期最短。钢筋网架模拟结果如图6 所示。另外，根据拉模施工工艺模拟得知，混凝土表面抹灰的砂浆强度与混凝土抹灰面积相匹配时，可抑制混凝土拉模之后强度降低速率。

图5 溢流面上混凝土拉摸施工模拟

图6 施工工期与拉模速率

2.3 特殊混凝土品种施工工艺

该坝体工程中所用特殊混凝土品种为变态性混凝土，模拟该类型混凝土施工工艺如图7 所示。从图7 中可看出，该特殊品种混凝土碾压时应考虑模板距离。模拟试验表明，以距离50cm 处混凝土开始不进行碾压。在后续工序中，还进行了混凝土搅拌以及振捣。通过模拟试验获得了碾压与振捣在特殊品种混凝土中的关键技术要点，可为后续工程施工提供重要参考。

3 BIM 技术应用效果评价

为评价BIM 技术在重力式混凝土大坝中进度模拟及施工控制中的应用效果，引入APH 评价方法，对整个BIM 应用效果进行综合评价。

3.1 指标权重及模糊矩阵

将BIM 技术应用效果评价分为3 个一级指标和11 个二级指标。一级指标包括工程进度计划指标A1、进度控制实施指标A2、进度实施效益指标A3。每个一级指标下都包含二级指标，例如进度实施效益指标就包括经济效益B31、社会效益B32、环境价值B33。

BIM 技术应用综合评价指标Q包括的一级指标权重值分配为：

各一级指标所包含的二级指标分配权重值分别为：

指标权重矩阵归一化处理公式如下：

图7 特殊混凝土施工工艺

按照特征值代替矩阵计算原则，获得矩阵B的特征值为：

式（6）中，（BW）i指矩阵中第i个元素；λmax指最大特征根值。以特征值作为各级指标中的子元素，整理得到各级模糊指标R1……Rn的模糊关系矩阵表达式：

最终获得评价矩阵为：

依据上述模糊矩阵理论，对该重力式大坝BIM技术应用效果开展调查，评价效果分为优、良、中、及格、差5 个等级，分别对每个指标进行打分，最终获得各个指标的模糊关系矩阵为：

3.2 综合评价

按照模糊关系矩阵计算理论，以单因素评分与权重值分配作为评价分值，获得综合评价分值。一级指标分配值由二级指标决定，分别为：

最终将一级指标权重分配值与所得指标分结合运算，获得综合评价Q 为：

以得分最大值为评价隶属度的原则可知，BIM技术应用效果分数最高为0.424，“良”等级，故该重力式大坝BIM 技术应用效果为“良”。一级指标中工程进度计划指标得分最高值为0.559，评价效果为“良”；进度控制实施指标得分最高为0.501，应用效果为“优”；进度实施效益指标最高得分为0.455，评价效果为“良”。由此可看出，BIM 技术在该重力式大坝施工控制及进度调控中均具有良好的应用效果。

4 结论

针对某重力式大坝工程施工，利用BIM 技术建立分析模型，开展施工模拟，调控进度计划，优化施工指标，并引入AHP 评价方法分析BIM 技术应用效果，得出以下结论：

（1）利用BIM 技术进行施工模拟，获得了大面积混凝土碾压平层施工工艺及技术指标。经模拟对比获得混凝土标准层无振动碾压次数为3 次；溢流面上拉模施工钢筋网架间距为0.4m 时施工工期最短；特殊品种混凝土以变态性混凝土开展了模拟施工。

（2）引入AHP 评价方法划分出BIM 技术应用效果一、二级指标，并计算出模糊关系矩阵，最终获得综合评价最高分值为0.424，评价效果为良；工程进度计划指标评价效果为良，进度控制实施指标评价效果为优，进度实施效益指标评价效果为良；BIM 技术整体具有良好的应用效果。