BIM 技术在水利圈围工程施工管理中的应用分析

尹 航，李玉龙，吴晓南

（上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

引言

近年来，水上工程呈现出工艺复杂化、规模扩大化的趋势。传统二维图纸、沙盘推演等手段，在施工方案编制、总平面布置、进度对比分析中难以直观的帮助技术人员深入理解工程，容易引发设备调度混乱、作业面效率不高等问题。GPS 背包、测深仪等常规测量工具也愈发体现出其效率的劣势，难以精确、快速的反映施工进度与成本。

1 水利圈围项目的工程管理现状

1.1 项目管理常规方法和使用的工具

当前水利圈围项目管理体系基于项目管理组织机构创建，以职能部门为管理单元，分配不同管理内容。各职能部门对自身工作内容提出最优解决方案后，交由项目管理领导班子进行决策，并根据领导班子意见对解决方案予以修正或执行，是一种对事务和问题逐层分解的线性项目管理组织结构，能够有效解决工程管理重难点问题。

管理过程中，一般运用简单的文字、表格处理软件，如Word、Excel 等，在处理进度计划时，往往应用Project 进行简单的横道图进度计划编制。

表1 各类工程管理内容的软件应用场景

在施工现场管理方面，现阶段水利圈围工程施工过程控制主要运用测深仪、GPS、全站仪等测量设备进行相对精确的水上水下施工质量检测；少数需要实时、可视化确定施工质量的水下工序，一般使用旁扫声纳或超短基线设备。至于材料管理、安全管理、设备管理等施工管理重要内容，则往往采用更为原始的人力去落实。

经过多年工程建设检验，当前水上工程管理方法与常用工具能够切实有效的对施工管理各个环节进行把控，解决各类施工重点难点，保障工程建设按部就班顺利推进。

但随着水利圈围工程行业的不断发展，工程结构与工艺逐渐复杂、规模逐渐增大，传统管理方法与工具的管理成效逐渐减弱，并愈发显现出诸多的不足与局限。

1.2 传统工程管理的不足与局限

按照不同施工管理环节，当前水利圈围工程管理的不足与局限主要体现在以下方面：

1）信息孤岛

基于项目管理组织机构设立的职能部门，在对各自工作提出最优解决方案的同时，获取其他管理内容信息的能力有限，使得最优解决方案并不能兼顾考虑对其他管理内容带来的影响，同时给领导班子决策造成困难。质量管理人员对质量的追求，会对工程进度造成影响；进度管理人员对进度的追求，会对工程质量造成影响；而安全管理人员对安全的追求，会对工程进度与质量同时产生影响。

再者，随着工程规模的逐渐增大，信息孤岛效应将不断显著，造成质量、安全、进度、成本各个管理环节信息的产生越来越大的隔离，并降低工程管理体系运行效率，增加管理人员工作量。

2）可视化困难

水利圈围工程的结构越发复杂，工序交叉的现象就越发增多。对工程总体施工方案的实际指导性、施工阶段划分的科学性、多工作面布设的合理性、设备调遣的准确性提出了新的要求。

在解决此类问题时，传统管理手段主要通过多张平面图、断面图，分阶段体现施工平面布置，对施工管理人员空间想象力与逻辑思维能力要求较高，难以对拟定的施工总体方案进行形象的推演与验算，容易导致不同工序相互影响、设备调遣矛盾、不同施工区域进度冲突、多工作面协同作业效率低下等一系列问题，显著降低施工总体方案的实际指导意义，延误工程进度，产生设备重复调遣费用、闲置费用等不必要的施工成本。

3）施工成本难以快速反映、统计精度受限

施工成本控制是施工企业工程管理的重点，而施工成本准确控制与测算，建立在工程量的快速、精确统计之上。

当前水利圈围工程施工工程量主要依靠工前工后测量的差值来计算，计算效率受测量设备、测量方法限制，计算误差多来自测量设备精度及选取的计算方法。

结合前文，现场施工测量多使用测深仪、GPS、全站仪等设备。水下测量常用的多波束测深仪，受船舶航速、涌浪、水温等多方面因素影响，误差可达20～50 cm，对水下工程量计算精度带来极大影响。而在计算吹填工程量时普遍使用的方格法，其计算精度和效率与测量点密度、单元格大小关系密切。在计算大型水利圈围工程的吹填土方量时，为保证计算速度，往往会牺牲部分计算精度，选用相对稀疏的测量点和较大的单元格，无法兼顾计算精度，而计算精度的损失，将进一步影响施工管理决策。

除了上述不足与局限之外，传统水利圈围工程管理方式还存在材料管理过度依靠人工、工程档案整理困难。质保资料追溯性难以保证、安全管理与船机设备调度难度大等一系列问题，这些问题都需要在企业精细化、信息化管理的不断发展过程中加以解决。

1.3 现阶段行业发展趋势

近年来，国家对工程管理精细化、信息化持续激励与引导，政府行政职能部门对国有施工企业信息化管理要求不断提高，水工建设市场竞争日趋激烈、企业管理成本、人工成本逐年增加，建设单位对总承包单位工程管理水平的重视程度越来越高，同时工程规模不断增加，施工现场管理人员对信息化管理的需求也持续提高。诸多原因，致使水工施工企业必然去寻求一种更加高效、更能提升公司工程管理水平、增强企业核心竞争力、促进提质降本增效工作不断落实的新型工程管理手段。

2 采用BIM 作为工程管理手段

BIM，建筑信息管理，是在信息化时代应运而生的新型工程管理理念，旨在利用三维建筑模型搭载工程信息，直观反映工程情况，提升大型工程管理效率，最终实现建设工程不断增值，为使用者带来时间、成本等多方面效益。

BIM 技术在西方经过多年发展，已经得到了比较广泛的应用，能够完善覆盖建设工程全生命周期，尤其是在建筑、桥梁、隧道及管线方面，拥有多家软件公司提供深入开发的成套软件，为工程建设服务。

在水利圈围工程领域，BIM 的应用目前还处于初步阶段。受水上工程特点约束，如建筑形状、轴网不规则，受水下地形起伏影响较大，施工进度受自然条件影响显著等，BIM 技术应用推广相对缓慢。

但在不断的尝试与摸索中，技术人员紧密结合工程建设需要，从前期规划布置及总体施工方案的编制、工程量计算与快速反映、信息孤岛消除及工程管理信息强化三个方面展开了BIM 技术在水利圈围施工管理中的应用研究，并对研究结果展开分析，得到了符合预期、能够体现BIM 技术应用价值的对比结果。

3 BIM 在水利圈围施工管理中的应用

3.1 前期规划布置及总体施工方案

1）案例一：

长兴潜堤后方滩涂圈围工程（以下简称长兴潜堤工程）位于长兴岛东南角，工程围堤堤身结构均采用袋装砂斜坡堤型式，堤线全长3 277.07 m，总圈围面积1 666.68 亩。工程平面布置如图1。

图1 优化前平面布置

长兴潜堤工程工期紧张，围堤施工与吹填作业需同时进行，围内外交叉作业频繁，且水深条件受限，施工船舶作业空间不足，船机设备调遣频繁，需要采用科学的总体施工布置与多工作面布设，消除多项工序同时施工造成的相互影响，避免船机设备重复调遣造成的施工成本提升。

为解决长兴潜堤工程施工难点，施工前，技术人员利用BIM 理念，按照工程图纸、船舶图纸建立1:1 三维模型。通过BIM 软件可视化的摆放船舶设备模型、调整施工作业面，合理确定施工作业面布设位置，优化-3.0 m 以上堤身填筑方案为对拉施工，根据水深三维水下地形科学确定绞吸船泥面加深位置（图2），为工程顺利推进奠定基础；施工过程中，利用BIM 技术使进度管理形象化（图3），迅速确定进度影响因素。

图2 优化后平面布置

图3 进度管理形象化示意图

2）案例二：

南汇东滩促淤二期工程（以下简称“南汇二期工程”）位于浦东机场外侧促淤区以南的没冒沙水域，以及大治河延伸段以南-2～-3 m 高程（吴淞零点为基准）以上的南汇东滩滩地。

南汇二期工程堤线全长4 056.678 m，其中堤线南段为1 717.5 m 的透空式六面体筑堤结构，底层块体全部水平放置并呈梅花形布置，二层及以上则采用质心定点、姿态随机安放，上层块体斜插下层块体间隙之中筑堤结构段面如图4。

图4 透空式六面体筑堤结构断面图

该结构为堤顶高程、堤顶宽度、坡比控制，滩地标高变化复杂，块体尺寸统一而固定，产生了堤顶高程控制困难的问题：当滩地高程变化小于块体尺寸时，若增加一层块体，则堤顶标高太高，带来过多的施工成本；若减少一层块体，则堤顶标高太低，无法满足设计要求。经过分析发现，通过调整底层块体摆放的间距，能够在不改变块体层数的同时，微调最终断面堤顶标高。

在确定块体施工方案时，选取典型段利用BIM 技术进行了形象化的块体摆放分析，根据现场滩地高程数据，将底层块体纵横间距按照设计要求的最大偏差进行多种数据组合试验，寻求出最佳的底层块体间距数据（图5）。

图5 底层间距1.0 m×0.9 m 时模拟情况

分析过程利用底层块体纵、横间距的改变，模拟了共20 余种底层块体摆放情况，筛选出9 种满足设计要求的底层块体摆放结果，并统计各种方式的块体使用数量，揭示了块体数量使用最少的情形。

表2 底层块体摆放情况结果分析表

最终，利用BIM 技术模拟的方案成为透空式六面体施工方案，经完工后验收和统计，整体安装情况顺利，工后堤顶标高满足要求，块体消耗数量符合预期，充分体现了BIM 技术的应用意义。

3.2 工程量计算与快速反映

横沙东滩圈围（八期）工程（以下简称横沙八期工程）位于横沙六、七期北侧，横沙三期东侧，N23 潜堤西侧，已建促淤坝南侧。主要建筑物包括：围堤、保滩、吹填、河道、水（泵）闸、施工道路改建等，堤线全长22 509 m，总圈围面积6.36 万亩。

横沙八期工程吹填土方量巨大，达14 242.3万方，每1 %的计算误差都会带来不可估量的经济损失，是工程施工成本管理重中之重。因此吹填土方量测算需要尽可能的准确，避免测量手段或计算方法对土方量计算结果造成的影响。

结合前沿的无人机点云测量技术，施工管理人员在BIM 软件中将点云测量结果建立为三维工前工后地形模型，根据实际需求选取特定区域计算吹填土方量。点云算法以微积分为基础，与传统方格法用平均高程和插值算法计算方量完全不同，点云算法高程测点密度极大，通过工前工后点云数据比对形成空间体，再对空间体三维数据进行计算，精度极高。同时，技术人员将其与传统网格法计算结果、吹填船方量进行细致比对。

表3 土方量计算结果比对表

比对结果显示，传统方格法计算方式测量作业非常消耗时间，计算精度随着方格减小而增加，实际算量过程中，现场测点会随计算精度要求增加而加密，进一步增加测量作业时间，导致方量计算效率显著降低；而点云模型方量计算数据采集使用无人机进行，速度快、精度高，形成数字化测量结果方便下一步计算处理，全部计算流程消耗时间比传统方格法计算方式减少了50 %以上，计算精度也有着3～7 %的显著提升，且与吹填供砂量相互吻合（图6、图7）。

图6 土方量计算结果耗时比对

图7 土方量计算结果偏差比对

通过新型测量手段与BIM 技术的结合，实现了从数据源头到计算方法全过程的快速精确计算，最大程度的避免了工程量测算偏差，同时能以最快速度给出工程量、工程成本情况，为工程成本精确控制提供了强有力的依据。

4 结语

本文借助水利圈围工程实例，总结、归纳了传统施工管理手段的特点和局限，并与BIM 技术进行对比，通过多个鲜明、典型案例的对比分析，阐明了BIM 技术在前期规划布置及总体施工方、工程量计算与快速反映、信息孤岛消除及工程管理信息强化三个方面的显著作用，可归纳为以下四点：

1）采用BIM 技术模拟施工总体布置，具有直观、可视化的显著特点，在大规模、复杂结构的水利圈围工程中应用效果显著，能够有效提升方案的实际指导意义；

2）采用BIM 技术对新型透空式六面体堤身结构展开研究，能够直观、形象的确定施工安装方案，有效确保施工质量满足图纸要求，同时控制块体用量；

3）采用BIM 技术分析土方工程量，在大型吹填工程中效果显著，可快速反映吹填工程量，同时确保计算精度与传统测量方式相当；

4）采用BIM 技术建立施工信息模型，在大规模水利圈围工程中应用，能够打通各管理部门的消息闭塞，给施工管理中各项决策的制定提供全方位的依据。