BIM技术在大型倒虹吸工程施工中的应用研究

王涛　娄运达

摘 要：笔者研究建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术在大型倒虹吸工程中的应用，利用BIM技术，创建观音山特大倒虹吸三维信息模型，实现倒虹吸模型的参数化设计，提高了倒虹吸工程在Revit中的构建效率。优化倒虹吸工程施工方案以及场地管理，使施工方案与场地规划更加合理。利用物联网智能传感器技术，实现了倒虹吸工程施工的智能化协同管控，提高了施工管理智慧化水平。

关键词：信息化技术;大型倒虹吸;BIM应用

中图分类号：U216.4     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）3-0034-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.008

Application of BIM Technology in Construction of Large Inverted

Siphon Project

WANG Tao    LOU Yunda

（1.Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co.， Ltd.， Qujing 655000， China; 2.School of Civil Engineering and Transportation， North China University of Water Resources and Hydropower，

Zhengzhou 450045，China）

Abstract： The author studies the application of building information modeling technology in large-scale inverted siphon project， uses building information modeling technology to create a three-dimensional information model of Guanyinshan super large inverted siphon， realizes the parametric design of inverted siphon model， and improves the construction efficiency of inverted siphon project in Revit. Optimize the construction scheme and site management of inverted siphon project to make the construction scheme and site planning more reasonable. The intelligent collaborative management and control of inverted siphon project construction is realized by using the intelligent sensor technology of the Internet of things， and the intelligent level of construction management is improved.

Keywords： information technology; inverted siphon; BIM application

0 引言

BIM（Building Information Modeling）是指在建筑物的規划、设计、施工以及运营维护阶段全生命周期中，利用数字信息技术来辅助施工设计或维护[1]。虽然BIM技术在我国的房屋建筑领域应用颇广，但应用在水工建筑领域还较少，主要是因为水利工程中存在许多异形结构，建模复杂，而且水利工程市场份额没有房屋建筑领域高。水工建筑物中管道构件较多，容易出现安装错误的情况，利用BIM技术可以显著降低安装失误率，提高施工效率[2]。笔者以观音山倒虹吸为例，研究Autodesk Revit建模应用在倒虹吸工程中的应用，为相关项目提供参考。

1 工程背景

滇中引水工程观音山倒虹吸项目，管线全长9.77 km，采用3根内径4.2 m的压力钢管输水，设计流速100 m3/s，共71个镇墩、786个支墩。主要结构物有观音山退水渠（总长1 878 m）、进水池及配套设施、出水池、机电及金属结构安装等工程。在面对众多施工管控重难点的情况下，BIM在不同管理层次上具有显著优势，通过发挥BIM技术在深化设计、施工和协同管理维护等建筑生命全周期的各个阶段的高精度集成及高效传递，解决以下施工重难点。

①规模大、标准高。观音山倒虹吸工程是目前国内在建的线路最长、施工规模最大的倒虹吸工程。同时是“安全工程、优质工程、生态工程、民心工程、廉洁工程”的五个一示范工程。

②技术新。运用大直径压力钢管智能化数控设备、智慧工地、5G数字建造等技术。

③难点。第一，空间异性镇墩及大直径压力钢管测量定位及控制核准难度高。第二，协调难，工程线路穿越罗茨盆地，先后穿越083乡道、X334县道、武易高速、两次穿越东河及村庄等敏感建筑物。其中，穿越东河的施工导流及下穿武易高速的道路保通尤为重要，涉及相关管理单位多、协调难度大、安全风险高、施工难度大。第三，安装难，工程线路穿越村庄、河流、山区较多，施工道路地形复杂，倒虹吸设计最大坡度为23.7°，在运输和安装过程中，施工难度大、安全风险高。第四，管理难，专业分包多，工期紧，同一作业面交叉作业多、工序穿插难度大。

2 BIM模型的建立

2.1 采用Revit建模的优点

Revit是Autodesk旗下的建筑信息模型软件，利用Revit进行倒虹吸模型的构建有3个优点。

2.1.1 操作简单易上手。Revit与AutoCAD都是Autodesk公司的产品，二者界面布置、操作逻辑都很相似。熟悉CAD的用户也能很快上手Revit，完成从二维绘图到三维绘制的转换[3]。

2.1.2 可利用参数化族方便倒虹吸模型的构建。Revit参数化族可以极大地减少建模时重复的工作量，用户建好参数化模型后只改变参数值即可获得不同位置的构件，降低建立复杂倒虹吸模型的难度。参数化设计和BIM结合，可以在项目建设中提高工程设计、施工方案模拟的工作效率[4]。

2.1.3 软件可开发性、拓展性较强。Revit的API是不断地拓展与完善的。开发人员可以用任何.NET支持的编程语言对Revit进行拓展，使之更符合工程实际要求。利用BIM软件API开发的相关功能模块包装为功能插件，可以系统有效地为水利水电工程BIM设计提供便利，具有长远意义[5]。

2.2 倒虹吸建模流程

为了合理地实现倒虹吸模型的构建，首先需要在项目中绘制不同的标高，以及在不同的标高平面绘制关键轴网，创建镇墩族并载入项目文件，镇墩之间按照工程实际情况添加压力钢管构件，并将承台、基础、支座添加到项目中。

其中，镇墩、压力钢管以及承台外形相对规整，故进行参数化建模。下面简单介绍镇墩的参数化建模过程，采用公制常规模型的样板文件来进行参数化族的创建。第一步，创建参考平面，对底板的长宽、墩顶高度以及镇墩底长等参数创建约束。第二步，根据镇墩的宽度进行拉伸放样。第三步，根据压力钢管的外径在镇墩上预留孔洞，并进行参数化设置。镇墩的参数化设置如图1所示。完成后的倒虹吸模型如图2所示。

3 BIM信息化平台及应用

依托滇中引水工程楚雄段施工9标观音山大型倒虹吸项目，紧密结合大型倒虹吸项目施工信息特点及施工过程管理与控制的科学问题，开展大型倒虹吸项目施工信息模型原理与应用研究，并围绕该施工信息模型，对倒虹吸项目信息化施工模块构建、基于BIM系统的关键施工技术、共享交互技术展开深入研究，实现现场管理BIM应用的目标。

3.1 复杂地形条件下的高难度钢管运输安装

工程线路穿越村庄、河流、山区较多，施工道路地形复杂，倒虹吸设计最大坡度为23.7°，在运输和安装过程中，施工难度大、安全风险高。通过施工进度计划，结合BIM模型，对施工方案进行预先模拟，评估机械布置、施工方案的合理性与可行性，并对斜坡段压力钢管安装、平直段压力钢管安装、管桥处压力钢管安装、下穿武易高速段安装四个方案进行优化创新，从而减少质量问题、安全问题，减少返工和整改。图3为倒虹吸斜坡段压力钢管的吊装模拟。

3.2 大直径压力钢管的“智能化加工”

制作的压力钢管内径4.2 m，共需钢管7.78万 t。压力钢管厂建设标准高，包括加工车间、防腐涂刷车间、焊材库、仓库、成品堆放区等;生产质量要求高，从开始下料到防腐涂刷整套工序复杂，生产加工设备的配置及选型标准高。通过特大压力钢管智能化加工模拟的应用，将施工画面直观展现，提供工程管理可视化控制和技术分级评价体系，建立基于虚拟现实的高端工程管理模式，实现特大压力钢管加工规范化，有效提高工程质量，降低施工风险。图4为压力钢管的加工模拟过程。

特大压力钢管加工及安装施工难度大，精度要求高，对施工人员的技术水平提出了极高的要求。施工前需要对施工人员开展相关培训工作，传统的培训方式无法满足特大压力钢管加工及安装施工的要求。BIM的观音山倒虹吸压力钢管智能化加工及安装模拟平台是一款对压力钢管智能化加工及安装施工进行模拟管理的系统，该系统主要为压力钢管智能化加工及安装施工提供一种交互性操作、模拟体验环境，以增加学习过程中的互动感。系统能够让用户在大场景中对将要加工及安装施工的工艺进行动画展示，并且每一个场景能够进行360°全方位操作，让客户对整个将要施工完成的压力钢管加工及安装场景了然于胸。

本项目采用钢板自动电子磁吊装置进行钢板原材料的吊运，可以根据电流的大小实现自动吸放单张或多张钢板，另外配备停电保磁控制系统，确保突然停电时的安全。钢板下料配备5 m及7 m宽数控火焰切割机各1台，5 m宽数控用于加劲环等环形附件下料，7 m宽数控用于直管段及弯管段钢管等下料，该设备带有多个割炬，可以同时切割多个零件。数控料台可同时放置4张钢板，实现数控切割机不间断工作。直管段钢板坡口加工可采用数控双边双面坡口成型机，通过钢板电子磁吊装置将已下料完成的板料吊运至该设备工作台上，可实现板料自动对中、自动给进，双边同时铣削加工，提高了数10倍功效，并得到一次成型固有的平整度和直线度。纵缝焊接采用二氧化碳气体保护焊打底，然后使用双丝双弧埋弧自动焊机，相较于传统单丝单弧埋弧焊机，生产效率提高1倍。同时，配置焊剂自动回收装置，降低人员焊剂清理工作量，改善作业环境，更加节能环保。

3.3 长距离多工种施工的“数字化管控”

观音山倒虹吸工程是目前国内在建的线路最长、施工规模最大的倒虹吸工程，专业分包多，工期紧，施工管理难度大。通过在自卸汽车上安装的空间定位传感器来获取自卸汽车的运行状态。及时获取施工进程，对工期延误、行车超速、装料卸料异常进行预警，便于规范化、安全化施工。通过对施工进度数据进行可视化处理，直观快速地了解施工项目进展，进而可以合理安排技术工人、材料、设备的入场时间，避免由于窝工导致利润的损失。采用三维电子沙盘、镇墩精准控制点、压力钢管精准安装、運输车辆调度、管理全景分析等施工数字化管控技术，提高了施工管理智慧化水平，实现了引水工程智慧工地创新技术的落地。

BIM的观音山倒虹吸现场施工协同服务平台是一款对现场施工进行数据共享、数据分析、数据应用等协同工作的服务系统，如图5所示。该系统主要为施工现场数据采用、应用提供一种规范化、流程化、共享化的协同工作方式。基于BIM平台的资料管理，主要可上传关键技术资料及日常管理文件，供管理人员实时查看。项目管理人员可通过平台上传质量问题并关联模型，推送至相关责任人进行回复，日常检查安全问题可上传平台关联模型，推送至相关责任人，做好模型与现场安全管理及时有效挂接。

3.4 基于BIM的场地管理

BIM过程常态化应用主要有基于BIM的场地管理，模拟各阶段施工现场平面布置动态管理，对材料堆场、运输路线、工序穿插、各专业工序衔接等进行分析，节约现场用地，对场地不合理位置进行优化。对于施工方案，利用BIM模型进行施工验证，预先发现施工过程中的不合理因素，确保不影响正常的施工进度，使场地布置更加经济、合理[6]。

传统的施工场地管理，通常是利用二维CAD图纸来进行场地规划以及创意表达，平面图纸难以直观地对施工现场进行表达，通过建筑信息模型可以实现对施工场地布置的虚拟仿真，及时发现施工场地布设中的不合理现象，从而优化施工场地布置。

4 结语

该项目所提供技术可为施工阶段提供更多信息，节约成本，提高施工效率。例如，施工进度可视化分析可以减少窝工，节约时间成本。BIM技术与施工质量管理结合可以节约施工质量管控成本，还可以保障施工的顺利完成，提高工程质量，能将业主更多的施工资金投入建筑中，而非行政和管理中。

该项目对工程信息化管理面临的信息传递与沟通障碍，结合BIM技术的参数化、协同性特点，提出了基于BIM的倒虹吸施工管控平台的解决方案，研究了BIM技术在可视化模拟、进度管理、质量管理及资料管理方面的应用，着重对三维精确定位、质量资料管理等方面进行研究，通过分析各个应用点工作原理，最终确定了平台各个模块的实现方式和工作流程。

项目建立的倒虹吸施工管控平台，部分模块还须进一步深度开发，并在应用中不断完善。平台数据与文档资料管理功能仍须加强，有些无法满足各类信息格式的导出。在信息的自动提取方面须进一步研究，目前平台信息采集过程中某些部分仍需要人工导入，如何实现平台与外来信息的自动、准确对接是后续工作中要考虑的问题。项目下一步将加强BIM+5G智慧工地应用，主要是针对安全施工生产管理、技术质量管理、物资管理和绿色施工管理，实现经济和社会效益的最大化。

参考文献：

[1] 何小龙，于金平，申畯.我国BIM技术应用现状和发展对策研究[C]//中国图学学会建筑信息模型（BIM）专业委员会.第六届全国BIM学术会议论文集.北京：中国建筑工业出版社数字出版中心，2020：323-327.

[2] 庞维福，高虎军，张洪伟，等.BIM在大跨高铁连续梁-钢桁组合桥施工中的应用[J].工程管理学报，2020，34（4）：124-128.

[3] 陈文宝，魏志松，张航，等.BIM技术在装配式桥梁工程中的应用[J].北京交通大学学报，2019，43（4）：65-70.

[4] 马江桥.参数化设计在轨道交通工程BIM建模中的应用[J].天津建设科技，2021，31（4）：55-58.

[5] 梁建波，李德，董平.基于Revit API的水工参数化模型二次开发[J].水利规划与设计，2021（10）：106-111.