水利工程施工中BIM技术的应用探析

徐 燕 王亚薇 刘亚洁

任丘市城乡供水服务中心 河北 任丘 062550

21世纪后，计算机硬件、网络、软件和信息处理技术都有了长足的进步，2 G技术逐渐进入5G时代，许多新技术被广泛地运用到了建筑行业。随着施工技术的发展，工程项目呈现出越来越多的新特点，比如跨度越来越大，结构越来越复杂，规模越来越远大。基于平面图形的平面造型，利用三维图形进行三维立体造型建模比较困难，而平面CAD图形的平面造型已经不能满足当前施工单位之间的工作需求。为了提高建筑的建设速度，使建筑的3D可视化和BIM仿真技术得以实施。

1 BIM技术特征

利用BIM技术和一套功能化的技术，使 BIM技术可以将所有的信息有机地结合起来，以可视化、多维度、多功能的立体模式进行显示。BIM模式可以根据项目的建设单位及项目的不同发展时期的具体需求，通过各种信息的整合，实现对项目信息的及时更新、修改、插入和提取。与常规CAD绘图相比，BIM不仅可以进行三维的描述，还可以引入其他微观的管理、成本和时间等方面的数据。

1.1 仿真和最佳化

BIM建模的基础是对工程进行多方位、全过程仿真，它包含了建筑物或构件、平面布置、施工进度、施工进度和施工管理。采用可视仿真技术，进行工程质量的有效控制，从而达到早期的问题，并对施工成本、工期和质量进行科学的控制[1]。

1.2 三维效果

通过对工程的综合分析，建立了一个具有完整可视性的四维、三维 BIM模型。在此基础上，各个参与单位使用共用的平台登陆，能够对建筑物或部件进行形象的可视化，并能及时高效地进行交流，极大地降低了信息传输的错误，并能在二维、三维转换中，减少建筑或成品、二维图纸、三维建筑施工等信息的传输。

1.3 全过程模拟

只要不改变建模的软硬件和应用规范，就可以在规划设计、施工、运营、维护等全过程中采用相同的BIM模式，并根据不同的需求对不同的项目进行相应的调整，从而实现全方位、全过程的仿真设计。

BIM技术是通过一组基于相关规范的运行程序共同实施的，从而达到维护、管理、施工、设计等多个方面的信息的分享与传输。利用 REVIT等软件对项目进行建模，经过一系列的转换和可视化设计，最终完成项目的信息集成，成本核算，设计模拟，能耗计算等。

2 水利枢纽建设特征

2.1 多种因素的作用

由于水文气象、地形地貌、地质条件等诸多自然条件，对其工程的建设有很大的作用[2]。

2.2 多个设计单位

水利工程的特点是：生态环境，工程技术，城乡规划，经济发展，社会政治，财政金融，居民生活等各个领域，涉及的行业和部门也很多，这也是水利工程的一个重要特点。

2.3 建筑结构的复杂性

由于水文地质条件、气候条件等诸多原因，对水工结构的渗透、冲刷、推力、浮力等影响较大，因此，在实际工程中，往往存在着水文地质、气候等诸多不能精确掌握的条件。

2.4 高质量的产品

水利项目建设环境复杂，辅助性工程多，而且如果发生事故，造成的经济后果无法估算，因此对工程的质量提出了更高的要求。

2.5 需要政府参与

由于水利项目的建设时间较短，需要大量的资金，因此，其项目在一定程度上是由政府进行的。

3 BIM技术在我国的发展状况及优越性

3.1 目前的使用状况

1)缺乏专门的人员

BIM技术的运用不仅需要对相关的相关软件进行熟练的操作，还要将BIM概念与现场的建设与技术相融合。但目前在水利工程建设中，掌握BIM技术和丰富的工程实践经验的工程技术人才很少见。准确、迅速的仿真是BIM技术充分利用的前提条件，但目前BIM技术的运算速率和存储量都很难达到工程应用的需要。

2) BIM技术的运用还不够深入

当前，我国大部分建筑企业对 BIM的整体建模水平还不够高，只能通过录入项目信息、输入CAD绘图等方法来构建BIM模型。BIM技术在实际中的应用主要表现为图像的绘制和简单的3D模型，其优点和优点还没有完全体现出来。

3)目前还没有完全开发的软件体系

水利工程建设中存在着诸多因素，工程项目中 BIM技术要求相对于工程来说更高，但 BIM技术在水利工程中的运用并不显著，这是因为目前还没有开发出适用于水利工程的BIM技术。另外，在实际运用的过程中，各个模块的量算、成本模块的运用效率都比较低，尽管模块已经开始运用，但是在真实的计量计算中，绝大部分仍然是不能用的。由于我国目前还没有建立起与施工相关的BIM技术的统一接口和规范，制约了BIM技术的互联和普及[3]。

3.2 优点

与住宅建设相比，水利建设施工难度大，相关专业多，涉及范围广，BIM技术在我国的普及比较缓慢。近几年，BIM技术在大型复杂的大型工程和重大工程中逐步得到了广泛的应用，并已初见成效。比如，某研究所运用BIM技术，利用相关的软件完成了道路建设、场地规划、测绘、勘察分析、设计、三维造型等工作，并利用三维模型进行三维模型的集成和软件系统设计。BIM技术使工程的设计过程变得简单，大大提高了工程建设的效率。在项目正式开始之前，通过可视化、数字化的方式，使项目参与方能够了解项目的每一个阶段，并且收到了很好的结果。

基于上述的经验，运用BIM技术对整个工程施工进行全面的监控，可以保证工程施工的安全、成本、质量和进度。

1) 建筑结构的协调与最佳化

在工程施工中，施工单位要与监理、业主、设计、材料供应商、交通部门、相邻标段施工单位、审批单位等多方配合。此外，非建筑专业人士很难根据文字和图形来描绘出一个具有三维结构的建筑外形。利用BIM技术制作的3D建模不仅能够使产品更具视觉效果，而且可以极大地提高各个行业之间的交流。

2) 建筑工程的最佳化

要从根本上改变目前工地的盲目、粗糙的状况，就需要提高项目建设的质量。利用BIM技术进行工程建设，可以实时地分析工程建设中的各种问题，并进行最优的调试和后期的控制，从而防止工程中的盲目建设。另外，利用建筑的立体建模技术，对错综复杂的工程区域进行安全交底、技术交底，能给一线的工程人员提供更为具体、直观的指示，便于对现场工作人员和工作人员进行了解，从而极大地提升了工作的工作效率和交流的效果。

3) 优化建筑过程

在项目正式开始之前，将项目的进度和过程相结合，可以将项目的具体情况，以最大限度的减少返工的可能性。

4) 工程建设的时间安排

以水利水电工程的3-D BIM建模为例，将工程进度规划融入到时间维中，形成4D建模，并将工程量、成本等数据融入到5D建模中，使整个工程建设的各个环节都能得到较好的仿真。BIM技术可使工程节点得到合理的选择，并在合适的情况下进行优化设计。

BIM技术可以对工程的关键部位进行可视性的仿真，对工程的布局进行了科学的规划和布局，对材料、机械等的使用进行了更直观的了解。通过碰撞检验，可以及早地察觉到工程建设中的冲突和矛盾，从而为工程进度、资源和成本的最优控制提供有力的保证。

4 BIM技术在水利工程施工中的应用

4.1 BIM协作模型

“奔牛”水利枢纽包括船闸、节制闸、京杭运河立体交叉式地下涵洞、孟九桥等重要建筑，涉及到水工、金属结构、房建、电气等多个领域，其中涉及到多个领域的技术人才。Revit中有两种协作方式：专案工作集中和连结档案。

在 Revit里，工作集中会把大家的改动信息储存在一个中心的数据包里，然后把别人的改动情况及时的告诉其他的设计者，让他们知道别人的改动和改变的效果。可通过工作集轻易地将同一项工作分解到多人的项目中，适用于各行业的协作。

连接是将被提交的Revit文档与中央模块连接，并利用Revit的冲突检测函数实现了部件之间的冲突检测，适用于不同行业之间的协作。可以创建私人云或者租赁公用的云计算，把数据中心的文件放置到云端，实现异地访问、修改、建模和协同。

在奔牛水利枢纽建设中，通过专业间的工作集合和专家的联系，通过一个企业的云平台，在不同的地方进行协作和技术支持。

4.2 模式的构建与分解原理

施工BIM与工程施工模式不同，必须考虑施工工艺、施工步骤等方面的影响，将其分解和重构。模型分割太多会增加模型工程量，增加中心文件的体积，使得 Revit浏览和修改变得卡顿，模型分割太粗，无法满足施工模拟、质量控制和施工管理的要求。一般情况下，BIM的分解应按单元、清单和工序综合考虑。鉴于奔牛场的工程模型数量众多，为了建立轻质Reivt模型并达到施工的控制需求，对分析单元进行了分解，以达到工程仿真和控制的目的。《奔牛水利枢纽工程项目划分表(调)》中的一些单位工程的名字和编号，如图所述。

在 Revit中，整个建模都是以族类的形式进行的，而奔牛的核心工程中，包含的组件很多，相应的族类文档也很多，所以为了便于系统的更改和管理，必须要有特定的族类和实例。根据《水利工程建筑信息模型设计规范》DB32/T 3841-2020，“跑牛枢纽人”和“家”的命名准则，例如：“桥头_垫层_C25_10cm”；“导向墙_垫层_C25_10cm；“每一种”的名字尽可能是一个“族谱”，例如：在“地涵”的南侧2#东侧墙体“φ70 cm”的“劲性复合桩基”是一个对应的“族谱”，见图1。

图1 “奔牛场”协作工作方式的原始图片

图2 奔牛站各子段工程名称及编号的分区

4.3 数据的输入和抽取

BIM在施工过程中必须满足工程技术的需求，便于工程的管理，为工程实施提供全面的服务。BIM模式必须与有关的资料进行联系，以满足工程建设的需要。信息量大，输入的工作量大，信息量小，无法为建设提供高效的服务。在此基础上，通过对项目的详细分析，确定了8项指标：1）单位项目的名字；2）单位项目的项目号；3）项目的开工日期；4）项目竣工的日期；5）建设竣工日期；6）质量检验资料；7）建设单位负责人；8）注意事项。单位工程的名字、单位的数量一一与奔牛水利枢纽工程的单位标号一一对应，计划开工时间、计划完工时间、开工时间、施工完成时间是施工进度和施工过程的管理，施工质量检验资料有利于掌握工程的质量，施工负责人在施工中出现问题可以追溯。在 Revit中，将专案的参数设定为与该模式元件相联系。

4.4 建筑仿真

在此基础上，结合 Revit的可视化柔性特性，运用 BIM技术构建了一个建筑的几何建模和施工流程，使其实时、交互、逼真地仿真，从而验证了现有的施工方案，并能针对不同的场地和项目特征，制定不同的方案，并进行比较和优选。

建筑仿真的实现，大多采用 Navisworks语言。首先将 Revit的综合模式转换为. nwc，然后将相应的模板和工程进度进行关联，然后利用 Navisworks中的时间链接来完成。通过仿真，可以精确控制施工进度，最大限度的利用资源和场所的合理布局，实现施工进度和资源的统一，缩短工期，降低成本，改善产品的质量。可以防止由于工程建设期间缺少资金而造成工程的停顿和拖延。这将有助于工程人员更好地了解和了解工程，降低由于信息传达而产生的疏忽或误会，从而加速工程建设的进程，提高工程的整体质量，从而有助于项目团队做出迅速的决定[4]。

时间链接也可以通过设定单位的开始外观、结束外观、提前完工外观、延迟完工外观等来显示工程进度和真实时间的不同。既能使施工人员能全面掌握整个项目的建设进度，又能根据边界情况对尚未竣工的单位进行适当的施工模拟和布置。

5 结论

结合新孟河奔牛桥工程实例，对施工模型建立标准、施工模型族的定名、BIM模型分解标准进行了细致的剖析，将施工时间、施工质量与BIM模型进行了联系，并编写了 Revit二次施工的施工资料和查询模块，以便在施工中对施工进行质量和进度进行控制，完成BIM模型，为进一步推广BIM模型，为进一步推广BIM技术提供了一定的参考和借鉴。