BIM+智慧工地在水利工程建设中的应用——以涟水县朱码节制闸拆除重建工程为例

蒋一波，高 艳，孙 君，朱晨辉，尚琦智

（1.江苏淮阴水利建设有限公司，江苏 淮安 223000；2.南通大学，江苏 南通 226000）

建筑信息模型（Building Information Modeling,简称BIM）是一种集成了工程的物理特征、功能特性和管理要素的工程全要素数字信息化模型。它大大提高了建筑工程可视化和量化分析的可能性，能明显提高工程施工及管理的效率［1-4］。目前，BIM技术在国内建筑领域，已经由基于单机的聚焦单点技术应用［5-9］，向基于网络的全生命周期项目管理应用转变［10-12］，逐步实现以工程数字化为核心的工程全生命期管理，将为水利提质增效和创新发展带来机会。为了实现工程的全生命周期项目网络管理，许多行业内学者尝试将BIM技术与移动互联、物联网、人工智能AI、地理信息系统、大数据等新一代信息技术进行对接。作为BIM与网络结合的重要技术之一，BIM+智慧建造是能较为明显改观常规施工现场各参建单位对于工程管理的交互方式、工作及管理模式等，能实现工程管理的一体化、信息化、智能化，是一种新颖的工程项目综合管理模式，但目前在水利工程，尤其是功能性较多的综合利用水利工程中的应用较少。

涟水县朱码节制闸拆除重建工程位于涟水县城北约5 km处的朱码街道北侧，工程总投资约10 001万元。其功能主要包括：①属于盐河干流梯级控制工程，承担着上游地区191.5 km2的排涝任务；②为涟东、涟中、涟西3个灌区蓄水，保证3个灌区农田灌溉；③在排涝期和非排涝期利用余水进行发电。因此，该工程属于排涝、发电、灌溉多功能的综合利用水利工程，工程采用闸站结合方案，由1座水电站和3孔节制闸组成，水电站设计发电流量32.4 m3/s，总装机容量1 300 kW。为实现涟水县朱码节制闸拆除重建工程的项目科学高效组织实施，精细化管理，迅速发现图纸遗漏、矛盾或错误，动态成本监控，实现“水利优质工程”目标，有必要通过BIM技术虚拟建造工程、实施施工部署，通过其碰撞检查找出具体设计问题，进一步完善设计方案，通过BIM+智慧工地系统实行数字化管控，提前预警、协同共享、施工工艺优化及工程量验算。

以Revit等软件对BIM建模，同时研发智慧建造信息化项目管理系统，形成BIM+智慧建造信息化系统，在施工质量、安全、进度等方面高标准的要求下，优化工艺实施过程，增强施工效率，提升工程施工管理水平。

1 BIM+智慧建造信息化系统管理模式

在朱码节制闸拆除重建工程中，引进智慧工地管理平台，以互联网思维打造新型建设工地管理环境，通过将BIM、物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术应用于水利工程建设管理，实现工地管理从依托于人的“经验管理”“点式管理”到基于信息化的“科学管理”“不间断管理”过渡，实现绿色、安全、高效、生态的工地管理状态，并构建综合利用水利工程智慧建造的关键技术，打造综合利用水利工程建设的标准化、精细化和智能化管理模式。

2 基于BIM技术的朱码节制闸拆除重建建模及方案优化

在朱码节制闸拆除重建工程施工过程中，BIM技术主要应用在工程投标、设计阶段建模、施工过程部署、图纸会审及优化、沉浸式可视化技术交底、基于BIM施工模拟优化、碰撞检测、工程量测算、安全配置模型、安全分析交底等方面。

2.1 工程投标

在朱码节制闸拆除重建工程投标阶段，依据招标文件要求，编制BIM应用方案时可通过对主要结构建模，并利用三维渲染动画，给人以真实感和直接的视觉冲击，使投标文件增色。

2.2 设计阶段建模

根据设计图纸并严格按照BIM标准体系搭建水工结构、金结、建筑、MEP、幕墙等基础模型（图1），并由BIM负责人组织各专业负责人对其检查，核对模型的合理性、完整性。

图1 整体枢纽工程结构模型建立

2.3 施工过程部署

（1）虚拟仿真。前期BIM策划先行，让项目建设更健康，项目部入场之初，通过BIM规划，高效利用场地，建设花园化工地。

（2）临建布置。通过虚拟布置确定场区内加工厂等临时设施，布置临建系统装置，响应绿色施工要求。

（3）大型机械管理。通过建筑模型与场地的位置关系，方便确定塔吊等大型机械的布置方案（图2），检查群塔高度关系与碰撞情况，对现场布置有更直观的把控。

图2 利用BIM建模指导塔吊布置

2.4 图纸会审及优化

在构建模型过程中，利用BIM技术的三维可视化并结合施工现场实际情况，提前将图纸存在的问题向设计单位反馈，及时优化调整施工图，有效缩短设计变更时间，加快施工实施进度。

2.5 沉浸式可视化技术交底

为了解决传统平面施工技术交底不够直观、接底人与交底内容理解有偏差等问题，利用BIM可视化特点，进行三维技术交底，提高交底内容的直观性和精确度。

2.6 基于BIM施工模拟优化

在开展的“提高圆弧翼墙钢筋保护层一次验收合格率”QC小组活动中，应用BIM模型深度优化模板设计，指导施工生产，提高成品质量检测合格率。在施工中提前运用BIM技术对工程实体进行精准建模，并虚拟施工，发现问题及时调整施工安排，如对基础和防渗钢板桩进行三维精细化桩位放样，模拟现场施工，用于指导现场实施以消除空间误差。

2.7 碰撞检测

利用BIM技术，对机电管线进行综合排布，使其科学合理。进行三维可视化交底，在如图3所示的虚拟建筑物内部漫游，了解各个构件信息、设备位置关系、空间关系、施工顺序等，提高施工人员对图纸的理解。

图3 虚拟建筑物内部漫游

2.8 工程实体准确算量

BIM模型创建后，可以准确快速计算工程量，提升施工工程量计量的精度与效率。与传统的根据图纸计算工程量的方式相比，在异形构件工程量计量中尤为突出。

2.9 安全配置模型

给出依据BIM技术建立的外排脚手架配置安全模型，明确步距、立杆间距、剪刀撑配置等关键参数，并进行脚手架稳定性验算，确保施工有序推进。

2.10 模型安全分析交底

依托BIM模型进行“四口五临边”危险性较大的危险源分析，生成分析报告，三维动态安全交底，让一线作业人员了解和掌握作业面的安全注意事项，提高生产作业人员的安全意识，保障施工的安全。

2.11 传统施工工艺优化

朱码节制闸拆除重建工程水电站进水流道为大尺寸异形渐变截面，传统模板施工工艺多为木模板及砖模，其施工时间长、成本高，且施工精度控制较困难。利用BIM+3D打印技术（图4），指导泵站流道异形钢模板设计、加工及安装，并利用三维模型对相关人员进行技术交底，有效提高了施工效率和施工质量。

图4 水电站异形结构组合式钢模板虚拟施工及现场拼装

3 BIM+智慧建造管理平台设计与应用

3.1 BIM+智慧建造管理平台框架

为实现施工进度线上管理、质量安全云端信息同步、图纸规范信息云端查询等管理措施，改变以往传统项目管理模式，使数字化管理深入项目常态化管理，朱码节制闸拆除重建工程施工初期，便搭建BIM云端管理平台，通过分配项目管理人员权限，依托专业的BIM+智慧建造管理平台，以“智慧工地大数据中心”为数据集成枢纽，以终端BIM模型信息为核心，使构件动态信息、项目资料信息、进度信息、质量安全信息、商务信息等集成大数据文件，可供各参建方按权限、按需求实时获取，实时掌握项目动态，也使项目管理数据永久的保存下来。

3.2 BIM+智慧建造管理平台功能

（1）完善水利工程标准化构件库。朱码节制闸拆除重建工程是水利界较早使用BIM+智慧工地云管理平台的工程，其平台尚有许多不完善之处，如：软件中水利专业术语缺乏，标准化的构件库尚未完善。为此，研发人员前期与软件研发人员进行深入对接，在使用过程中根据水利工程施工及管理特点不断对其系统进行优化完善，并基于朱码节制闸工程不断完善水利工程专用构件库，使之初步适应水利工程建设。

（2）数据共享，多方协调。基于BIM+智慧建造管理平台，现场人员通过手机端实现施工图纸、规范及施工现场基本情况等资料数据的共享，建设单位、监理单位、施工单位实现三方协同管理。

（3）生产进度精细化管理。基于平台可实现进度信息的互联互通，实时读取进度信息，与BIM模型建立关联，实现进度信息的三维可视化，施工管理人员可详细地看到施工任务完成情况、延期情况、延期原因、任务负责人等信息，从而实现施工进度动态控制。

（4）质量管理可追溯性。图5给出了BIM+智慧建造管理平台系统质量管理与控制界面。现场的施工管理人员使用手机客户端将现场质量问题记录并反馈到BIM模型中的相应位置，相关责任人可通过管理平台第一时间处理反应的问题，并定期进行统计分析。

图5 BIM+智慧工地管理系统质量管理与控制界面

（5）安全管控应用。安全管理模块与质量管理模块相同，现场的施工管理人员使用手机客户端将现场质量安全问题记录并反馈到BIM模型中的相应位置，短信推送给相关责任人第一时间发现并处理反应的问题。

（6）VR沉浸式虚拟安全教育。使用BIM-VR安全体验系统，通过项目BIM模型结合虚拟危险源，让体验者走进真实的虚拟现实场景中；通过沉浸式、互动式体验让体验者得到更深刻的安全意识教育，提升全员安全意识水平。

（7）劳务实名制管理。结合BIM系统、可穿戴智能安全帽、人员进出口闸道机和GIS系统，建立基于物联网的劳务实名制系统，利用该系统，通过人脸识别、身份证录入等手段，杜绝代打卡、卡丢失、补卡频率高现象，确保人员数据真实；人员身份信息自动采集，做到人员进出方便，出勤记录可追溯性强；做到用工情况统计、用工超时报警，保障并提高务工人员及项目的安全性；还可以对施工工人进行实时定位，从而实现对施工现场人员的实时监控。

劳务实名制系统还可以直观地展示出施工现场各工种、各承包队伍工人的年龄分布等信息，便于进行一些社会化数据的分析，有助于改善施工项目劳务工人的考勤管理、安全管理、工资管理、后勤管理，提高项目劳务用工管理能力，保障劳务工人和企业的利益，促进建筑企业的劳务用工健康发展。

（8）建筑物位移沉降观测。在BIM模型中，布置位移观测点，导入监测数据，生成监测曲线。有利于掌握建筑物位移情况，超过阈值时自动报警提醒，保证工程建设安全。

（9）高支模支架安全监测。通过高支模监测系统，实现对高大模板立杆轴力、立杆倾斜、模板沉降、立杆位移受力状态的实时远程监控，避免安全事故的发生。

（10）塔吊监控。塔吊是建筑工地上最常用的一种起重设备，而塔吊设备也是安全施工所关注的重中之重。本项目共采用了2台塔吊，并在塔吊安装过程中引进塔吊监控系统，该系统主要包括风速报警、防倾斜、禁行区域设置保护、多塔吊的防碰撞、制动控制、塔吊黑匣子等多种功能。对每一台塔吊，系统都对其幅度、高度、附近风速、吊钟、力矩比、荷载比、转角和倾角进行了实时监测，且在BIM平台中可以实时查看。同时，各塔吊的操作人员和设备信息也录入到系统中，方便随时查看。

（11）环境监测系统。传统施工工地现场，扬尘噪声问题严重，又缺乏有效的在线监测技术和定量化监管手段，传统的人工目测等手段并不能满足项目要求。为此，本项目在施工现场，专门设置有环境检测仪，实时监测空气质量、温度湿度和噪声音量，同时，项目平台用图表的方式直观展示环境监测状况，并且对历史数据进行可视化分析。当环境监测系统发现施工项目在扬尘或者噪声方面超过许可阈值时，会发布“科学施工”的预警信息，及时通知施工相关负责人落实整改措施。本平台还与自动喷淋装置结合，当扬尘大过阈值时，自动启动喷淋，有效降低空气中的扬尘，保护环境。

4 结语

本文以涟水县朱码节制闸拆除重建工程为例，通过应用BIM+智慧工地协同平台，以BIM模型为载体，在朱码项目管理中有效提高了项目的整体管理能力，加速项目信息化的实现，实现数字建筑，符合国家倡导的节能、环保、生态建筑，在资源优化、成本控制、劳务管控、绿色施工等方面起到了积极作用，实现了项目精益化建造、智能化管理。同时，依托朱码节制闸拆除重建工程BIM+智慧工地应用，深化研究了水利工程的智慧建造。