长距离引调水工程建设期 BIM 技术应用研究

余卓衡 ，舒德伟 ，谢韵致 ，白畯文 ，李念容 ，黄祖传

（1. 云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000；2. 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

相较于传统的计算机辅助设计（CAD）技术的应用，BIM 技术从二维设计向三维设计转变，具有直观可视化、虚拟化、协同管理及多方管控的优势[1-3]。近几年水利部加快推进 BIM 等技术在水利工程建设全过程的集成应用，不断提高水利建设信息化水平[4-6]。目前，BIM 技术已在诸多单体水利建筑物上应用，但针对单体建筑物特性的 BIM 应用相对单一。长距离引调水工程区别于普通建设工程，存在工程路线长、建筑物复杂、参与方众多等问题，需要进行直观的综合应用管理，应用 BIM 技术进行综合管理是理想的管理方式之一。为此，基于 BIM 技术，将建设期投资、进度、质量、安全等数据集中挂接于 BIM 模型上，进行长距离建设综合管理。

滇中引水工程是国务院确定的 172 项节水供水重大水利工程中的标志性工程。工程建设分为一期和二期：一期工程包含水源和输水工程，工程自金沙江石鼓段右岸引水，经石鼓泵站提水至输水总干渠，沿途向丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河 6 个州（市）的 36 个县（市、区）受水区分水，输水总干渠全长为664 km；二期工程是滇中引水工程的重要组成部分，为输水总干渠分水口门至水厂、灌区、湖泊等配水节点的骨干输水工程（含提水泵站），以及连通在线和充蓄调节工程的输水线路，不包括规模较小的乡镇水厂的供水支线、水厂及其以下的配水管网和田间工程。滇中引水工程是一个系统性和综合性较强的大型水利工程，具有以下特点及难点：1） 工程建设线路长，统一管控难。工程项目多在地理位置较为偏僻之处，施工点分散，监管难度大。2） 地质情况复杂，建设监管难。云南为山地高原地形，滇中引水项目全线约92% 的工程为深埋地下几百米甚至上千米的隧洞工程，沿线的工程和水文地质非常复杂，建设、监测管理难。3） 参与方众多，信息交互难。工程项目涉及设计、施工、监理、监测等多家参建单位，在仅有二维数据信息交互的情况下，工程建设协调管理难度大。

本研究主要结合滇中引水工程建设，通过 BIM 模型将建设期数据整合挂接至“智慧滇中引水”建设管理信息系统，分析工程在建设期的 BIM 应用，为 BIM在长距离引调水工程建设期的应用提供实践参考。

1 BIM 标准体系建立

滇中引水工程建设涉及众多专业领域，各个专业横纵交织，繁复庞杂。根据滇中引水工程建设进度的推进及技术发展的需要，需要构建一个科学、系统、开放的 BIM 标准体系。为更好地实现建设期的 BIM 应用，应从 BIM 模型创建、分类及编码、交付流程等多方面制定标准，从而实现信息存取结构形式的统一，实现数据在传递和共享中的高效识别，促进设计数据与工程数据资源的互联互通、应用系统的扩展升级。

滇中引水工程一期工程主干线由多家单位共同设计，存在差异性。为实现 BIM 模型创建的统一性、完整性和准确性，对模型创建内容、方式及流程进行规范化指导，为统一化和标准化工程 BIM 模型成果，应制定项目级 BIM 模型创建标准[7-8]。可从建模软件、范围，模型组织结构，建模单位，项目基点及坐标系，模型命名、系统颜色、构件拆分、精细度等方面制定模型创建规范，并对创建过程中模型成果的整合、校审做出要求，如各专业模型总装时，要求进行多专业会审，在碰撞检测后进行创建模型的修改。引调水工程中渡槽是典型建筑物，通过标准规范对应精细度要求及构件拆分建立的渡槽模型分块建立示意图如图1 所示，渡槽槽身模型按构件拆分建立，可对后续施工及安装给予指导，符合建设管理期单元工程的精度要求。

图1 模型分块建立示意图

为了对 BIM 模型及其承载的信息进行交换与共享，需要形成数据字典，对 BIM 模型进行分类及编码，制定项目级 BIM 分类与编码标准，以提供设计合理、内容完备的数据资源分类体系，实现对工程数据资源的规划与管理。从工程角度出发，形成系统的分类体系，并将 BIM 模型以工程、位置、细部、对象等标识分别进行编码，其中对象标识还应根据专业、人员、文档等对象进行区分。各标识由连接符号及各层级编码组成，工程标识编码依据工程层级进行分类，细化到单元工程，查询标准中索引可进行单元工程编码。

项目级 BIM 模型交付标准适用于 BIM 模型及相关成果的交付和管理，即对交付物命名、格式、内容，交付审核流程及交付物属性信息做出规定。交付过程中包含交付方自审、接收方规范审核、应用方应用审核等过程，使 BIM 模型信息从创建源头到应用全线贯通。通过 BIM 模型交付标准，能制定统一交付规则，确保模型及数据传递的唯一性、完整性和准确性，提升工程项目数字化水平和数据应用效率。

2 工程建设期参数化设计及 BIM 协同

长距离引调水工程的 BIM 模型在建设期应依据初步设计文件，进行工程建设期深化设计，完成滇中引水一期工程（包含水源，以及输水总干渠全线土建、机电、金属结构等工程）多专业参数化设计。

2.1 参数化设计及模型创建

滇中引水一期工程具有引水渠、地下泵站、隧洞、渡槽、倒虹吸、暗涵等引调水工程典型建筑物，依据各类建筑物特点，采用以下不同的参数化设计方式：

1） 引水渠及建筑物周围边坡工程设计。主要采用 Civil 3D + Revit 参数化设计方式，采用 Civil 3D 软件结合 CAD 和 GIS 的功能，可用于土地开发、地形建模、水文分析等各个领域，本项目中 Civil 3D 依据测绘的地面等高线进行边坡支护结构设计，联动 Revit软件进行信息挂接处理，同时使用 3Ds MAX 进行模型渲染优化，保证后期与 GIS 模型整合时工程模型的准确性，设计示例如图2 所示，依据图 a 中勘测的地形等高线数据，进行开挖设计，并对支护结构进行设计，形成图 b 中开挖示意及支护结构。

图2 边坡工程参数化设计

2） 地下泵站工程。地下泵站工程主要涉及建筑及水工专业，采用 Revit 进行参数化设计，在快速出图的同时，可保留参数修改功能，后期与多专业 BIM 技术协同应用时可快速进行调整及变更，地下泵站水工模型设计示例如图3 所示。

图3 地下泵站水工模型设计

3） 隧洞工程。滇中引水工程全线超过 600 km的工程为隧洞工程，是长距离引调水工程的主要输水建筑物。隧洞工程结构相对简单，但线路多变，须根据地质特点，建设不同类型的隧洞工程。分析地质特点，构建不同截面族的模型库提炼可变参数，再根据单元工程划分生成相应的分项工程，根据当前地质情况设计隧洞线路，可快速参数化设计超长隧洞。

4） 渡槽、倒虹吸、暗涵等输水建筑物。在山谷、洼地、河流等特殊地质地段，会采用渡槽、倒虹吸、暗涵等输水建筑物，应根据各类建筑物特点进行参数化设计及 BIM 模型建立。渡槽结构有很多共同之处，因此建立通用的渡槽族库，族库包含桩、承台、墩柱等结构，使用族文件进行组装设计的渡槽工程模型如图4所示。滇中引水工程项目涉及竖井式、斜管式、曲线型、桥式等多种类型倒虹吸，倒虹吸模型依据功能划分分块，在完成进口段、管身、出口段独立设计后，在Revit 中进行各模块组装，设计成果示例如图5 所示。暗涵工程可使用三维可视化编程软件 Dynamo 节点辅助选取设计路线，并使用 Revit 进行涵箱、涵身段设计及模型创建，设计成果示例如图6 所示。

图4 渡槽模型示例

图5 倒虹吸模型示例

图6 暗涵模型示例

2.2 BIM 协同

滇中引水工程项目涉及水工、建筑、金属结构、电气等专业，各专业技术人员需要完成工程多专业协同设计工作。各专业统一项目基点，项目基点应具备对应位置的坐标信息，并控制模型绝对坐标，同时应采用多点控制定位，避免模型误差积累，保证模型与设计图纸及现场相对应。在 Revit 及三维设计软件 Navisworks 中进行多专业的碰撞和净高检查，在建设前完成专业协同修改。基于 BIM 技术的碰撞及净高检查，可以直观显示不同专业间的冲突位置，及时修改调整设计方案，减少专业内不同区段及不同专业间反复协调时间，同时设计方案变更后各专业也能快速协同响应联动修改。机电及金属结构专业与水工结构专业协同成果如图7 所示，从协同成果中可直观检查设计尺寸，进行碰撞检查。

图7 协同成果

3 长距离调水工程 BIM 应用

结合长距离引调水工程建设期管理模式，针对管控目标，应用 BIM 技术建立工程建设管理一张图，对工程全线进行管理；建立监测预警系统，对工程地质超前预报；建立全线工程协同管理，解决建设管理沟通难的问题。应用 BIM 技术开展智慧水利应用，既可直观形象地展示设计模型信息，也可同步关联建设进度及建管信息，提升工程总体形象及现场监管水平[9-10]。

3.1 工程算量

将设计数据与 BIM 模型挂接，可根据模型进行工程算量，模型根据单元工程拆分建立，可按照工程划分进行标段、分项、单元等不同维度的工程算量。支护工程单元工程算量示例如图8 所示，通过支护工程单元工程模型，可进行工程洞开挖量、支护喷混凝土量、挂网量、不同类型锚杆数量等各分项单元工程的算量。根据工程算量结果，可进行工程建设的投资控制，还可辅助进行工程质量管控。

图8 单元工程算量示例

3.2 施工模拟及可视化交底

基于建设期 BIM 模型，可进行施工模拟、虚拟建造、复杂工艺交底、施工顺序模拟等操作，进而对已有的施工方案进行验证，在方案比选后得出最优方案。利用形象直观的 BIM 模型进行交底，可制作动态视频，进行施工顺序及重难点施工方法讲解，可对施工人员进行教育培训。斜井出渣运行模拟示意如图9 所示。

图9 斜井出渣运行模拟示意

3.3 电子沙盘及虚拟漫游

长距离引调水工程建设中电子沙盘示例如图10所示，通过在 GIS 场景中集成 BIM 模型，可以用俯瞰、旋转等方式浏览输水路线中的各类输水及控制建筑物，与建筑物进行交互，并以文字、照片、视频等建筑物信息进行辅助展示。同时，还可沿输水建筑物内部，模拟输水线路进行虚拟漫游。

图10 电子沙盘示例

3.4 辅助管理

基于 BIM 可视化特点，利用互联网技术提供协同的网络共享环境，建立智慧水利应用体系，可辅助对安全质量、项目投资、费用控制、进度管控等工程建设期核心内容进行协同管控。通过对 BIM 及 GIS模型的集成，形成工程建设管理一张图，将工程管理从传统文字分类、二维图形提升到更直观的三维模型。依据 BIM 模型可针对建设期施工特性，将业务数据挂接到以单元工程拆分建立的建设期施工设计模型上，可以查看施工设计单元工程的相关信息。基于 BIM 技术的工程数据中心，将建设期采集、存储的数据挂接到 BIM 模型上，通过三维可视化地图直接查看相应点位的建设期信息，进行建设期业务管理，并辅助进行关键决策。

应用 BIM 技术可形象展现当前施工进度。在水源工程 BIM 模型上挂接进度、质量情况，能快速掌握各工程建筑物建设情况。隧洞进度形象展示如图11所示，根据里程桩号可将填报的施工进度信息与 BIM模型挂接，同屏进行隧洞开挖、衬砌施工进度对比；在填写建设计划的情况下，还可形象展现计划与实际实施的差异，结合地质模型围岩类型综合判断施工进度，有利于管控整体施工进度，进行合理化调整。

图11 基于 BIM 地质模型的隧洞进度形象展示

在 BIM 模型上挂接预警、预报及相关监测信息，可快速查看当前预警信息，根据预警信息定位到具体位置，通知附近人员进行现场处理。还可通过负责人追踪，查看后续隐患排除情况。

3.5 文明施工监管

视频监控平台和 BIM + GIS 平台融合，可在基于BIM 的工程建设管理一张图中，从视频监控平台调取监控数据，还可在 BIM 模型对应位置选择查看视频监控，远程视频监管施工现场，及时发现问题，确保安全文明施工，并实时存储监控数据。同时通过查看最新 VR（虚拟现实）全景，辅助典型监控摄像头使用，与施工设计 BIM 模型进行对比，掌握项目施工形象进度，形成建设期重要数据资料。

4 结语

目前，根据滇中引水工程项目特点建立的应用BIM 技术的智慧滇中引水建设管理信息系统已进入试运行阶段。通过 BIM 应用标准的制定及实施，完善了模型快速创建模式；对多个参与方信息进行梳理，融合 GIS 技术，BIM 技术在长距离引调水工程建设期的智慧应用效果随着建设期的推进逐一体现。结合 BIM技术可完成工程关键点的视频在线监控，在 BIM 应用平台可对引调水工程全线建设信息（如质量、安全、进度等信息）进行整合及可视化图表展示，落实滇中引水工程建设期的标准化和规范化管理。

后续将进一步研究 BIM 的深入应用：在不断积累工程建设期数据的同时，实现基于施工 BIM 模型过程的数据管控；在项目竣工时，将工程项目设计和建造过程的信息，通过竣工模型进行数字化交付；在运维阶段接续建设期原有 BIM 模型，挂接相关运维数据，如安全监测、流量监控、设备运行等数据，以模型为基底，直观地对泵站、分水口闸门进行调控管理，为工程运营期提供支撑。