BIM建模技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用

趙國(guó)華,李 巖,石 菊

（北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，102206，北京）

本文闡述了BIM建模技術(shù)在工程中的使用，從現(xiàn)在計(jì)算機(jī)BIM建筑模型的主要特點(diǎn)出發(fā)，就BIM建筑模型應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，BIM今后的騰飛進(jìn)行描述探索，故而產(chǎn)生對(duì)BIM建筑模型的認(rèn)知。并通過BIM建筑模型的使用，合理控制施工中每項(xiàng)環(huán)節(jié)都科學(xué)、合理、有效地完成，提升水利工程施工質(zhì)量整體水平。以下以山西中部引黃工程橋頭渡槽薄壁空心墩BIM建筑模型為例，介紹BIM建模技術(shù)在水利建設(shè)工程施工中的應(yīng)用。

BIM應(yīng)用流程見圖1。

圖1 BIM應(yīng)用流程

一、BIM建筑模型在水利工程施工中的技術(shù)特點(diǎn)

運(yùn)用BIM技術(shù)創(chuàng)建的虛擬建筑模型包含了建筑的所有信息，將這個(gè)虛擬建筑模型導(dǎo)入建筑能耗分析軟件中，可以自動(dòng)識(shí)別、轉(zhuǎn)換并分析模型中包含的大量建筑數(shù)據(jù)信息，從而方便快捷地得到建筑能耗分析結(jié)果。

BIM建筑模型是應(yīng)用電腦以數(shù)學(xué)方式說明物體和它們之間的空間關(guān)系，在工程中表現(xiàn)為可視化、模擬性、優(yōu)化性、參數(shù)化性4個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1.可視化

可視化，通俗一點(diǎn)就是“看得見”的意思，是使用電腦圖形學(xué)和圖像應(yīng)用技術(shù)，將所得的數(shù)值分別轉(zhuǎn)成圖形的形式，并可以顯示出來(lái)?？梢暬谒こ讨邪l(fā)揮的作用很大，例如：水利工程中鋼筋、管線交叉，一般的設(shè)計(jì)圖在描繪主體和線位的關(guān)系時(shí)，需要使用多張圖紙，有的圖紙可能并沒能和其他圖紙聯(lián)系在一起，所有的施工圖紙前后的關(guān)系施工人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)想象。結(jié)構(gòu)單一的工程，這種想象未嘗不可以使用，但由于近些年水利工程益趨復(fù)雜，憑借想象容易導(dǎo)致發(fā)生錯(cuò)誤現(xiàn)象和產(chǎn)生遺漏。使用BIM視圖可以將復(fù)雜的視圖進(jìn)行統(tǒng)一整理，梳理各專業(yè)的關(guān)系，在三維立體的空間內(nèi)形成實(shí)物的模型，用三維立體的形狀將結(jié)構(gòu)工程呈現(xiàn)出來(lái)。不再用想象施工這種識(shí)圖方式，極大地降低了人為因素所造成的施工錯(cuò)誤。

山西中部引黃工程橋頭渡槽位于山西省保德縣橋頭鎮(zhèn)石堎灣村，橫跨朱家川河及既有線公路神保線，上游方向與#2暗涵相接，下游方向通過#3暗涵與#2隧洞相連。朱家川河溝底地面高程957.0 m左右，底寬約80 m，河谷呈U形，岸坡陡立，底部近乎直立，上部較緩。渡槽在樁號(hào)總15 km+657 m（改）～總 15 km+667 m（改）段下部有神保線公路穿過，該公路是晉煤外運(yùn)的重要通道，車流量非常大。橋頭渡槽起點(diǎn)里程為總15 km+525 m，終點(diǎn)里程為總15 km+720 m，全長(zhǎng)195 m。渡槽寬度為7.2 m，過水?dāng)嗝鏋?.2 m×4.2 m，設(shè)計(jì)水深3260 mm。槽墩采用7.2 m×3.5 m的C35鋼筋混凝土矩形墩，#1槽墩 10.8 m，#2槽墩 55.9 m，#3槽墩43.6 m，#4槽墩14.35 m，矩形墩的4個(gè)外角均為圓倒角，內(nèi)角均為直倒角。矩形墩下接3.5m厚C30混凝土承臺(tái)，承臺(tái)下面為6根直徑1.8 m的C30混凝土樁基礎(chǔ)。使用BIM建筑模型的碰撞檢查功能，在繁瑣的設(shè)計(jì)圖中，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的閱讀，降低了返工率。該工程BIM實(shí)體建模圖形見圖2。

2.模擬性

BIM可以通過一系列虛擬手段用數(shù)字仿真技術(shù)對(duì)將要進(jìn)行的項(xiàng)目及過程進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)事前控制。模擬性并排就是簡(jiǎn)單的模擬建筑模型，還包括對(duì)工程實(shí)體材料、質(zhì)量、體積尺寸、工程數(shù)量的模擬。

圖紙只能描繪出實(shí)體工程的尺寸、外觀，對(duì)于工程的數(shù)量需要另行計(jì)算。為了確保計(jì)算的正確性，需多人進(jìn)行計(jì)算復(fù)核工作，如計(jì)算錯(cuò)誤，還需再進(jìn)行計(jì)算，浪費(fèi)大量的工程技術(shù)人員并且耽誤時(shí)間，還大大降低了工作效率。采用BIM建筑模型，完全可以模擬工程實(shí)體的物理材質(zhì)、建筑材料的質(zhì)量、體積及材料的數(shù)量，根據(jù)BIM建筑模型更加快捷地進(jìn)行工程量清單、材料清單數(shù)據(jù)的分類匯總，節(jié)約了時(shí)間，提高了工作效率，降低了計(jì)算的錯(cuò)誤率。

3.優(yōu)化性

優(yōu)化性受3個(gè)條件制約：信息、復(fù)雜的程度、時(shí)間。

①信息不準(zhǔn)確就不能做出合理的優(yōu)化結(jié)果。BIM建筑模型可以直接快速優(yōu)化的信息，使信息數(shù)字化。經(jīng)微調(diào)使優(yōu)化方案更實(shí)際。

②復(fù)雜程度決定實(shí)際操作的難度。在復(fù)雜建筑的施工中，施工人員的能力信息無(wú)法統(tǒng)計(jì)，只有借助科學(xué)技術(shù)與設(shè)備。BIM建筑模型使用在計(jì)算機(jī)中，將整個(gè)模型分解成小單元，也可以將模型刨開，形成需要的截面，可以解析掌握建筑物的細(xì)部尺寸，采用模型進(jìn)行完全解析。

③時(shí)間是優(yōu)化成功與否的關(guān)鍵。在BIM建筑模型中，可模擬實(shí)物的施工進(jìn)度，及各部位連接的前后次序。通過BIM進(jìn)度模擬，可將施工進(jìn)程模擬出來(lái)，減少了優(yōu)化、研發(fā)的時(shí)間。

4.參數(shù)化性

參數(shù)化建模是指通過簡(jiǎn)單改變模型中的參數(shù)值就可建立和分析新的模型。參數(shù)化體現(xiàn)在兩部分：參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。

①參數(shù)化圖元：在圖紙中，一種類型部件的尺寸經(jīng)常會(huì)采用代數(shù)和參數(shù)表的形式，之后需要查找在某種條件下需要代入的數(shù)值，是由部位→條件→尺寸→再反過來(lái)將尺寸代入部位的過程，整體步驟繁瑣，沒有直觀的概念容易帶入錯(cuò)誤的數(shù)值。例如：在圖紙中，墩柱的尺寸都是通過X來(lái)表示（部位），要想知道墩柱的尺寸就要先知道建造墩柱多高（條件），再到墩柱的參數(shù)表中查找該高度下墩柱的細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸，再將查到的細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸代入對(duì)應(yīng)的墩柱尺寸中（反代入部位）。BIM建筑模型中的同一種類型部件采用的是同一個(gè)圖元，根據(jù)尺寸的不同在同一圖元下分解成各種型號(hào)的子圖元，形成一個(gè)由同一模型構(gòu)造出的尺寸不同的模型組。只需要知道什么條件下的部件就可以直接得到該部件的細(xì)部尺寸，不需要再去查找、代入的過程。例如：同樣的墩柱只需要知道墩柱高度，就可以通過BIM建筑模型參數(shù)化圖元得到墩柱在該高度下的尺寸。

②參數(shù)修改引擎：參數(shù)化修改引擎提供參數(shù)更改技術(shù)，是對(duì)建筑設(shè)計(jì)或文檔部分作任何的改動(dòng)，這些改動(dòng)都可以自動(dòng)地在其他相關(guān)聯(lián)部分反映出來(lái)。每個(gè)建筑模型都是由單獨(dú)的構(gòu)件拼裝而成，每一個(gè)構(gòu)件都可以通過一個(gè)變更傳播引擎互相關(guān)聯(lián)。構(gòu)件移動(dòng)、刪除、尺寸變化所引起的參數(shù)變化會(huì)引起相關(guān)構(gòu)件的參數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)變化，每一個(gè)視圖下發(fā)生的變化都使參數(shù)產(chǎn)生變化，并雙向傳導(dǎo)到所有視圖，確保圖紙的一致性，不用逐一修改，進(jìn)而提升了工作效率和質(zhì)量。

BIM的數(shù)據(jù)傳遞到施工階段，公司用來(lái)做工程量化、進(jìn)度編排、工程造價(jià)等動(dòng)工前的準(zhǔn)備，用以安排采購(gòu)、下包、后勤等工作任務(wù)。

二、BIM技術(shù)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)和施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)可使各個(gè)環(huán)節(jié)配合得更好，可降低圖紙出錯(cuò)率、減少質(zhì)量事故、提高項(xiàng)目的透明度和可控性等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看該技術(shù)惠及建筑物的運(yùn)作、維護(hù)和設(shè)施管理等方面，其經(jīng)濟(jì)效益可持續(xù)顯現(xiàn)。北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司承建的山西中部引黃工程橋頭渡槽薄壁空心墩工程，采用BIM建筑模型技術(shù)進(jìn)行施工，并利用BIM建筑模型技術(shù)，在施工中對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了改革。

1.三維立體施工坐標(biāo)復(fù)核與查詢

采用BIM建筑模型研發(fā)的工具可隨時(shí)查詢實(shí)體工程任意位置的三維立體施工坐標(biāo)，隨時(shí)對(duì)放樣點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程進(jìn)行復(fù)核。在施工圖紙中，工程實(shí)體的坐標(biāo)和高程都不在一起，每次進(jìn)行測(cè)量都必須計(jì)算坐標(biāo)高程并進(jìn)行復(fù)核才可以施工放樣。使用BIM建筑模型可隨時(shí)在建筑模型的任意位置查詢?cè)擖c(diǎn)的坐標(biāo)和高程。該項(xiàng)新技術(shù)極大地減少了測(cè)量人員的壓力，在墩身的施工中，測(cè)量人員可以隨時(shí)查看并放樣任意點(diǎn)的坐標(biāo)，減少測(cè)量方面出現(xiàn)的施工錯(cuò)誤。BIM建模圖形見圖3。

圖3 BIM建模圖形

2.三維立體施工技術(shù)交底

過去給作業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行交底，主要是文字和圖紙交底，交底內(nèi)容匱乏且不形象，許多作業(yè)人員反映交底內(nèi)容看起來(lái)像看天書一樣不明白。在山西中部引黃工程橋頭渡槽薄壁空心墩工程施工中，第一次采用了BIM建筑模型進(jìn)行了施工的技術(shù)交底，交底內(nèi)容更加方便、快捷、直觀、形象，提高了溝通和協(xié)調(diào)效率，節(jié)約了成本。

3.實(shí)時(shí)出圖功能

由于紙張的限制，大部分圖紙都是只有主要結(jié)構(gòu)的圖紙，當(dāng)想查看部分位置結(jié)構(gòu)時(shí)，只能靠想象，對(duì)于溝通能力有著極大的限制。

使用BIM建筑模型后可以實(shí)時(shí)提供橋梁任意角度、任意剖面、不同構(gòu)件的二維圖紙，真正做到了有問題拿圖紙來(lái)說明，對(duì)于施工質(zhì)量有著極大的提升，減少了大量人力成本。

4.施工進(jìn)度模擬

通過實(shí)施4D施工模擬，根據(jù)項(xiàng)目施工計(jì)劃來(lái)模擬橋梁三維形象進(jìn)度，使橋梁施工更加直觀準(zhǔn)確，便于施工資源周轉(zhuǎn)，為科學(xué)進(jìn)行場(chǎng)地布置提供了幫助。

三、BIM建模施工技術(shù)的局限性

現(xiàn)階段，BIM建筑模型施工技術(shù)屬于高新計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)應(yīng)的配套設(shè)施還不完善，存在對(duì)應(yīng)的人才少、計(jì)算機(jī)配置要求高、不便攜等局限性。

現(xiàn)在建筑工程施工中BIM技術(shù)尚未普及，BIM建筑模型技術(shù)不是一門容易掌握的技術(shù)，需長(zhǎng)期、持續(xù)地學(xué)習(xí)和練習(xí)。

BIM建模技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)的高新技術(shù)，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的要求也比較高，無(wú)形中增加了施工成本。

重要的是，BIM建?，F(xiàn)在只能在計(jì)算機(jī)屏幕中顯示，攜帶極不方便，雖然BIM建模也可以通過BIM打印技術(shù)形成BIM模型，也可以形成紙質(zhì)上的2D圖紙，但并不能解決BIM模型攜帶不便的事實(shí)。

BIM管理問題，BIM模型中包含著建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的所有信息，模型數(shù)據(jù)量龐大，系統(tǒng)處理負(fù)擔(dān)沉重，而BIM模型數(shù)據(jù)格式不同于傳統(tǒng)CAD及文本文件，跨平臺(tái)間資料交換標(biāo)準(zhǔn)尚未全統(tǒng)一，所以就存在著數(shù)據(jù)分類命名的問題及檔案管理的問題。

圖4 VR技術(shù)虛擬

四、BIM建模施工技術(shù)展望

1.利用手機(jī)APP查看BIM模型

現(xiàn)階段手機(jī)上對(duì)應(yīng)主流的BIM建模軟件APP相對(duì)匱乏，但是已經(jīng)有了很多APP可以在手機(jī)上查看BIM模型，只是受限于操作步驟復(fù)雜、繁復(fù)，無(wú)法直觀體驗(yàn)BIM模型。與手機(jī)APP應(yīng)用結(jié)合后，相信不久的將來(lái)可以做到更加完美。

2.與VR技術(shù)的結(jié)合

VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。

使用VR技術(shù)會(huì)更加直觀地體驗(yàn)BIM模型。在VR技術(shù)的虛擬空間里，可以按照真實(shí)1∶1的比例來(lái)觀察BIM模型。在電腦中，人們查看的是縮小了百倍的圖形，不管模型尺寸再精細(xì)，都無(wú)法替代按1∶1建造出來(lái)的模型的直觀感。而且BIM模型是由一個(gè)個(gè)構(gòu)件組成的，利用VR空間可以隨意地替換、更改構(gòu)件，還可以直觀地觀看施工進(jìn)程模擬，更加完美地體驗(yàn)、優(yōu)化模型。

3.與AR技術(shù)的結(jié)合

AR（現(xiàn)實(shí)虛擬技術(shù)）現(xiàn)在說還太早，只是設(shè)想一下，將虛擬的BIM模型通過設(shè)備在現(xiàn)實(shí)中體現(xiàn)出來(lái)?？梢栽趯?shí)際施工中通過實(shí)物與BIM模型對(duì)比、觀察，發(fā)現(xiàn)實(shí)物與BIM模型的細(xì)微差別。使施工人員直觀地觀看施工進(jìn)程，使施工更加簡(jiǎn)便。