BIM 技術(shù)在船閘施工中的應(yīng)用研究

周超ZHOU Chao；何英發(fā)HE Ying-fa

（華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 210014）

0 引言

船閘工程項目作為大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，專業(yè)結(jié)構(gòu)相對完整，投資規(guī)模相對較大的項目，在施工過程中，需要注重的信息紛亂復(fù)雜。對于相關(guān)從業(yè)者來說，在設(shè)計和施工的過程中，必須要結(jié)合大量信息，做出最科學(xué)的決策。從這個角度來看，運用BIM 技術(shù)針對船閘項目進(jìn)行管理，運營和維護(hù)，能夠取得非常顯著的效果，在這樣的模式和技術(shù)體系下，針對整個項目的決策會更具針對性，管理結(jié)構(gòu)也會更為有效。

1 BIM 技術(shù)簡介

從目前的情況來看，我國在BIM 技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛，但是由于我國對于相關(guān)技術(shù)的研究始終處于持續(xù)的狀態(tài)，因此，國內(nèi)學(xué)者以及相關(guān)從業(yè)者對于BIM 理解相對深刻。與此同時，本文將依據(jù)所選案例工程的實際情況，對BIM 技術(shù)在項目中的實際應(yīng)用情況以及各個部門需要遵循的原則進(jìn)行探討。同時，從施工工藝以及工程周期的角度出發(fā)，制定詳細(xì)的劃分規(guī)則，建立三維模型對信息進(jìn)行整合。最后，在確定信息準(zhǔn)確的同時，對信息進(jìn)行錄入，形成一個完整的信息資源庫。具體流程如圖1 所示。

圖1 研究工作流程

2 典型應(yīng)用研究

廣西西江開發(fā)投資集團有限公司的西江航運干線貴港航運樞紐二線船閘工程是一座3，000t 級（Ⅰ級船閘），船閘的總體規(guī)模為280×34×5.8（m），該項目的落成為廣西西江黃金水道的運力提供了有效的保障。

2.1 施工工藝模擬與可視化交底技術(shù)研究

船閘項目本身涉及到的結(jié)構(gòu)和信息非常復(fù)雜，需要運用BIM 技術(shù)對信息進(jìn)行可視化處理，讓整個項目信息更加具體直觀，為后續(xù)的施工質(zhì)量、施工進(jìn)度及施工安全提供切實保障。

BIM 虛擬施工技術(shù)的運用，主要是通過BIM 軟件獲取信息，形成三維立體的信息模型，在設(shè)計前期，相關(guān)從業(yè)人員可以以此為依據(jù)、對項目進(jìn)行分析和優(yōu)化，并且以此為基礎(chǔ)，及時找到整個項目的問題，對問題進(jìn)行深入剖析，取得最佳的設(shè)計效果和設(shè)計方案，這樣一來，相關(guān)從業(yè)者就可以在項目落成之前，對整個項目有一個直觀的了解，同時，在施工過程中也可以從視覺化的角度出發(fā)，協(xié)調(diào)各個項目以及工序，實現(xiàn)成本管控的目的，防止人力資源和材料的浪費。

2.2 進(jìn)度管理模塊

以BIM 技術(shù)作為基礎(chǔ)的進(jìn)度管理過程中，又涉及到進(jìn)度控制以及進(jìn)度管理等兩個方面。主要基于WBS 工作分解所獲得的結(jié)果，以可視化的處理模式來進(jìn)行因素研究、報表定制、動態(tài)顯示、模擬演示、進(jìn)度比較、過程審批以及計劃編制等方面的管理過程。相關(guān)業(yè)務(wù)管理過程則和進(jìn)度計劃之間存在著比較大的關(guān)聯(lián)性，形成BIM 模型。

2.2.1 進(jìn)度模擬

對于其三維場景，則可根據(jù)相關(guān)進(jìn)度計劃來開展模擬。在模擬的基礎(chǔ)上，即可得到各個工序所對應(yīng)的施工時間長度與具體順序，此外還包括不同部位的具體銜接方式，使施工工藝的進(jìn)一步細(xì)化獲得必要的參考依據(jù)。比如說，在進(jìn)行閘首進(jìn)行模擬之后，則可全面地認(rèn)識到邊墩和檢修門庫等的相互搭接及具體施工順序等，認(rèn)識到鋼筋和預(yù)埋件等相互之間的具體預(yù)埋順序及鋼筋位置等信息，并且對資源的具體配置進(jìn)行清晰的同步展示。在模擬靠船墩的工藝之后，則可大體掌握預(yù)制安裝以及現(xiàn)澆等方案的不同之處。

2.2.2 進(jìn)度模擬對比

在這一模塊當(dāng)中主要有碰撞檢查對比以及進(jìn)度模擬對比等兩個部分。該系統(tǒng)可在3D 場景之中進(jìn)行全面的進(jìn)度對比。它主要包括了不同分項所對應(yīng)計劃進(jìn)度和具體進(jìn)度之間的對比。對于3D 視圖來說，主要利用2 個界面來進(jìn)行充分的展示，著重模擬在各種工期長度、設(shè)備條件及人員組成的情況下的具體進(jìn)度及計劃進(jìn)度等。通過開展碰撞對比，則可針對船閘工程以及其中的分項結(jié)構(gòu)尺寸與具體施工順序等開展深入的比對，將施工或者是設(shè)計方面的沖突挖掘出來。在貴港二線船閘中，其碰撞對比主要涉及到預(yù)埋件、鋼筋、金屬結(jié)構(gòu)及水工結(jié)構(gòu)等，主要的部位則包括了交通橋、下閘首、閘室以及上閘首等，所發(fā)現(xiàn)的碰撞點共計一百八十九個，由于發(fā)現(xiàn)了上述碰撞點，使得參建方可獲得較為完善的施工工藝以及項目圖紙所需的重要信息。與之相關(guān)的檢查案例詳見本文的表1-表3 所示。

表1 閘室廊道鋼筋與金屬埋件間的碰撞檢查結(jié)果

表2 上游主導(dǎo)航墻與護(hù)坦碰撞檢查結(jié)果

表3 碰撞檢查統(tǒng)計表

在開展碰撞檢查之后，除了可將問題提前發(fā)現(xiàn)之外，也可及時有效地形成解決方案，使尚未進(jìn)行施工工作之前即已將問題解決掉，確保項目的施工能夠順利地展開，促進(jìn)了整體效率的進(jìn)一步提升，降低了項目的管理成本，提高整體的管理效益。

2.2.3 進(jìn)度預(yù)警

它的主要作用是告知計劃和實際存在差距的工程單元是哪些。該系統(tǒng)會通過各種字體及顏色來顯示出來。比如說，若分項的具體開工時間比項目總計劃所對應(yīng)最遲開工時間更晚，那么該系統(tǒng)將通過標(biāo)紅的方式來給與一定的提醒。實際上，對于預(yù)警系統(tǒng)來說，其主要表現(xiàn)形式包括了完工出現(xiàn)延遲、開工出現(xiàn)延遲、以及二者均出現(xiàn)延遲等。在組織項目施工的時候，可以針對不同的具體部位來進(jìn)行警戒值的設(shè)定，如果相關(guān)的數(shù)值已經(jīng)高于設(shè)定的警戒值，那么將有預(yù)警信號被發(fā)送出來。當(dāng)預(yù)警信息已經(jīng)被接收之后，則迅速地進(jìn)行原因的分析，且通過合理的措施來進(jìn)行有效的糾偏。

根據(jù)船閘基槽開挖的相關(guān)要求，應(yīng)當(dāng)在已經(jīng)完成了上級邊坡的防護(hù)工作以后，再開挖下級邊坡，此時進(jìn)度控制的閾值設(shè)置如下：當(dāng)已經(jīng)完成了上級邊坡的防護(hù)工作以后再開挖下級邊坡。進(jìn)行施工的過程中，有時候技術(shù)工作員還沒有掌握上級邊坡防護(hù)的情況，就已經(jīng)提交開挖下級邊坡的施工工作計劃，由此，系統(tǒng)將會馬上反饋上級工序還沒有完成，而不可進(jìn)行提交。所以，能夠有效地避免出現(xiàn)邊坡不穩(wěn)定或者是工序錯誤等安全問題。將橡膠材質(zhì)的止水帶設(shè)置于混凝土圍堰之間，則進(jìn)度控制閾值的設(shè)置如下：在已經(jīng)安裝好模板以后，應(yīng)當(dāng)同步地安裝橡膠材質(zhì)的止水帶。在組織施工的過程中，已經(jīng)嚴(yán)格地參照所需的結(jié)構(gòu)尺寸來安裝了第一段模板，在錄入了信息之后，該系統(tǒng)將會給出提醒信息，應(yīng)當(dāng)在2 段圍堰間安裝好橡膠止水帶，從而不會出現(xiàn)工序遺漏的問題。

2.3 質(zhì)量管理模塊

有時候，也將戴明環(huán)稱作PDCA 循環(huán)，主要是指劃分質(zhì)量管理的過程而得到共計4 個不同的階段，即計劃（Plan）、執(zhí)行（Do）、檢查（Check）、處理（Act）。研究證實，它也是一種非?？茖W(xué)合理的質(zhì)量管理程序。所謂質(zhì)量管理就是指質(zhì)量計劃的實施及制訂等完整過程。

2.3.1 質(zhì)量分布分析

實施項目的不同階段中，應(yīng)當(dāng)在工程模型的基礎(chǔ)上，合理地利用各種質(zhì)量管理的核心方法（包括TQC 及PDCA等），來動態(tài)性地分析不同的分部以及分項質(zhì)量。比如說，在單位分部分項劃分已經(jīng)獲得了監(jiān)理方的正式審核通過之后，則將采用分項工程來作為其所需的最小單元，并聯(lián)BIM 模型，再通過3D 模型來顯示出已工并獲得通過的分項工程，此時將會通過加粗字體的形式來進(jìn)行顯示，接著則可結(jié)合質(zhì)量評定方面的基本規(guī)范來開展數(shù)理統(tǒng)計的過程，且根據(jù)相關(guān)的需求來獲得詳細(xì)的質(zhì)量報表，接著再開展質(zhì)量分析。

2.3.2 質(zhì)量預(yù)警

它和進(jìn)度預(yù)警比較相似，它可針對相關(guān)的單位分部分項質(zhì)量進(jìn)行全面且高效率的預(yù)警。所顯示的信息采用彩色及加粗的字體，利用BIM 系統(tǒng)來將其清晰地顯示出來。比如說，當(dāng)全體分項工程已經(jīng)完成之后，且已經(jīng)通過了質(zhì)量評估，會發(fā)現(xiàn)存在統(tǒng)計遺漏的問題，那么該系統(tǒng)將通過其預(yù)警界面來給出紅字，以進(jìn)行遺漏信息的預(yù)警。

2.4 安全管理模塊

安全文明施工警示、危險源辨識及預(yù)案信息、視頻監(jiān)控集成三大板塊內(nèi)容是BIM 安全管理模塊的重要組成部分。而貴港二線船閘項目便基于此建成。在項目施工全過程中，BIM 界面能夠?qū)崟r清晰顯示危險源、檢查記錄、安全事故處理、安全管理等各分項，這保證了過程管理的檢查與追溯的可操作性，因此對項目施工過程的問題實時預(yù)警和問題查詢提供了技術(shù)保障。

危險源辨識是安全保障體系中規(guī)避風(fēng)險的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)中，倘若技術(shù)人員添加了屬于危險性較大的分部分項工程的危險源及預(yù)防控制措施信息，那么施工人員便可通過該信息做好分析工作，設(shè)立應(yīng)急預(yù)案，提前規(guī)避好種種風(fēng)險。安全保障體系的其他工作，如布置人員設(shè)備、技術(shù)支持、工藝調(diào)整等等也是基于預(yù)防控制措施信息來制定。施工安全通過層層預(yù)防工作來保證，很大程度上可以盡可能規(guī)避事故發(fā)生。

2.5 工程量統(tǒng)計與核對

工程量計算精度對于船閘項目建造十分重要。船閘的異性構(gòu)件使其工程量計算難度大大增加。BMI 算量模型在工程量統(tǒng)計與核對中十分優(yōu)越，是一個高效率計算處理工具。異性構(gòu)件的幾何尺寸和空間信息經(jīng)過布爾計算和微積分的算法處理進(jìn)行模型切割分塊，且BMI 算量模型對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。因此異性構(gòu)件的計算結(jié)果精確度極高，可行度非常強。造價人員建立的模型與事件信息（4D）、成本信息（5D）一加一大于二，計算處理結(jié)果能夠很好地規(guī)避誤差，進(jìn)而規(guī)避參與單位因工程量計算問題引起的紛爭。

①BIM 算量模型的建立。BIM 算量模型需要通過一定的方式來建立。目前可采取利用的有三種方式：1）照圖紙設(shè)計；2）識圖轉(zhuǎn)圖建立模型。識別DWG 二維圖并轉(zhuǎn)換成BIM 模型；3）導(dǎo)入復(fù)用。國際通用數(shù)據(jù)格式（比如IFC）可以從中導(dǎo)出再導(dǎo)出復(fù)用。但在本項目中，后兩種建立方式不適用于不規(guī)則的獨立的船閘，因此選擇直接按照船閘主體構(gòu)件圖紙在BIM 算兩種直接構(gòu)建算量模型進(jìn)行計算。這可以規(guī)避掉通用型算量軟件的不便，使算量模型更加科學(xué)，計算結(jié)果更加精確。這也體現(xiàn)了該模型的實用性。

②基于BIM 技術(shù)的工程量計算。過程計量和工程量審核在船舶施工過程中是非常大的工程計量支付工作量內(nèi)容。BIM 技術(shù)的介入對這兩個方面都進(jìn)行了傳統(tǒng)手段所帶來風(fēng)險進(jìn)行充分規(guī)避。首先在過程計量工作方面，手算圖紙和傳統(tǒng)工具軟件計算既分散，難度又大。數(shù)據(jù)處理本身是一項繁雜的高難度工作，進(jìn)度、材料與預(yù)算的資料搜集極容易出錯。因此在傳統(tǒng)的過程計量工作中，工程進(jìn)度款計算粗放，因此造成了很多進(jìn)度款工程款的爭議問題。這對工程項目的風(fēng)險把控十分不利，同時增加了甲乙雙方的法務(wù)工作壓力。BIM 技術(shù)在工程量審核方面大大提高了巨大工作量的處理效率，提高了工作時效性。

③基于BIM 技術(shù)的工程量審核。在船閘項目施工的每個階段，工程量審核階段性特征明顯。比如清單工程量是在招投標(biāo)階段，分包工程量是在施工過程，結(jié)算工程量是在竣工過程。這些工程量大方面的審核通過每個細(xì)小環(huán)節(jié)的對比分析來實現(xiàn)，細(xì)化到部位、構(gòu)件、流水線等具體環(huán)節(jié)，通過不斷的分析找出差距。BIM 技術(shù)優(yōu)勢在對量軟件中體現(xiàn)在兩個方面，一是可視化，當(dāng)所有的問題形象直觀地顯示出來，每個階段的審核模型工作量都可任意提取，那么紕漏就會盡可能減少，誤差和爭端也會盡可能減少，減少甲乙方之間的法務(wù)糾紛處理工作量；二是軟件可以自動輸出審核方報表，構(gòu)建工程量的差異無需像傳統(tǒng)方式那樣花費大量人力物力，生產(chǎn)力得到解放。

3 結(jié)語

像貴港二線船閘工程這樣的大型綜合性結(jié)構(gòu)復(fù)雜項目，BIM 技術(shù)強大的信息綜合處理能力對項目的提質(zhì)增效起到非常大的作用。具體而言，信息傳送方式由紙面到電子和聲像，施工圖紙審閱由原來的二維到三維立體界面和漫游，這些技術(shù)的更新?lián)Q代對項目參建人員來說是節(jié)省工作時間、提高工作效率的高級運用。BIM 技術(shù)應(yīng)用以后，工程內(nèi)容的探討由單一傳統(tǒng)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣嘟Y(jié)構(gòu)實景討論，創(chuàng)造了良好的客觀條件，更好的激發(fā)設(shè)計團隊與管理方的主觀討論。在施工管理過程中，進(jìn)度、質(zhì)量、安全保障工作等方面都可通過BIM 技術(shù)來管理查看，分析處理，形象直觀且科學(xué)精準(zhǔn)。大型綜合項目的時間成本與管理成本需要這樣的技術(shù)來實現(xiàn)量效齊增。在今后類似項目中，貴港二線船閘采用類似技術(shù)的管理經(jīng)驗可以大力推廣，其借鑒參考意義十分重大且卓越。