BIM建模技術在水利工程施工中的應用

趙國華,李 巖,石 菊

（北京金河水務建設集團有限公司，102206，北京）

本文闡述了BIM建模技術在工程中的使用，從現在計算機BIM建筑模型的主要特點出發，就BIM建筑模型應用的優點及缺點，BIM今后的騰飛進行描述探索，故而產生對BIM建筑模型的認知。并通過BIM建筑模型的使用，合理控制施工中每項環節都科學、合理、有效地完成，提升水利工程施工質量整體水平。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建模技術在水利建設工程施工中的應用。

BIM應用流程見圖1。

圖1 BIM應用流程

一、BIM建筑模型在水利工程施工中的技術特點

運用BIM技術創建的虛擬建筑模型包含了建筑的所有信息，將這個虛擬建筑模型導入建筑能耗分析軟件中，可以自動識別、轉換并分析模型中包含的大量建筑數據信息，從而方便快捷地得到建筑能耗分析結果。

BIM建筑模型是應用電腦以數學方式說明物體和它們之間的空間關系，在工程中表現為可視化、模擬性、優化性、參數化性4個優點。

1.可視化

可視化，通俗一點就是“看得見”的意思，是使用電腦圖形學和圖像應用技術，將所得的數值分別轉成圖形的形式，并可以顯示出來?？梢暬谒こ讨邪l揮的作用很大，例如：水利工程中鋼筋、管線交叉，一般的設計圖在描繪主體和線位的關系時，需要使用多張圖紙，有的圖紙可能并沒能和其他圖紙聯系在一起，所有的施工圖紙前后的關系施工人員根據經驗想象。結構單一的工程，這種想象未嘗不可以使用，但由于近些年水利工程益趨復雜，憑借想象容易導致發生錯誤現象和產生遺漏。使用BIM視圖可以將復雜的視圖進行統一整理，梳理各專業的關系，在三維立體的空間內形成實物的模型，用三維立體的形狀將結構工程呈現出來。不再用想象施工這種識圖方式，極大地降低了人為因素所造成的施工錯誤。

山西中部引黃工程橋頭渡槽位于山西省保德縣橋頭鎮石堎灣村，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，該公路是晉煤外運的重要通道，車流量非常大。橋頭渡槽起點里程為總15 km+525 m，終點里程為總15 km+720 m，全長195 m。渡槽寬度為7.2 m，過水斷面為4.2 m×4.2 m，設計水深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個外角均為圓倒角，內角均為直倒角。矩形墩下接3.5m厚C30混凝土承臺，承臺下面為6根直徑1.8 m的C30混凝土樁基礎。使用BIM建筑模型的碰撞檢查功能，在繁瑣的設計圖中，實現橋梁結構的閱讀，降低了返工率。該工程BIM實體建模圖形見圖2。

2.模擬性

BIM可以通過一系列虛擬手段用數字仿真技術對將要進行的項目及過程進行模擬，從而實現事前控制。模擬性并排就是簡單的模擬建筑模型，還包括對工程實體材料、質量、體積尺寸、工程數量的模擬。

圖紙只能描繪出實體工程的尺寸、外觀，對于工程的數量需要另行計算。為了確保計算的正確性，需多人進行計算復核工作，如計算錯誤，還需再進行計算，浪費大量的工程技術人員并且耽誤時間，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體的物理材質、建筑材料的質量、體積及材料的數量，根據BIM建筑模型更加快捷地進行工程量清單、材料清單數據的分類匯總，節約了時間，提高了工作效率，降低了計算的錯誤率。

3.優化性

優化性受3個條件制約：信息、復雜的程度、時間。

①信息不準確就不能做出合理的優化結果。BIM建筑模型可以直接快速優化的信息，使信息數字化。經微調使優化方案更實際。

②復雜程度決定實際操作的難度。在復雜建筑的施工中，施工人員的能力信息無法統計，只有借助科學技術與設備。BIM建筑模型使用在計算機中，將整個模型分解成小單元，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部尺寸，采用模型進行完全解析。

③時間是優化成功與否的關鍵。在BIM建筑模型中，可模擬實物的施工進度，及各部位連接的前后次序。通過BIM進度模擬，可將施工進程模擬出來，減少了優化、研發的時間。

4.參數化性

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

①參數化圖元：在圖紙中，一種類型部件的尺寸經常會采用代數和參數表的形式，之后需要查找在某種條件下需要代入的數值，是由部位→條件→尺寸→再反過來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誤的數值。例如：在圖紙中，墩柱的尺寸都是通過X來表示（部位），要想知道墩柱的尺寸就要先知道建造墩柱多高（條件），再到墩柱的參數表中查找該高度下墩柱的細部結構尺寸，再將查到的細部結構尺寸代入對應的墩柱尺寸中（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圖元，根據尺寸的不同在同一圖元下分解成各種型號的子圖元，形成一個由同一模型構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建筑模型參數化圖元得到墩柱在該高度下的尺寸。

②參數修改引擎：參數化修改引擎提供參數更改技術，是對建筑設計或文檔部分作任何的改動，這些改動都可以自動地在其他相關聯部分反映出來。每個建筑模型都是由單獨的構件拼裝而成，每一個構件都可以通過一個變更傳播引擎互相關聯。構件移動、刪除、尺寸變化所引起的參數變化會引起相關構件的參數產生關聯變化，每一個視圖下發生的變化都使參數產生變化，并雙向傳導到所有視圖，確保圖紙的一致性，不用逐一修改，進而提升了工作效率和質量。

BIM的數據傳遞到施工階段，公司用來做工程量化、進度編排、工程造價等動工前的準備，用以安排采購、下包、后勤等工作任務。

二、BIM技術的應用

設計和施工階段應用BIM技術可使各個環節配合得更好，可降低圖紙出錯率、減少質量事故、提高項目的透明度和可控性等。從長遠來看該技術惠及建筑物的運作、維護和設施管理等方面，其經濟效益可持續顯現。北京金河水務建設集團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建筑模型技術進行施工，并利用BIM建筑模型技術，在施工中對傳統工藝進行了改革。

1.三維立體施工坐標復核與查詢

采用BIM建筑模型研發的工具可隨時查詢實體工程任意位置的三維立體施工坐標，隨時對放樣點的平面坐標及高程進行復核。在施工圖紙中，工程實體的坐標和高程都不在一起，每次進行測量都必須計算坐標高程并進行復核才可以施工放樣。使用BIM建筑模型可隨時在建筑模型的任意位置查詢該點的坐標和高程。該項新技術極大地減少了測量人員的壓力，在墩身的施工中，測量人員可以隨時查看并放樣任意點的坐標，減少測量方面出現的施工錯誤。BIM建模圖形見圖3。

圖3 BIM建模圖形

2.三維立體施工技術交底

過去給作業隊伍進行交底，主要是文字和圖紙交底，交底內容匱乏且不形象，許多作業人員反映交底內容看起來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建筑模型進行了施工的技術交底，交底內容更加方便、快捷、直觀、形象，提高了溝通和協調效率，節約了成本。

3.實時出圖功能

由于紙張的限制，大部分圖紙都是只有主要結構的圖紙，當想查看部分位置結構時，只能靠想象，對于溝通能力有著極大的限制。

使用BIM建筑模型后可以實時提供橋梁任意角度、任意剖面、不同構件的二維圖紙，真正做到了有問題拿圖紙來說明，對于施工質量有著極大的提升，減少了大量人力成本。

4.施工進度模擬

通過實施4D施工模擬，根據項目施工計劃來模擬橋梁三維形象進度，使橋梁施工更加直觀準確，便于施工資源周轉，為科學進行場地布置提供了幫助。

三、BIM建模施工技術的局限性

現階段，BIM建筑模型施工技術屬于高新計算機技術，對應的配套設施還不完善，存在對應的人才少、計算機配置要求高、不便攜等局限性。

現在建筑工程施工中BIM技術尚未普及，BIM建筑模型技術不是一門容易掌握的技術，需長期、持續地學習和練習。

BIM建模技術屬于計算機的高新技術，對于計算機硬件的要求也比較高，無形中增加了施工成本。

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

BIM管理問題，BIM模型中包含著建設項目全生命周期的所有信息，模型數據量龐大，系統處理負擔沉重，而BIM模型數據格式不同于傳統CAD及文本文件，跨平臺間資料交換標準尚未全統一，所以就存在著數據分類命名的問題及檔案管理的問題。

圖4 VR技術虛擬

四、BIM建模施工技術展望

1.利用手機APP查看BIM模型

現階段手機上對應主流的BIM建模軟件APP相對匱乏，但是已經有了很多APP可以在手機上查看BIM模型，只是受限于操作步驟復雜、繁復，無法直觀體驗BIM模型。與手機APP應用結合后，相信不久的將來可以做到更加完美。

2.與VR技術的結合

VR（虛擬現實技術）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中。

使用VR技術會更加直觀地體驗BIM模型。在VR技術的虛擬空間里，可以按照真實1∶1的比例來觀察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，都無法替代按1∶1建造出來的模型的直觀感。而且BIM模型是由一個個構件組成的，利用VR空間可以隨意地替換、更改構件，還可以直觀地觀看施工進程模擬，更加完美地體驗、優化模型。

3.與AR技術的結合

AR（現實虛擬技術）現在說還太早，只是設想一下，將虛擬的BIM模型通過設備在現實中體現出來?？梢栽趯嶋H施工中通過實物與BIM模型對比、觀察，發現實物與BIM模型的細微差別。使施工人員直觀地觀看施工進程，使施工更加簡便。