BIM技术在大中型水闸建设中的全生命周期应用——以山东省无棣县黄瓜岭橡胶坝除险加固工程为例

郝玉伟，梅震伟，任泽俭（.滨州市城乡水务发展服务中心，山东 滨州 56600；
.山东环发工程管理有限公司，山东济南 5000）

水利工程是国民经济和社会发展的重要基础，水利工程建设质效关系到国计民生。目前，水利工程建设正面临从人工化、机械化向数字化、智能化转型的过程。BIM技术作为新型建筑项目信息化管理技术，在工程建设进度、质量、安全等方面的应用日益广泛并得到快速发展，有效提升了工程建设管理质量和效率，是推动建筑业快速发展的关键所在[1]。目前水利工程建设BIM技术应用尚处于起步阶段，虽然在河道工程应用上尚有一定局限性[2]，但是BIM技术在城市供排水管网、灌区现代化改造等工程中的应用已凸显其优势[3-4]。在水利工程特别是大中型建筑物工程中，广泛推广BIM技术，将推动工程从设计到建设管理形成统一协同、精细高效的全过程管理，有利于提升水利工程建设智能化水平，促进水利工程建设转型升级。

黄瓜岭橡胶坝除险加固工程（以下简称“橡胶坝工程”）位于山东省无棣县马颊河中泓线桩号331＋055处，是山东省重点水利工程，主要建设内容是改建拦河闸。工程等别为Ⅲ等，水闸建筑物级别为2级，拦河闸共9孔，每孔净宽为12 m，设计闸底高程为－3.8 m，正常蓄水位为2.2 m。工程采用平板钢闸门和双调点卷扬式启闭机，两岸分别布置桥头堡，闸室为钢筋混凝土灌注桩基础。建成后将提高当地防洪防潮能力，抵挡风暴潮侵袭，保障区域供水安全，改善交通条件和生态环境，有利于保障经济发展和社会稳定。

橡胶坝工程被列入山东省第一批水利智能建造试点项目。在工程建设中，基于BIM技术可视化、协调性、模拟性等特性[5]，进行全专业协同数字化设计；
开发工程智慧建设管理平台，对工程的图纸模型、投资、进度、质量、安全、档案等进行管理，对各构件进行三维模拟控制，细化工程建设施工过程，规范施工过程。

2.1 实现数字化设计

2.1.1 可视化三维建模

采用Revit、Inventor等三维建模软件对橡胶坝工程进行多专业三维信息模型建模，模型包括地层、水工结构、建筑结构、金属结构及电气系统，利用模型可查看任意专业、部位、构件的所有角度。模型设置了不同的显示阶段，可以查看施工前、施工期、完建期不同阶段模型的情况。在此基础上对模型进行外观渲染，结合地理信息系统（Geograjhic Information System，GIS）的地理信息和漫游设计，制作出项目演示视频。通过视频可直观了解项目的地理位置、周边环境以及工程实体，视频也对工程实体进行了拆分演示和讲解，生动、形象、真实，能够使观看者快速掌握项目整体情况及设计成果。同时可利用BIM技术三维信息模型进行各专业正向出图，图纸的建立相对快捷，可出具轴测图、透视图、任意平面及剖面图，表达形式丰富，有助于审图者快速掌握结构设计成果。

2.1.2 协同化设计

采用先分专业建模再进行链接整合的方式进行协同设计。协同设计流程，如图1所示。首先，统一项目基点、空间单位以及平面定位图。然后，对水工结构和建筑结构进行模型设计建立，其间各个模型可以在关键阶段互相交付，通过链接整合进行校核，金属结构的单体模型设计、地层及原始地形模型建立同步进行。当水工模型具备初步条件时交付金属结构专业，当建筑模型具备初步条件时交付电气专业，金属结构专业、电气专业将收到的模型作为链接进行本专业模型的设计建立，其间根据水工模型、建筑模型的调整随时更新链接文件。当水工和建筑模型轮廓基本确定后链接至地形模型，建立临时工程模型。最后，将各专业的模型链接整合形成完整的模型文件。各专业根据任务建立各自的模型，同步且有序地开展工作，过程中随时更新链接进行互相校核，对设计冲突早发现早修改，提高了设计效率。

图1 协同设计流程图

2.1.3 碰撞检查及优化

本项目采用Navisworks软件对专业自身模型与整合后的总体模型进行了碰撞检查，并且对检查结果进行审阅，对报告中的碰撞问题进行分析处理，根据检查结果修改、完善模型。各专业先与结构专业进行碰撞检查，调整至无碰撞后，各专业再两两组合进行碰撞检查，直到调整至无碰撞。建筑专业和水工专业模型体量较大，设计过程中初次碰撞检查结果显示碰撞点数量均在200处以上，对各专业整合的模型进行初次碰撞检查结果显示有约30处碰撞点，根据碰撞检查结果，逐项对设计进行优化。最终剩余碰撞点数量为个位数，且均为由于项目精度要求、建模工具功能限制而无法避免的碰撞。

2.2 实现智慧建设管理

2.2.1 施工进度模拟

施工进度模拟依托建立的三维信息模型，运用Navisworks Manage 2021软件对模型进行集合分类，使用软件中TimeLiner功能制作施工演示，并形成演示动画视频。施工模拟按照实际施工顺序和进度计划控制，对各施工部位赋予时间属性，进行施工演示，形象、直观地模拟了施工过程，可查看工期中任意时间点的工程建设情况。

2.2.2 智慧管理平台运用

基于互联网思维，采用大数据、BIM等先进信息技术，以自主开发的智慧施工管理系统为平台，将BIM模型轻量化后与平台进行挂载联动，根据水闸建筑物结构组成、施工流程、不同的管理需求，进行系统架构、数据库和功能模块的设计及优化，对水闸工程项目数据进行分析与再整合，把传统冗繁的纸质图纸变成三维立体模型，以三维模型为载体，通过平台的实时数据录入，BIM模型同步、直观展示工程建设进度。平台集成了项目管理、报审管理、合同预算、现场管理、进度管理、质量管理、安全管理、技术管理、物资管理、资源库管理等10余个功能模块，贯穿整个施工过程，通过信息化手段实现审批、验收等建设过程的智慧化管理，集数字化、信息化为一体，实现工程建设的信息化、项目管理的流程化、平台的智能化，初步实现了对建设过程的伴随式管理，提高了工程各参与方协调工作的便捷性。同时，深度结合工程建设现场条件及技术要求，通过摄像头布设、人员门禁管理等，实现现场实时数据与BIM模型的挂接，实现了入场施工人员安全帽动态监测等功能。

2.2.3 工地智慧规划运用

三维可视化确定场地布设，避免非必要施工环节，提高了工程施工效率。在施工区域总体布置环节，通过对水利工程建筑物、场地等进行精细化建模，提前发现冲突，优化施工现场布置，减少二次搬运，提高用工功效，节省临时施工材料与用工约8万余元。在施工导流环节，基于Civil 3D软件进行水利工程施工导流设计、模拟，确保导流安全，节省土方开挖的土方量，减少施工机械台班，节约了人工和管理成本。

基于BIM模型，结合施工组织计划，与模型充分匹配，构建与工程施工组织设计相一致的4D动态模拟动画，进一步促进工程施工内容、工序安排、设备安装拆除等施工组织合理化，减少施工过程中的错漏现象和不合理时间安排，形成更符合施工实际的流水施工作业组织。将BIM模型进行压缩和简化后，与智慧建管平台进行挂载联动，提供实时的计划进度与实际进度对照分析，以及时调整施工安排。橡胶坝工程的831根灌注桩预计工期为60 d，通过进度模拟，合理有效地安排施工工序，调整施工队伍进场顺序，优化设备安装，将灌注桩工期缩短为40 d，取得了极大成效。

2.2.4 智能配筋和工程量辅助计量

依据项目划分的483个单元工程，对BIM模型构件进行重新拆分、组合、编码，实现了BIM模型构件与项目划分的一一对应。针对主要构件，基于BIM模型建立三维钢筋模型，进行三维可视化交底，可以杜绝不合理布筋，大幅提升钢筋设计施工效率[6]。部分构件三维配筋图，如图2所示。采用明细表的统计功能辅助工程量计量，通过BIM模型导出详细的材料表，对模型包含的各类实体构件的工程量采用模型工程量对常规工程计量进行复核，误差基本在10%以内。相较于传统统计方式更加快捷精确，为实际施工提供了有效真实的作业指导，有效节约了材料。构件的辅助三维设计计量功能，同时可为工程实施装配式建造提供依据。

图2 部分构件三维配筋图

2.3 实现高效运行管理

2.3.1 数据集成

BIM技术能够将多个数据源（包括设计数据、工程数据、传感器数据等）整合在一个模型中。通过集成这些数据，运行管理人员可以获得全面的水闸信息，从而更好地进行运行监测和管理。

2.3.2 可视化分析

BIM技术可以创建高度可视化的水闸模型，包括结构、管道、电气系统等，从而使运行管理人员能够准确了解水闸的布局和组成，这有助于提高运行管理的效率和准确性。借助BIM技术，运行管理人员可以进行可视分析，包括流量分析、水位分析、水流轨迹分析等。通过可视化的分析结果，可以更好地了解水闸的运行情况，及时发现问题，并采取相应的措施。

2.3.3 预测和沟通

BIM技术可以模拟水闸在不同条件下的运行情况，并预测水位的改变、水流量的调整等。这有助于运行管理人员评估各种操作和调整的影响，制订合理的运行策略，提高水闸的运行效率和安全性[6]。

BIM技术可以支持多个相关方之间的协作和沟通。不同的运行管理人员可以共享和更新水闸模型和数据，通过实时协作和信息共享，提高解决问题的效率。

以往水闸施工的优化布置和施工模拟更多地依靠于技术人员的空间想象能力和经验判断，影响优化结果的不确定因素较多。采用BIM技术，依托三维模型对水闸工程进行优化布置，施工布置的合理性、准确性和深度均得到有效提高，对后期施工的指导作用明显增强。基于BIM技术的数字化设计、智慧建设管理、高效运行管理等在橡胶坝工程全生命建设周期取得了较为成功的应用，为工程建设发挥了显著的辅助功效。

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