BIM技术在输水箱涵施工阶段的应用研究

2019-09-10王欣冯利军

人民黄河 2019年4期

王欣　冯利军

摘要：为解决水利水电工程施工阶段中场地布置不合理、工程量统计耗时多、技术交底不直观和质量管理信息传递不到位等问题，利用BIM技术，以输水箱涵为研究对象，分析BIM技术在解决以上问题时存在的优势。通过对Revit和Navisworks两款核心软件的运用，进而实现输水箱涵场地模型和3D施工结构模型的建立，以及模型的漫游、仿真模拟、信息的集成与共享。实例表明：BIM技术的应用可以避免场地布置的不合理、提高工程量统计的效率、进行可视化的技术交底和及时传递质量管理信息。

关键词：BIM技术;输水箱涵;场地布置;工程量统计;技术交底;质量管理

中图分类号：TV52

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2019.04.030

水利水电工程属于非常复杂的系统性工程[1]，而输水箱涵属于水利水电工程的一部分。南水北调引水工程修建了大量的地埋钢筋混凝土输水箱涵[2]，这种输水方式既实现了耕地的保护，又保证了水在流动过程中不会被外界所污染。

输水箱涵工程呈线性分布，施工作业面长、技术要求高、参建单位多、涉及的构件和工种较多[3]。在以往输水箱涵工程的施工阶段会遇到很多问题，比如施工场地布置不合理、施工工程量统计耗费大量时间、施工技术交底不直观、施工质量控制过程繁琐等。管理学中有句话说得好：“过去的解决办法决定今天的问题，今天的问题创造性地引领未来的解决方法。”BIM（Building Information Modeling）是一种数据化工具，应用于工程设计建造管理的过程中[4].其中各种与项目相关的信息通过参数模型可以被整合在一起，不仅使信息能够在工程项目的全生命周期中进行共享和传递，还能使工程技术人员对相关信息予以正确的理解，并为工程项目的各参与方提供协同工作的基础，从而使得生产效率提高、成本节约和工期缩短。最近几年在国内建筑工程领域已经有全生命周期的应用实例，为工程项目的管理工作注入了新的血液，是解决现阶段建筑行业问题的全新技术理念。但是，目前BIM技术尚未广泛应用于水利水电工程。本文以某输水箱涵工程为例，在场地布置、工程量统计、技术交底和质量管理四个方面介绍BIM技术的应用，使得场地布置方案更加精确合理、工程量统计过程变得简便高效、技术交底方式直观易懂、质量管理信息参数化和集成化。

1 传统模式下输水箱涵施工阶段存在的问题

从过去的一些有关输水箱涵工程施工建设项目来看，在施工阶段会遇到许多问题，这里从施工场地布置、工程量统计、技术交底、质量管理四个方面进行阐述。

（1）传统的输水箱涵施工场地布置是管理者根据自己以往的经验把场地布置的情况在二维施工现场总平面布置图上呈现出来，然后根据布置图在实际施工时进行场地布置[5]，这种表达方式不能够反映施工现场空间上的关系，也不能提取和集成施工现场相关构件的有关信息，往往需要在实际布置施工场地时对布置情况反复调整，易造成施工场地内的构件和材料二次搬运，从而提高了运输成本，降低了施工作业生产效率。

（2）输水箱涵工程在进行施工图预算编制工作时，施工工程量的统计是最关键的，以往的工程量统计工作是基于二维CAD图纸进行人工统计，这种方式面对构件多、钢筋用量大等因素时不仅需要耗费大量的时间，而且耗费大量的人力和财力，统计结果的准确性也不能保证。工程量的统计错误会直接导致施工图预算的错误，需要再次组织人员进行工程量的统计，不能一次到位，从而使得施工单位成本增加，效益情况无法准确估计。

（3）以往施工单位技术交底工作在单位工程或者分项工程施工前由主管技术的管理人员以文字或者简单的绘图方式向施工人员进行技术性交待，让施工人员对输水箱涵工程的质量要求、施工方法等有一个了解[6]。这种交底方式不够直观，使得施工人员在面臨较复杂的施工过程时不能够完全理解，在实际输水箱涵施工过程中因技术交底不到位或者不合适而导致返工的情况常常发生，不但会使工期延误，而且会让施工成本增加。

（4）质量管理是指在质量方面指挥和控制组织的协调活动。输水箱涵的寿命取决于其质量的好坏，实现其全过程质量管理的关键是对施工阶段的严格把关[7]。一方面，传统的输水箱涵工程在施工阶段的质量管理主要依靠质检人员在构件完成后的抽检，抽检的结果常常出现不合格的情况，这就使得相关构件要进行拆除，导致二次返工，造成了成本和时间的浪费，也使得输水箱涵工程的工期和质量不能保证。此外，在质量管控时，常常会出现因质检人员对箱涵底板、钢筋等构件的检测要求和时间不了解，而导致检测结果达不到相应的标准：另一方面，传统的输水箱涵施工过程中产生的大量有关质量的资料、图片等与模型图纸是分离的，一旦遇到质量问题不能够及时获取相关信息，这会造成很严重的后果。

2 BIM技术在输水箱涵施工阶段的应用以及优势

利用BIM技术可以实现3D建模、碰撞检测、漫游、仿真模拟等功能，这些功能是传统技术无法完全实现的，它在输水箱涵施工阶段现场布置、工程量统计、技术交底和质量管理过程中的应用与传统模式下相比有很大的优势。

2.1 场地布置

首先根据业主提供的输水箱涵工程项目的地形测量数据以及地形上附属构件信息，按照I：I的比例利用BIM技术的3D建模功能在计算机上创建与实际地形情况大致相同的3D地形模型。然后利用BIM技术创建现场布置所需的1：1比例的三维构件等一切事物，如办公或生活房屋、混凝土生产设备、混凝土泵车、钢筋加工棚等。最后管理者利用BIM技术的碰撞检测功能和自己以往的经验，结合实际地形情况进行场地布置，这个过程好比布置一个空房子，家里的家具等合理摆放，让以后的生活更加方便和舒适。通过这种方式可以查询场地中各个构件的信息，并且在施工前对施工场地布置不断优化，最大限度地避免在实际场地布置时场地内构件及材料的二次搬运，降低运输成本，提高施工的流畅度。

2.2 工程量统计

输水箱涵工程的工程量統计主要涉及到土方量、混凝土用量和钢筋用量。利用BIM技术进行基坑开挖和涵体3D建模，然后进行工程量的自动统计，最后可以直接以表格的方式反映出来[8]。要想统计结果详细，就需要建模的时候对构件进行详细的分类并命名。通过这种方式统计工程量既准确又快速，而且模型中的工程量发生改变，表格中的统计量会自动改变。

2.3 技术交底

通过BIM技术进行输水箱涵的技术交底，首先需要满足技术交底的部分（复杂节点工序、关键位置等）包含在已经创建好的3D模型中，然后利用BIM技术进行漫游、仿真模拟，最后以动画的方式呈现出来。主管技术的管理人员可以以文字和动画相结合的方式向施工人员进行技术交底，更加直观，给人印象深刻，相当于老师把一道题讲过了一遍，然后考试出了原题再让同学们做一遍，考试结果是可想而知的。利用这种方式，在实际施工过程中几乎不会出现返工现象，使得输水箱涵工程的施工能够流畅进行，从而完全满足技术交底的所有要求。

2.4 质量管理

应用BIM技术对输水箱涵进行质量控制，可以大大提高质量管理的效率。要做好质量管理，首先要做的就是从体量庞大的输水箱涵工程中确定构件所处的精确位置。通过BIM技术在创建输水箱涵模型的过程中，每一个构件会自动生成自己的ID识别码，工作人员可以通过这个识别码快速地定位到需要查看的构件处，然后判断该构件是否满足相应的标准并记录下来[9]。有了相关记录数据后，通过技术交底把质量控制要点确定好，然后根据质量验收规范，把构件的数据和验收要求提取出来，通过BIM软件的共享参数功能，生成一个有关三维模型的信息数据库。在日后进行质量管理时，依据质量控制的标准，可以随时从数据库中调用信息，从而对质量进行严格把控。此外，质检人员通过BIM技术可以把施工过程中有关质量信息的图片、视频、音频、文档等手动集成到模型中，从而实现输水箱涵虚拟模型和施工真实情况信息的整合，在施工过程中相关人员通过模型可以迅速查看构件的所有信息并对其管理。

3 工程实例应用

3.1 工程概况

某输水箱涵建造工程，全长9.88 km。该工程以现浇钢筋混凝土箱涵为主，为有压输水箱涵，其他建筑物包括：通气孔5座、分水口1座、检修闸1座、小型公路涵5座、小型倒虹吸1座。工程合同价为3.2亿元，施工工期731 d。输水箱涵全长9 km，共600节，每节15m，全部为直线段。输水箱涵结构尺寸为15.2 mx5.6m（宽×高），分三孔，每孔净空尺寸4.4 mx4.5 m（宽×高），倒角尺寸为500 mmx500 mm.中间隔墙厚度为450 mm，顶板厚度为550 mm，其横断面尺寸如图1所示。输水箱涵混凝土全部采用C25，其基坑横断面为复式梯形断面。对该输水箱涵工程选用Autodesk公司的Revit软件进行3D建模，选用Navisworks软件进行漫游、碰撞检测和仿真模拟。

3.2 基于BIM技术建立输水箱涵的场地和基坑模型并进行场地布置

首先利用业主提供的场地高程点txt格式坐标文件，通过Revit创建输水箱涵地形表面模型;然后根据输水箱涵所需的施工机械、材料、设备以及功能分区，对施工场地进行优化布置：最后借助业主提供的基坑坐标位置，通过Revit创建输水箱涵的复式梯形断面基坑。具体的创建过程如下：

（1）利用Revit中的体量与场地命令、地形表面命令、通过导人创建命令、指定点文件命令，把坐标文件以逗号分隔文本类型导人到Revit中，从而完成地形表面模型的创建[10]。

（2）输水箱涵施工涉及的主要施工机械和工具有混凝土泵车、振动器、模板、挖掘机等，施工模板主要为钢模板和钢模台车。这些器械和工具在Revit族库中没有，一部分通过新建族和拉伸、融合、旋转、放样等命令的搭配使用，创建所需的机械和施工模板：一部分从网上下载所需的族文件，最后导人Revit中以供使用。在导入这些族文件的时候，应通过放置构件的方式把族文件导人Revit中，否则会产生模型与场地不贴合[11]。

对施工场地布置不断优化，最后划分为8大区域：施工道路（灰色区域）、办公生活区（绿色区域）、钢筋加工棚（粉色区域）、混凝土生产区（黄色区域）、油库（红色区域）、施工器械和材料存储区（蓝色区域）、施工风水电通信系统（白色区域）和堆土区（黑色区域）。

（3）通常情况下，用Revit的体量与场地命令和建筑地坪命令只能实现矩形断面的基坑绘制[12].而输水箱涵基坑为复式梯形断面，故利用建筑地坪命令在这里行不通。经过不断摸索，最后反复利用体量与场地命令、拆分表面命令、平整场地命令、仅基于周界点新建地形场地命令实现了输水箱涵基坑的创建。具体场地布置和基坑横断面形状如图2所示。

3.3 基于BIM技术建立输水箱涵的结构模型并统计工程量

（1）本案例的输水箱涵结构模型通过Revit创建，它由侧墙、中墙、八字翼形底板和顶板构成，其中侧墙和中墙选取相应尺寸的结构墙即可，而特殊形状的底板需要借助族工具来实现创建，因考虑到施工模拟方便，故在此利用放样、拉伸等命令来完成输水箱涵八字翼形底板和顶板的创建。由于需要对输水箱涵进行配筋，因此需要将新建族属性中的“可将钢筋附着到主体”打上对勾，这样就可以对箱涵进行配筋了。配完筋后输水箱涵的结构模型就完成了，配筋详细情况如图3所示。

（2）利用Revit中的明细表功能对其进行相应的设置后，分别对输水箱涵的钢筋混凝土用量和基坑挖填的土方量进行自动统计。

3.4 基于BIM技术输水箱涵工程的技术交底

输水箱涵工程的技术交底涉及很多部分，这里基于BIM技术以钢筋的搭接方式为例向施工人员进行技术交底，涉及的其他技术交底都可以模仿钢筋的技术交底方式。首先把输水箱涵的结构模型导人Navis-works中，把混凝土的部分隐藏掉，只显示钢筋部分，根据钢筋的搭接方案对钢筋创建工作集，并通过animator功能创建合适的动画，然后在timeliner中输入钢筋的搭接方案，把工作集及动画附加到合适的位置[13].模式为构造，就可以实现输水箱涵工程箱涵钢筋搭接过程的虚拟建造，最后导出avi格式的仿真模拟动画。钢筋仿真模拟过程如图4所示。当管理人员向施工人员进行技术交底时，通过动画和文字相结合的方式更加直观易懂。即使当时对技术交底没有理解，在事后可以通过手机、电脑或者iPad等支持avi格式的工具，反复地对动画进行观看，甚至可以边观看边施工，大大提高施工的流畅度。

3.5 基于BIM技术输水箱涵工程的质量管理

3.5.1 基于BIM技术输水箱涵项目参数的质量管理

输水箱涵主要由箱涵底板、侧墙、中墙和箱涵顶板四类构件组成。这里以某部分的箱涵顶板的质量检测为例来对基于BIM技术项目参数的质量管理进行描述。首先检测人员根据所需检测箱涵顶板的ID号确定它在模型中的位置，然后根据相关质量规范来确定其是否满足质量要求并记录下来。记录过程如下：首先利用Revit软件“管理”选项卡中的“项目参数”功能，对参数的属性进行创建：然后根据需要的参数类型对其进行创建，比如输入质检的日期、评定、要求和人员等：最后当质检人员对箱涵顶板进行检查后，把相关的检查信息输入其指定项目参数，相关人员可以直接对保存的结果进行查阅与共享，如图5所示。

3.5.2 基于BIM技术输水箱涵信息链接的质量管理

基于BIM技术输水箱涵信息链接的质量管理，主要是依托Navisworks软件“项目工具”选项卡下的链接功能来实现模型与外部质量信息的关联[14]，关联成功后，通过“常用”选项卡下的“显示链接”功能来对关联的质量信息进行查看。例如选择某节输水箱涵的顶板为例，首先把与其施工前相关的质量资料、施工过程中生成的视频、图片等文件进行收集，然后利用Navis-works的“添加链接”功能把外部的这些信息集成到模型中，最后通过“显示链接”选项对相关质量信息进行查看，并且还可以把集成后的质量信息模型发布给相关人员进行审阅，以便及时给出反馈意见，其中关键步骤的系统界面如图6所示。

4 结语

本文对传统模式下输水箱涵施工阶段的场地布置、工程量统计、技术交底、质量管理等方面存在的问题进行了分析，并阐述了如何利用BIM技術来解决这些问题以及BIM技术的优势，最后以某输水箱涵工程为例进行了介绍。通过BIM技术在输水箱涵施工阶段的应用，将相关人员从传统的二维图纸中解放了出来，大大减少了返工情况，工程进展更加流畅，成本估算更加精确，施工质量管理过程实现了信息的参数化和信息化集成。由此可以看出把BIM技术应用到输水箱涵工程的施工阶段是可行的，并且意义重大。

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