BIM技术在农业大棚设计建造领域的应用*

丁乙 辛诗洁 白爽 胡冰 陈小波

(1.东北财经大学投资工程管理学院，辽宁 大连 116025；2.东北财经大学工程管理研究中心，辽宁 大连 116025)

0 引言

随着科学技术的不断发展，我国农业生产领域正走向科学化、机械化和智能化。“十四五”期间，我国将进一步加快农业农村现代化发展进程。在农业作物的生产过程中，农业大棚以其安全卫生、节约成本、提高产量、适栽品种多、操作方便等优点被广泛应用。现阶段，我国农业大棚的设计建造主要是依照2D的CAD软件进行操作，存在工作信息不连贯、直观性差、修改图样工作量大且易出错等缺点，不能满足现代农业发展建设的需求。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术作为基于三维模型的设计，利用虚拟的三维模型，通过数字化技术，模拟出拟建建筑物的几何状态。将BIM技术应用于农业大棚的设计建造过程，可以很好地解决CAD平面设计的不足。对于BIM技术在空间设施优化、质量管理以及农业生产领域的应用，张勇等[1]分析了BIM技术在Venlo温室设计中的应用；任伟[2]研究了BIM在机电设备施工中的实践；李超琼[3]总结了BIM技术在建筑工程项目管理流程优化中的应用；王文进等[4]对工程质量管理信息系统的特点进行了总结；齐宝库等[5]分析了BIM技术在建筑工程全生命周期管理中的应用；唐小卫等[6]研究了BIM技术在三维施工空间布置中的应用；李东军等[7]研究了BIM技术应用于机电管线的优化方法；魏存兴等[8]对比分析了BIM和CAD在温室大棚建模时的不同点；邓朗妮等[9]分析了BIM技术在工程质量管理中的应用。本文通过分析农业大棚设计建造及管理过程中的难点，研究BIM技术应用于农业大棚设施优化、质量管理、运营维护等所起的作用，为农业大棚在设计、建造以及运维等阶段的全生命周期管理提供参考。

1 传统农业大棚设计建造中存在的问题

传统农业大棚的建造是基于CAD图样施工的，现有的CAD设计模式存在以下问题：

(1)平面图与立面图的关联程度差，要求设计者有较好的空间想象能力，一旦设计出现更改需要对相关图样进行更改，极易产生疏漏。

(2)CAD图样仅能绘制出农业大棚的平面图和立面图，无法对农业大棚内部的设计进行详细表达，设计不够全面。

(3)基于CAD的平面设计信息收集难度较大，往往需要人工统计图样中的信息，后期的资料调取工作较为烦琐，需要耗费较多的人力物力且极易出错。

(4)农业大棚的业主一般不具有建筑或农业领域的专业知识，对二维设计的接受能力差，在农业大棚的设计建造过程中很难满足业主的主观要求。

2 农业大棚模型的构建、优化与应用

基于BIM技术的设施优化是以BIM专业软件为基础，利用其数字化技术，通过图元的构建与组合，形成可视化的三维模型。正是由于BIM可视化的优点，工程团队各方尤其是业主方可以充分参与农业大棚的设计，业主的诉求将得到最大限度的满足，大幅减少设计变更次数，提高设计效率，使项目能够尽快投入使用。

2.1 农业大棚模型的创建

BIM模型的创建主要是基于软件中族的构建和运用。族是形成BIM模型的基本元素，族的准确度将直接决定BIM模型的准确度。BIM软件中族库和族的类型十分丰富，如Revit软件中有系统族、可载入族和自建族等多种设置族的方式，设计者在构建模型时将需要的族导入项目中，将族的各项参数更改为项目对应的参数(图1)，将各种族组合在一起即可完成农业大棚模型的构建。

图1 族参数修改图示

虽然我国对农业大棚有明确的行业规范和设计标准，但不同跨度、不同地区、不同用途的大棚形式多种多样，其钢骨架的形式也并非类似于房屋建筑工程中的构件具有较高的标准化程度。尤其是拱圆形的农业大棚，其钢骨架的曲度受大棚高度和跨度的影响，在BIM软件中并没有完全匹配的系统族，所以在建模时需要进行大量的自建族和已有族的修改工作。因此，在建模时需要注意选择合适的族类型进行族的构建，以保证建模的准确度，最大限度减少建模的工作量。

2.2 管线优化

为保证棚内作物有良好的生长环境，农业大棚的内部通常设置有通风系统、保温系统、灌溉系统、移动苗床系统、物联网系统等多种复杂且密切关联的系统。由于大棚内部的空间十分有限，各个系统间需要用繁密的管线连接，而大棚内空间又十分有限，管线的布置难度较大，采用传统的2D设计有较大的局限性。由于2D设计是基于平面图样，管线相互交错时在图样上显示比较混乱。尤其是对于管道的翻弯和路径绕行，在进行平面设计时难以考虑到项目的实地情况，工人对平面图样的理解也存在一定的难度，导致工人在施工时极易产生遗漏的碰撞点，从而引发设计变更，给业主造成损失。

在管线的布置过程中应用BIM技术，可以通过Revit或Navisworks等软件进行施工模拟或碰撞检测，在管线建模完成后通过模拟施工的方式检测到管线之间或管线与主体结构之间的碰撞冲突问题(图2)。在可视化的视角下，设计者可以及时对管线的布置进行调整和优化，尽量减少管线的翻弯和绕行，使管线排布更加合理。应用BIM技术可以有效解决大棚内部管线布置时产生的冲突问题，优化大棚内部的空间布局，为后续其他设施的布置预留更大的空间。

图2 Revit视角下管线碰撞检查图示

2.3 平面布局优化

现代化的农业大棚主要是以苗床、种植槽、种植架为器皿对作物进行栽培，在有限的空间内提高空间的利用效率，进而提高大棚的产量，提高业主的经济效益。基于BIM技术可视化的优势，可以构建出大棚内部各个设施摆放的具体位置、模拟工人的行走路径，使工人的操作更加方便、合理。目前，大部分的BIM软件(如Revit、Sketchup、Lumion等)都具有渲染功能，工程师可以通过BIM技术的渲染功能渲染出农业大棚内部的真实情况，并根据业主要求模拟出棚内需要布置的设施种类和各类设施的数量，形成可靠的物料清单和可视化模型，为业主在物资采购方面提供有力保障，有效减少材料损耗，降低造价。大棚内部苗床布置图如图3所示。

图3 大棚内部苗床布置图

此外，由于农业大棚内部需要供应声、光、电以及水源满足作物生长要求，基于BIM技术的布局优化，结合斯维尔软件的能耗分析功能，可以调整大棚之间的相互位置和朝向，使得每个大棚都能最大限度地利用自然资源。尤其是对于大棚的通风系统和采光照明系统来说，位置和方向的科学布置将使大棚尽可能多地接收自然风和自然光，从而减少大棚内部通风设备和照明设备的使用频率和时间，在起到绿色节能环保作用的同时，有效减少项目运营过程中的费用。

2.4 技术交底

为了科学地组织施工，使施工人员对工程特点和技术难点有一定的了解和认识，各项工程开工前都会组织施工交底，对工程中的重点难点进行解释。但是以传统图样为基础的施工交底可视性差，外加施工人员的经验、能力参差不一，接受程度难以保证，又由于农业大棚内部管线及设备交错布置，更容易在施工时产生疏漏。基于BIM技术的施工交底可视性强，可以通过Navisworks软件模拟施工过程和实景漫游，直观展示专业化程度高、施工难度大的部分，使施工人员细致了解工程特点，提高施工时的重视程度，保障项目顺利进行。

2.5 施工质量管理及信息管理

在传统的施工质量管理过程中，多是采用事中控制和事后控制的方式，由监理工程师在施工现场对施工进行监管，并在施工完成后对项目质量进行检查。在这种质量控制方式下，一旦工程质量出现问题就可能产生大量的返工，导致工期延误、成本增加。而采用BIM技术可以在工程施工前开始质量管理工作，监理工程师可以将每个构件的详细信息(如材料规格、生产厂家、操作人员等)通过参数设置的方式输入BIM软件中，使工程信息精确到每一个构件，使工程信息的可靠性、准确性得到保证。项目参数设置如图4所示。

图4 项目参数设置

工程质量信息具有数量庞大、类型复杂、来源普遍、动态变动性较高等特点，在传统的质量控制中需要耗费大量的人力资源对工程质量信息进行统计和保存，而BIM技术作为建筑信息化的工具，从多个方面改善了传统质量管理存在的弊端。运用BIM技术，可以建立基于BIM模型的管理平台，现场的工程师只需登录账号就可以通过手机、电脑等设备将材料/设备进场、施工节点、签证变更以及相关资料文件全部上传至BIM综合管理平台；工程各方也可以在BIM平台上查找文件，减少了许多烦琐复杂的程序，不仅保证了工程质量，还大大减少了各类文档、多媒体文件的归档整理工作。

3 BIM技术在农业大棚全生命周期的应用

作为具有信息化特点的建筑模型，在农业大棚的运营维护阶段，BIM技术可以与农业大棚的物联网系统链接，将棚内各项机电设备的相关信息载入BIM平台，业主在BIM模型中可以清楚地了解设备的使用情况和实时参数；在棚内设施发生故障时，相关工作人员可以通过BIM模型第一时间确定故障的位置、了解设备的维修记录并确定相应的维修方案，及时地对故障设施进行维修，快速有效地解决问题；在设备的日常维护保养工作中，可以将设备进行归类，将不同类型设备的保养要求和保养周期置入BIM软件，形成设备保养计划表，方便工作人员对设备进行日常维护和保养。此外，在实际工程项目的运维阶段往往需要调用与项目建设有关的各种资料，通过BIM平台快捷地获取这些资料数据，使档案信息的查找更加方便。

4 结语

随着我国农业技术的不断发展进步，农业大棚的设计及应用也必然向建筑行业信息化、可视化、工业化的方向发展。BIM技术的应用将弥补二维设计中存在的不足，通过BIM对大棚内部的设施进行优化，有效减少农业大棚内部的各类管线碰撞问题；使大棚内部各项设施的平面布置更为合理，减少图样更改和材料损耗；使大棚的各项信息集成到BIM管理平台中，提高沟通协作效率，减少信息传递过程中可能出现的问题；提高大棚在运营维护阶段的工作效率，有效提升各类设备的工作质量，起到及时维修和保养的作用。通过BIM技术进行农业大棚的施工管理，将进一步提升工程质量，减少材料损耗，确保工程顺利完成。因此，对于农业大棚的设计人员、业主以及工作人员和管理人员而言，融合了BIM技术的农业大棚设计更合理、运营维护更快捷、经济效益更高。