鄭 瓛，陳 龍，邸南思，魏 珉

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

建筑信息模型［1-3］（Building Information Modeling，BIM）自2002年被引入國內(nèi)工程建設(shè)行業(yè)至今已有十余年歷程。該技術(shù)是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等技術(shù)上發(fā)展起來的多維建筑模型信息集成管理技術(shù)。

BIM具有三大特點(diǎn)：①三維的參數(shù)化：設(shè)施（建筑物）物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)，可以包括幾何、空間、量等物理信息，還包括空間的能耗信息，設(shè)備的使用說明等功能性信息；②交互的智能化：設(shè)施（建筑物）信息的共享知識(shí)資源，可以在不同專業(yè)，不同利益相關(guān)方等之間進(jìn)行信息的傳遞與共享［4］；③支持的階段化：為該設(shè)施從概念到施工［5］乃至拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)與信息。

基于我院對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用研究探索工作，將界牌水利樞紐工程做為典型的BIM示范項(xiàng)目之一，各專業(yè)采取協(xié)同模式進(jìn)行，本文就金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)及實(shí)時(shí)應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1 工程實(shí)施介紹

1.1 界牌水利樞紐

界牌水利樞紐模型圖如圖1、2所示，其位于新孟河與長(zhǎng)江的交匯處，是新孟河延伸拓浚工程中重要的干河控制建筑物，也是新孟河延伸拓浚工程重要的引、排水口門，工程由位于新孟河上的泵站、節(jié)制閘、船閘及位于浦河上的浦河閘組成，外河側(cè)均為長(zhǎng)江，內(nèi)河側(cè)為新孟河或浦河，其主要功能是防洪、排澇、通航以及通過引（排）水來改善新孟河、浦河以及沿線的水環(huán)境。

泵站總規(guī)模為300m3／s，節(jié)制閘閘孔總凈寬為80.0m，船閘部分孔口凈寬為16.0m，溝通長(zhǎng)江、新孟河之間的通航。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要分布在樞紐工程的泵站、節(jié)制閘、船閘、浦河閘四部分的水工建筑物中。

圖1 界牌樞紐效果圖

1.2 BIM 軟件配置［6］

本BIM應(yīng)用實(shí)施過程，以Bently公司的協(xié)同平臺(tái)ProjectWise Explorer為協(xié)同工作平臺(tái)，以AECO-sim Building Designer（以下簡(jiǎn)稱ABD）為模型匯總平臺(tái)；達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystemes S.A）下SolidWorks為金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)工程圖繪制專業(yè)建模軟件；以.skp格式為中間格式，實(shí)現(xiàn)ABD中.dgn格式與Autodesk 3dmax、Lumion之間格式轉(zhuǎn)換。

圖2 界牌樞紐BIM模型整體拼裝

1.3 專業(yè)人員配置

本工程BIM設(shè)計(jì)階段，金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)共配置4名技術(shù)人員，其中工程師2名，助理工程師2名。前期金屬結(jié)構(gòu)建模人員一名，利用已建成參數(shù)化模型，參數(shù)化設(shè)備庫進(jìn)行快速建模。Project Wise協(xié)同人員一名，負(fù)責(zé)總拼裝本專業(yè)模型，參考引用其他專業(yè)模型實(shí)現(xiàn)模型整體拼裝，碰撞檢查并反饋。Autodesk 3dmax、Google Sketch Up、Lumion軟件仿真及實(shí)景建模貼圖人員2名，進(jìn)行閘門施工安裝仿真、船閘運(yùn)行仿真等具體應(yīng)用工作。

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用概述

2.1 前期規(guī)劃

利用BIM軟件平臺(tái)結(jié)合項(xiàng)目工程需求，可以迅速制定可行性方案，由于在設(shè)計(jì)積累過程中各類金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備已實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，在規(guī)劃專業(yè)確定場(chǎng)址、水工專業(yè)確定高程、孔口等基本資料后即可快速生成前期模型。將項(xiàng)目的整體布置概念化的展現(xiàn)出來，并能快速提取工程量信息，精確估算建設(shè)費(fèi)用，方便掌握工程投資總額。隨著BIM模型的建立，不同方案場(chǎng)址的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境評(píng)價(jià)可直觀呈現(xiàn)，為工程方案的決策提供很好的支撐。

2.2 設(shè)計(jì)階段

BIM在設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用內(nèi)容主要包括：BIM模型參數(shù)化構(gòu)建、專業(yè)內(nèi)干涉檢查、專業(yè)間碰撞檢查、有限元輔助計(jì)算、虛擬仿真、實(shí)景漫游、工程圖繪制等。與其他階段對(duì)比參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)和模型信息的建立、圖紙與BIM模型的關(guān)聯(lián)性，大大提高了設(shè)計(jì)的效率，使設(shè)計(jì)過程中的局部尺寸結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的圖紙更新變得方便快捷。同時(shí)，通過與水工、電氣、建筑等不同專業(yè)之間設(shè)計(jì)文件的共享協(xié)同，使用Bentley Navigator軟件可視化查詢使得方案設(shè)計(jì)直觀呈現(xiàn)，不同專業(yè)之間碰撞檢查，使用機(jī)器掃描提高了設(shè)計(jì)誤差的檢出精度和效率。此外，SolidWorks軟件中的模型與ANSYS實(shí)現(xiàn)單向無縫接口，可將模型整體導(dǎo)入至數(shù)值計(jì)算軟件中，可以對(duì)閘門的梁系，支撐等部件準(zhǔn)確的利用實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

2.3 施工階段

施工階段BIM的應(yīng)用主要體現(xiàn)在利用可視化計(jì)算深化施工組織設(shè)計(jì)、施工方案模擬、施工過程指導(dǎo)動(dòng)畫以及現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備通過性檢查。BIM軟件平臺(tái)提供了可以與Project橫道圖相關(guān)聯(lián)的施工進(jìn)度模擬，可以根據(jù)施工期的排布直接利用可視化模型展示施工進(jìn)度。

大型水利工程施工主要是以工程機(jī)械施工為主，在大中型水閘泵站的施工過程中主要應(yīng)用到汽車吊，平板運(yùn)輸車輛、千斤頂以及腳手架等施工輔助設(shè)備。在BIM技術(shù)被引用到施工管理之前，工程現(xiàn)場(chǎng)的施工管理各工作面之間的協(xié)調(diào)往往需要施工管理專業(yè)人員具備極高的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和組織協(xié)調(diào)能力。現(xiàn)場(chǎng)工程機(jī)械諸如平板車的通過性，汽車吊的就位位置等需要通過平面圖來繪制得出。但將BIM模型導(dǎo)入到3dmax動(dòng)畫制作軟件中，可以對(duì)復(fù)雜吊裝場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)畫仿真，工程機(jī)械的就位位置，吊裝方案的可行性與否可直觀表達(dá)。

2.4 運(yùn)行維護(hù)階段

BIM軟件平臺(tái)利用協(xié)同管理手段，已有效的整合了工程從設(shè)計(jì)規(guī)劃到施工建設(shè)過程中各個(gè)階段的信息，并實(shí)現(xiàn)了模型信息的有效附著，信息編碼技術(shù)的應(yīng)用使得信息的管理更加有效。在工程建成到投入使用前，這些整合信息應(yīng)整體移交給相應(yīng)的管理單位。在泵閘的運(yùn)行過程中，BIM模型提供了不同工況下的運(yùn)行狀態(tài)，為泵閘工程引排水、船閘調(diào)度，船只通行等提供指導(dǎo)。BIM模型在運(yùn)行管理過程中，同樣需要進(jìn)行更新和維護(hù)。

工程運(yùn)行達(dá)一定年限時(shí)，工程需要大修或者重建，紙質(zhì)材料經(jīng)過長(zhǎng)期時(shí)期的封存往往殘缺不全或者無法有效的進(jìn)行查詢，但通過BIM技術(shù)整合的成果是可以有效的進(jìn)行保存設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)，便于直接抽調(diào)維護(hù)工程量計(jì)算造價(jià)。

3 界牌樞紐實(shí)例應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)階段碰撞檢查

在設(shè)計(jì)階段金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備以及其他各專業(yè)模型統(tǒng)一上傳至Project wise標(biāo)準(zhǔn)格式文件夾內(nèi)，各專業(yè)在設(shè)計(jì)過程可將相關(guān)專業(yè)模型參考至本專業(yè)模型中進(jìn)行碰撞檢測(cè)。以此發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的漏洞，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

利用Bentley Navigator軟件，將各專業(yè)BIM模型參考引用后，可以實(shí)現(xiàn)自身及專業(yè)之間的模型碰撞自動(dòng)檢測(cè)，并整理成碰撞點(diǎn)列表供校審人員查閱，同時(shí)提供了標(biāo)注工具直接標(biāo)注碰撞內(nèi)容以及處理方案，如圖3、4所示。

圖3 泵站閘門側(cè)輪與二期混凝土干涉現(xiàn)象

圖4 清污機(jī)與閘墩干涉現(xiàn)象

3.2 設(shè)計(jì)階段施工圖繪制及工程量統(tǒng)計(jì)

利用參數(shù)化模型直接進(jìn)行二維圖切圖操作，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)注等，形成達(dá)到施工圖深度的二維圖紙，這個(gè)過程中難點(diǎn)集中在材料表統(tǒng)計(jì)與尺寸標(biāo)注上。而SolidWorks工程圖功能能夠很好的抽取閘門各個(gè)組件尺寸、材質(zhì)、重量等統(tǒng)計(jì)特性，并按照自定義的材料表格式輸出到工程圖中，如圖5、6所示。

3.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型

自2012年至今金屬結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)應(yīng)用中，實(shí)踐了三種不同方案的建模過程：①利用尺寸配置功能集合excel表格建立數(shù)據(jù)表自動(dòng)生成零部件，如圖7所示；②利用方程式驅(qū)動(dòng)模型，建立以用戶自定義屬性來驅(qū)動(dòng)原始模型建立新模型；③通過二次開發(fā)接口API，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算建模一體的DLL插件模式，如圖8所示。

圖5 船閘工作閘門三維工程圖

圖6 懸臂輪三維工程圖

圖7 參數(shù)化卷揚(yáng)機(jī)模型

3.4 ANSYS輔助受力分析

在SolidWorks建模軟件中形成的三維模型，可以快速導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行實(shí)體模型分析，如圖9、10所示，避免了二次建模的工作量，需要指出的是經(jīng)典模式下的ANSYS命令流建模也可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，但對(duì)于閘門模型中大量的加強(qiáng)筋、構(gòu)造孔建立時(shí)需要耗費(fèi)大量時(shí)間。雖然實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS計(jì)算［7］與經(jīng)典模式下的計(jì)算有一定的出入，但筆者認(rèn)為實(shí)體模型更接近實(shí)際情況的分析，隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，從提升設(shè)計(jì)效率方面考慮，該方法值得推廣應(yīng)用。

圖8 基于API技術(shù)的側(cè)輪建模界面

圖9 Φ1000輪導(dǎo)入ANSYS網(wǎng)格劃分

圖10 Φ1000輪位移變形結(jié)果

3.5 施工進(jìn)度模擬施工動(dòng)畫仿真

根據(jù)節(jié)制閘、船閘施工條件及運(yùn)輸尺寸，我們選擇150t輪式汽車吊2臺(tái)作為施工輔助機(jī)械。另外，配置型鋼三腳架4臺(tái)，移動(dòng)式標(biāo)準(zhǔn)腳手架4臺(tái)，以滿足節(jié)制閘及船閘安裝施工需要。相應(yīng)的利用3dmax動(dòng)畫制作技術(shù)，模擬閘門吊裝，支撐輪裝配，水封裝配及啟閉機(jī)吊裝等過程的動(dòng)畫模擬，如圖11所示。

圖11 節(jié)制閘門葉吊裝3dmax場(chǎng)景

3.6 船閘運(yùn)行調(diào)度仿真

本工程設(shè)置有雙向一級(jí)船閘，船閘工作閘門為長(zhǎng)江側(cè)16.0m×10.4m（寬×高），新孟河側(cè)16.0m×9.1m（寬×高）兩扇升臥式平板鋼閘門。在工作閘門兩側(cè)各設(shè)置2條充水廊道，供船閘充排水使用。在本次BIM應(yīng)用中，將DGN格式文件以真實(shí)尺寸導(dǎo)入3dmax中，如圖12、13所示，加以材質(zhì)黏貼燈光等各種后期效果模擬仿真了小型船只通過船閘時(shí)的全過程。

圖12 船閘3dmax景

圖13 過船仿真動(dòng)畫

4 BIM技術(shù)應(yīng)用待解決的困難

4.1 成本問題

BIM技術(shù)的推廣過程中必須要對(duì)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行更新，各設(shè)計(jì)部門人員間的工作模式也發(fā)生了極大的改變。帶來了軟硬件成本、員工培訓(xùn)成本、技術(shù)積累等各方面的成本增加。

4.2 設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)人員的成本便是時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)積累的成果化。一名成熟的設(shè)計(jì)人員往往具有十多年以上設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在應(yīng)用上更傾向于成熟的二維平面設(shè)計(jì)，在技術(shù)積累上已趨于完善。向BIM技術(shù)應(yīng)用學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化的過程中缺乏積極性和動(dòng)力。

4.3 技術(shù)完善程度

BIM工具的專業(yè)設(shè)計(jì)功能不夠完善，技術(shù)服務(wù)提供商的技術(shù)支持不能及時(shí)到位，在設(shè)計(jì)過程中的表現(xiàn)是軟件平臺(tái)不能滿足功能需求，設(shè)計(jì)者退回到二維設(shè)計(jì)流程用以往經(jīng)驗(yàn)解決相似問題。

BIM軟件之間的兼容性：在本次界牌樞紐金屬結(jié)構(gòu) BIM應(yīng)用過程中，除 SolidWorks向 ANSYS Workbench的單向?qū)霝閰f(xié)議無縫鏈接外，其余軟件平臺(tái)之間的交互都存在著利用中間格式保留部分信息的問題：①模型導(dǎo)入導(dǎo)出時(shí)材質(zhì)配色丟失；②模型由某些專用軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建立，參數(shù)化約束及關(guān)聯(lián)方程式丟失；以上這些都為BIM軟件的應(yīng)用帶來了次生工作量，有時(shí)甚至造成重復(fù)建模的問題。

4.4 標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)主需求

目前BIM應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)及法律法規(guī)尚不完善，BIM技術(shù)是否在某個(gè)工程實(shí)施過程中應(yīng)用并不具備強(qiáng)制性要求，業(yè)主需求力不大。沒有市場(chǎng)需求和法律法規(guī)的保障，BIM成果如何轉(zhuǎn)化為有效的市場(chǎng)需求還亟待探索。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)在界牌水利樞紐金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從設(shè)計(jì)前期、模型建立、施工圖繪制及成果展示等各個(gè)方面發(fā)掘了BIM技術(shù)的應(yīng)用點(diǎn)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程比較可以發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)下的設(shè)計(jì)及成果展示方面，更加準(zhǔn)確直觀，既可以全局的展示宏觀效果，也可以利用模型進(jìn)行零件施工圖出圖工作，是一種有效的工程設(shè)計(jì)技術(shù)。

目前在水利水電工程中，BIM技術(shù)應(yīng)用尚處于引進(jìn)探索階段，各部門設(shè)計(jì)人員對(duì)于BIM技術(shù)的掌握程度還存在較大的個(gè)體差異，需要在工程的設(shè)計(jì)建設(shè)過程中進(jìn)行實(shí)踐和探索。

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