曾 寅，趙 龍，陳 靜

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學院，河北 保定071000）

水利建設(shè)需要多專業(yè)協(xié)同，但不同專業(yè)之間的天然壁壘，導致在水利設(shè)計或施工時工程進度緩慢甚至停滯，極大地影響了工程成本控制。[1-3]近幾年BIM 技術(shù)在土木建筑行業(yè)的多專業(yè)協(xié)同發(fā)展中起到了重要作用[4-6]，而同樣作為多專業(yè)復雜性水利工程，利用BIM 技術(shù)亦能滿足協(xié)同共享需求。國內(nèi)外已有一些學者或水利工程師通過引入土木建筑行業(yè)的BIM 技術(shù)，規(guī)劃水利工程中BIM 技術(shù)應用前景，為水利工程中推廣BIM 技術(shù)打開了大門。[7-11]BIM 技術(shù)作為工程信息化設(shè)計與施工的重要舉措，評價其實際應用效果，為其他工程帶來示范性應用具有重要意義。本文利用模糊綜合評價手段[12-14]，研究BIM 技術(shù)在某大壩工程的應用效果，以期為BIM 技術(shù)在水利工程中的應用及水利工程信息化設(shè)計施工提供重要的參考。

1 工程概況與BIM 模型建立

1.1 工程概況

某大壩工程為新建水庫的堤防工程與擋水工程，包括重力壩體、泄洪系統(tǒng)以及進出水口等系統(tǒng)，承擔著防洪以及輸送水資源的任務。壩頂高程72m，上、下游設(shè)計水位分別為291m、273.5m，設(shè)置有防滲墻保護壩基與壩身，壩頂修建有寬為3.2m的公路，上、下游大壩坡度比均為2：3。整個壩體分為止水面板、墊層、鋪蓋層及堆體層，壩身由大面積混凝土澆筑形成，在上游壩身上鋪設(shè)有二次防滲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由防滲面板以及趾板構(gòu)成，防滲面板與趾板間以混凝土止水縫相連接，并在壩基覆蓋層處連接一次防滲墻結(jié)構(gòu)，使一、二次防滲結(jié)構(gòu)成為一整體。壩基以上設(shè)置有反濾層，厚度約為1.5m，整個壩體均鋪設(shè)有以粉煤灰為材料的過渡墊層，防止壩體滲透破壞，所有料底均來自距離工程現(xiàn)場約4km 處的材料場。壩體工程的水閘設(shè)置為單孔式，由液壓啟閉機控制，根據(jù)調(diào)控水資源流量精確控制閘門開度，設(shè)置有2 個引水隧洞，鋪設(shè)直徑為1.8m 的涵管作為輸水渠道。大壩所在水利樞紐建有引水發(fā)電機組4 組，可供應區(qū)域內(nèi)工農(nóng)業(yè)用電800 萬kW·h。

大壩所在區(qū)域地形為丘陵地帶，工程場地為河流沖積平原，壩體位于第四階地上，表面覆蓋土層為第四系堆積土層，顆粒密實性較差，含水量測試為18%，厚度范圍為2.5～7.8m，在場地內(nèi)均有分布。覆蓋層還包括粉質(zhì)砂土層，厚度較薄，最厚之處僅為3.1m，透水性較強，土顆粒間存在較多孔隙，相互粘結(jié)性能差。區(qū)域內(nèi)無活躍地質(zhì)構(gòu)造帶，據(jù)鉆孔資料得知，壩基層為花崗巖體，完整性較好，以中粗顆粒為主，弱風化特性，壩體趾板結(jié)構(gòu)即位于基巖層上。

1.2 BIM 模型建立

根據(jù)該壩體工程的特點，需要創(chuàng)建三維地質(zhì)模型與壩體模型，本文利用CAD 將平面圖轉(zhuǎn)化為BIM 的三維可視化編輯圖，創(chuàng)建出三維BIM 模型。采用測繪數(shù)據(jù)所獲得的地形地貌云圖以及地形曲面相關(guān)數(shù)據(jù)，以CAD 為中間平面視圖載體，轉(zhuǎn)入Revit 中進行地形圖的修改編輯，獲得地形BIM 模型視圖，如圖1 所示。

壩體模型依據(jù)前文所述工程資料，結(jié)合擋水壩段、引水壩段以及溢洪壩段各個區(qū)段內(nèi)的平面設(shè)計圖紙，以Revit 設(shè)計獲得壩體三維模型。模型中有不同類型或功能的壩體區(qū)段、引水隧洞以及調(diào)控水位的閘門結(jié)構(gòu)，且每個子項目單元具體材料以及施工工序均囊括在BIM 模型中，便于多方單位進行查證。

聯(lián)系地形三維模型與壩體模型，構(gòu)建工程整體設(shè)計模型，如圖2 所示。另外，將施工進度計劃與施工各單元模型對應連接，總工期為692 天，各個工序單元施工工序以及周期均已導入施工進度計劃編制表。

圖1 地形BIM 模型圖

圖2 水利工程整體BIM 模型圖

2 進度管理應用研究

由于該工程涉及較多設(shè)計部門，包括水工部門、機電部門、建筑部門等，因而BIM 模型作為協(xié)同信息共享，可實現(xiàn)工程上每一步驟均有據(jù)可查，設(shè)計階段多個專業(yè)部門均在同一平臺上進行，所需地理信息或其他專業(yè)信息均可實時更新獲得，從而減少因?qū)I(yè)設(shè)計之間的誤差造成的返工。各個部門在選材階段，均可以根據(jù)預定的統(tǒng)一施工標準以及施工進度要求，采集信息并在系統(tǒng)中及時更新，減少由于材料不匹配帶來的專業(yè)設(shè)計之間的碰撞。而在后續(xù)的預算控制、質(zhì)量管理以及進度管理方面，均可提升風險管控。本文將針對壩體施工進度管控，利用BIM 技術(shù)進行施工與技術(shù)模擬，以混凝土的碾壓平層工藝、拉模工藝及特殊混凝土品種施工工藝開展施工模擬研究。

2.1 碾壓平層工藝

圖3 為大面積混凝土施工的碾壓工藝所需設(shè)備以及施工要求。施工設(shè)備包括振動碾車、平倉機車、運輸卡車。每臺振動碾車以不超過1.5km/h 的速度前進，與前置平倉機車間距應控制在1～1.2m，每個混凝土鋪設(shè)層均需碾壓6～8 遍，碾壓桶寬度不可超過2m，桶上拼接板設(shè)計部門給定誤差不可超過±3cm，碾壓車行進方向在垂直水流方向，保證混凝土面板結(jié)構(gòu)碾壓后強度與密實性能達到工程防滲要求。

圖3 大面積混凝土碾壓平層施工模擬

針對施工過程中的一些細節(jié)，在三維模型模擬時也可看出是否達到施工標準。以混凝土標準層的碾壓次序為例，當混凝土泵車均勻卸下混凝土后，平倉機車將混凝土堆體整平，此時混凝土處于初始凝結(jié)狀態(tài)，碾壓振動車在初始碾壓時嘗試3 次無振動性碾壓，后開始有振動性碾壓，該標準是經(jīng)過多次模擬測試后得到混凝土強度才確定的。模擬測試多次無振動碾壓后混凝土強度變化曲線如圖4 所示。從圖4 中可看出，當無振動碾壓次數(shù)在3 次以內(nèi)時，混凝土強度增長顯著，從無振動碾壓次數(shù)1 次至3 次，混凝土強度增長了15.1%，而在無振動碾壓次數(shù)超過3 次后，混凝土強度逐漸遞減。由于過多的無振動碾壓易導致碾壓桶陷入混凝土中，并粘結(jié)上部分混凝土，影響混凝土整體平整性，進而監(jiān)測強度量值降低。

圖4 無振動碾壓后混凝土強度變化曲線

2.2 拉模工藝

圖5 為溢流面上混凝土拉模施工模擬圖。從圖5 可以看出，拉模施工由于涉及到鋼筋安裝以及混凝土裂縫的處理，考慮鋼筋網(wǎng)架間距對拉模工序中控制混凝土裂縫產(chǎn)生很有必要，因而依據(jù)BIM 技術(shù)多次模擬測試發(fā)現(xiàn)，同一鋼筋混凝土強度等級下，當溢流面上鋼筋網(wǎng)架控制間隔為0.4m時，施工工期最短。鋼筋網(wǎng)架模擬結(jié)果如圖6 所示。另外，根據(jù)拉模施工工藝模擬得知，混凝土表面抹灰的砂漿強度與混凝土抹灰面積相匹配時，可抑制混凝土拉模之后強度降低速率。

圖5 溢流面上混凝土拉摸施工模擬

圖6 施工工期與拉模速率

2.3 特殊混凝土品種施工工藝

該壩體工程中所用特殊混凝土品種為變態(tài)性混凝土，模擬該類型混凝土施工工藝如圖7 所示。從圖7 中可看出，該特殊品種混凝土碾壓時應考慮模板距離。模擬試驗表明，以距離50cm 處混凝土開始不進行碾壓。在后續(xù)工序中，還進行了混凝土攪拌以及振搗。通過模擬試驗獲得了碾壓與振搗在特殊品種混凝土中的關(guān)鍵技術(shù)要點，可為后續(xù)工程施工提供重要參考。

3 BIM 技術(shù)應用效果評價

為評價BIM 技術(shù)在重力式混凝土大壩中進度模擬及施工控制中的應用效果，引入APH 評價方法，對整個BIM 應用效果進行綜合評價。

3.1 指標權(quán)重及模糊矩陣

將BIM 技術(shù)應用效果評價分為3 個一級指標和11 個二級指標。一級指標包括工程進度計劃指標A1、進度控制實施指標A2、進度實施效益指標A3。每個一級指標下都包含二級指標，例如進度實施效益指標就包括經(jīng)濟效益B31、社會效益B32、環(huán)境價值B33。

BIM 技術(shù)應用綜合評價指標Q包括的一級指標權(quán)重值分配為：

各一級指標所包含的二級指標分配權(quán)重值分別為：

指標權(quán)重矩陣歸一化處理公式如下：

圖7 特殊混凝土施工工藝

按照特征值代替矩陣計算原則，獲得矩陣B的特征值為：

式（6）中，（BW）i指矩陣中第i個元素；λmax指最大特征根值。以特征值作為各級指標中的子元素，整理得到各級模糊指標R1……Rn的模糊關(guān)系矩陣表達式：

最終獲得評價矩陣為：

依據(jù)上述模糊矩陣理論，對該重力式大壩BIM技術(shù)應用效果開展調(diào)查，評價效果分為優(yōu)、良、中、及格、差5 個等級，分別對每個指標進行打分，最終獲得各個指標的模糊關(guān)系矩陣為：

3.2 綜合評價

按照模糊關(guān)系矩陣計算理論，以單因素評分與權(quán)重值分配作為評價分值，獲得綜合評價分值。一級指標分配值由二級指標決定，分別為：

最終將一級指標權(quán)重分配值與所得指標分結(jié)合運算，獲得綜合評價Q 為：

以得分最大值為評價隸屬度的原則可知，BIM技術(shù)應用效果分數(shù)最高為0.424，“良”等級，故該重力式大壩BIM 技術(shù)應用效果為“良”。一級指標中工程進度計劃指標得分最高值為0.559，評價效果為“良”；進度控制實施指標得分最高為0.501，應用效果為“優(yōu)”；進度實施效益指標最高得分為0.455，評價效果為“良”。由此可看出，BIM 技術(shù)在該重力式大壩施工控制及進度調(diào)控中均具有良好的應用效果。

4 結(jié)論

針對某重力式大壩工程施工，利用BIM 技術(shù)建立分析模型，開展施工模擬，調(diào)控進度計劃，優(yōu)化施工指標，并引入AHP 評價方法分析BIM 技術(shù)應用效果，得出以下結(jié)論：

（1）利用BIM 技術(shù)進行施工模擬，獲得了大面積混凝土碾壓平層施工工藝及技術(shù)指標。經(jīng)模擬對比獲得混凝土標準層無振動碾壓次數(shù)為3 次；溢流面上拉模施工鋼筋網(wǎng)架間距為0.4m 時施工工期最短；特殊品種混凝土以變態(tài)性混凝土開展了模擬施工。

（2）引入AHP 評價方法劃分出BIM 技術(shù)應用效果一、二級指標，并計算出模糊關(guān)系矩陣，最終獲得綜合評價最高分值為0.424，評價效果為良；工程進度計劃指標評價效果為良，進度控制實施指標評價效果為優(yōu)，進度實施效益指標評價效果為良；BIM 技術(shù)整體具有良好的應用效果。