丁乙 辛詩潔 白爽 胡冰 陳小波

(1.東北財(cái)經(jīng)大學(xué)投資工程管理學(xué)院，遼寧 大連 116025；2.東北財(cái)經(jīng)大學(xué)工程管理研究中心，遼寧 大連 116025)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域正走向科學(xué)化、機(jī)械化和智能化?！笆奈濉逼陂g，我國將進(jìn)一步加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。在農(nóng)業(yè)作物的生產(chǎn)過程中，農(nóng)業(yè)大棚以其安全衛(wèi)生、節(jié)約成本、提高產(chǎn)量、適栽品種多、操作方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)建造主要是依照2D的CAD軟件進(jìn)行操作，存在工作信息不連貫、直觀性差、修改圖樣工作量大且易出錯(cuò)等缺點(diǎn)，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展建設(shè)的需求。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)作為基于三維模型的設(shè)計(jì)，利用虛擬的三維模型，通過數(shù)字化技術(shù)，模擬出擬建建筑物的幾何狀態(tài)。將BIM技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)建造過程，可以很好地解決CAD平面設(shè)計(jì)的不足。對(duì)于BIM技術(shù)在空間設(shè)施優(yōu)化、質(zhì)量管理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，張勇等[1]分析了BIM技術(shù)在Venlo溫室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；任偉[2]研究了BIM在機(jī)電設(shè)備施工中的實(shí)踐；李超瓊[3]總結(jié)了BIM技術(shù)在建筑工程項(xiàng)目管理流程優(yōu)化中的應(yīng)用；王文進(jìn)等[4]對(duì)工程質(zhì)量管理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)；齊寶庫等[5]分析了BIM技術(shù)在建筑工程全生命周期管理中的應(yīng)用；唐小衛(wèi)等[6]研究了BIM技術(shù)在三維施工空間布置中的應(yīng)用；李東軍等[7]研究了BIM技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電管線的優(yōu)化方法；魏存興等[8]對(duì)比分析了BIM和CAD在溫室大棚建模時(shí)的不同點(diǎn)；鄧?yán)誓莸萚9]分析了BIM技術(shù)在工程質(zhì)量管理中的應(yīng)用。本文通過分析農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)建造及管理過程中的難點(diǎn)，研究BIM技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚設(shè)施優(yōu)化、質(zhì)量管理、運(yùn)營維護(hù)等所起的作用，為農(nóng)業(yè)大棚在設(shè)計(jì)、建造以及運(yùn)維等階段的全生命周期管理提供參考。

1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)建造中存在的問題

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的建造是基于CAD圖樣施工的，現(xiàn)有的CAD設(shè)計(jì)模式存在以下問題：

(1)平面圖與立面圖的關(guān)聯(lián)程度差，要求設(shè)計(jì)者有較好的空間想象能力，一旦設(shè)計(jì)出現(xiàn)更改需要對(duì)相關(guān)圖樣進(jìn)行更改，極易產(chǎn)生疏漏。

(2)CAD圖樣僅能繪制出農(nóng)業(yè)大棚的平面圖和立面圖，無法對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)表達(dá)，設(shè)計(jì)不夠全面。

(3)基于CAD的平面設(shè)計(jì)信息收集難度較大，往往需要人工統(tǒng)計(jì)圖樣中的信息，后期的資料調(diào)取工作較為煩瑣，需要耗費(fèi)較多的人力物力且極易出錯(cuò)。

(4)農(nóng)業(yè)大棚的業(yè)主一般不具有建筑或農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，對(duì)二維設(shè)計(jì)的接受能力差，在農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)建造過程中很難滿足業(yè)主的主觀要求。

2 農(nóng)業(yè)大棚模型的構(gòu)建、優(yōu)化與應(yīng)用

基于BIM技術(shù)的設(shè)施優(yōu)化是以BIM專業(yè)軟件為基礎(chǔ)，利用其數(shù)字化技術(shù)，通過圖元的構(gòu)建與組合，形成可視化的三維模型。正是由于BIM可視化的優(yōu)點(diǎn)，工程團(tuán)隊(duì)各方尤其是業(yè)主方可以充分參與農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)，業(yè)主的訴求將得到最大限度的滿足，大幅減少設(shè)計(jì)變更次數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率，使項(xiàng)目能夠盡快投入使用。

2.1 農(nóng)業(yè)大棚模型的創(chuàng)建

BIM模型的創(chuàng)建主要是基于軟件中族的構(gòu)建和運(yùn)用。族是形成BIM模型的基本元素，族的準(zhǔn)確度將直接決定BIM模型的準(zhǔn)確度。BIM軟件中族庫和族的類型十分豐富，如Revit軟件中有系統(tǒng)族、可載入族和自建族等多種設(shè)置族的方式，設(shè)計(jì)者在構(gòu)建模型時(shí)將需要的族導(dǎo)入項(xiàng)目中，將族的各項(xiàng)參數(shù)更改為項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的參數(shù)(圖1)，將各種族組合在一起即可完成農(nóng)業(yè)大棚模型的構(gòu)建。

圖1 族參數(shù)修改圖示

雖然我國對(duì)農(nóng)業(yè)大棚有明確的行業(yè)規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但不同跨度、不同地區(qū)、不同用途的大棚形式多種多樣，其鋼骨架的形式也并非類似于房屋建筑工程中的構(gòu)件具有較高的標(biāo)準(zhǔn)化程度。尤其是拱圓形的農(nóng)業(yè)大棚，其鋼骨架的曲度受大棚高度和跨度的影響，在BIM軟件中并沒有完全匹配的系統(tǒng)族，所以在建模時(shí)需要進(jìn)行大量的自建族和已有族的修改工作。因此，在建模時(shí)需要注意選擇合適的族類型進(jìn)行族的構(gòu)建，以保證建模的準(zhǔn)確度，最大限度減少建模的工作量。

2.2 管線優(yōu)化

為保證棚內(nèi)作物有良好的生長(zhǎng)環(huán)境，農(nóng)業(yè)大棚的內(nèi)部通常設(shè)置有通風(fēng)系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、移動(dòng)苗床系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等多種復(fù)雜且密切關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。由于大棚內(nèi)部的空間十分有限，各個(gè)系統(tǒng)間需要用繁密的管線連接，而大棚內(nèi)空間又十分有限，管線的布置難度較大，采用傳統(tǒng)的2D設(shè)計(jì)有較大的局限性。由于2D設(shè)計(jì)是基于平面圖樣，管線相互交錯(cuò)時(shí)在圖樣上顯示比較混亂。尤其是對(duì)于管道的翻彎和路徑繞行，在進(jìn)行平面設(shè)計(jì)時(shí)難以考慮到項(xiàng)目的實(shí)地情況，工人對(duì)平面圖樣的理解也存在一定的難度，導(dǎo)致工人在施工時(shí)極易產(chǎn)生遺漏的碰撞點(diǎn)，從而引發(fā)設(shè)計(jì)變更，給業(yè)主造成損失。

在管線的布置過程中應(yīng)用BIM技術(shù)，可以通過Revit或Navisworks等軟件進(jìn)行施工模擬或碰撞檢測(cè)，在管線建模完成后通過模擬施工的方式檢測(cè)到管線之間或管線與主體結(jié)構(gòu)之間的碰撞沖突問題(圖2)。在可視化的視角下，設(shè)計(jì)者可以及時(shí)對(duì)管線的布置進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，盡量減少管線的翻彎和繞行，使管線排布更加合理。應(yīng)用BIM技術(shù)可以有效解決大棚內(nèi)部管線布置時(shí)產(chǎn)生的沖突問題，優(yōu)化大棚內(nèi)部的空間布局，為后續(xù)其他設(shè)施的布置預(yù)留更大的空間。

圖2 Revit視角下管線碰撞檢查圖示

2.3 平面布局優(yōu)化

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)大棚主要是以苗床、種植槽、種植架為器皿對(duì)作物進(jìn)行栽培，在有限的空間內(nèi)提高空間的利用效率，進(jìn)而提高大棚的產(chǎn)量，提高業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益。基于BIM技術(shù)可視化的優(yōu)勢(shì)，可以構(gòu)建出大棚內(nèi)部各個(gè)設(shè)施擺放的具體位置、模擬工人的行走路徑，使工人的操作更加方便、合理。目前，大部分的BIM軟件(如Revit、Sketchup、Lumion等)都具有渲染功能，工程師可以通過BIM技術(shù)的渲染功能渲染出農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的真實(shí)情況，并根據(jù)業(yè)主要求模擬出棚內(nèi)需要布置的設(shè)施種類和各類設(shè)施的數(shù)量，形成可靠的物料清單和可視化模型，為業(yè)主在物資采購方面提供有力保障，有效減少材料損耗，降低造價(jià)。大棚內(nèi)部苗床布置圖如圖3所示。

圖3 大棚內(nèi)部苗床布置圖

此外，由于農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部需要供應(yīng)聲、光、電以及水源滿足作物生長(zhǎng)要求，基于BIM技術(shù)的布局優(yōu)化，結(jié)合斯維爾軟件的能耗分析功能，可以調(diào)整大棚之間的相互位置和朝向，使得每個(gè)大棚都能最大限度地利用自然資源。尤其是對(duì)于大棚的通風(fēng)系統(tǒng)和采光照明系統(tǒng)來說，位置和方向的科學(xué)布置將使大棚盡可能多地接收自然風(fēng)和自然光，從而減少大棚內(nèi)部通風(fēng)設(shè)備和照明設(shè)備的使用頻率和時(shí)間，在起到綠色節(jié)能環(huán)保作用的同時(shí)，有效減少項(xiàng)目運(yùn)營過程中的費(fèi)用。

2.4 技術(shù)交底

為了科學(xué)地組織施工，使施工人員對(duì)工程特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)有一定的了解和認(rèn)識(shí)，各項(xiàng)工程開工前都會(huì)組織施工交底，對(duì)工程中的重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行解釋。但是以傳統(tǒng)圖樣為基礎(chǔ)的施工交底可視性差，外加施工人員的經(jīng)驗(yàn)、能力參差不一，接受程度難以保證，又由于農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部管線及設(shè)備交錯(cuò)布置，更容易在施工時(shí)產(chǎn)生疏漏?；贐IM技術(shù)的施工交底可視性強(qiáng)，可以通過Navisworks軟件模擬施工過程和實(shí)景漫游，直觀展示專業(yè)化程度高、施工難度大的部分，使施工人員細(xì)致了解工程特點(diǎn)，提高施工時(shí)的重視程度，保障項(xiàng)目順利進(jìn)行。

2.5 施工質(zhì)量管理及信息管理

在傳統(tǒng)的施工質(zhì)量管理過程中，多是采用事中控制和事后控制的方式，由監(jiān)理工程師在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)施工進(jìn)行監(jiān)管，并在施工完成后對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量進(jìn)行檢查。在這種質(zhì)量控制方式下，一旦工程質(zhì)量出現(xiàn)問題就可能產(chǎn)生大量的返工，導(dǎo)致工期延誤、成本增加。而采用BIM技術(shù)可以在工程施工前開始質(zhì)量管理工作，監(jiān)理工程師可以將每個(gè)構(gòu)件的詳細(xì)信息(如材料規(guī)格、生產(chǎn)廠家、操作人員等)通過參數(shù)設(shè)置的方式輸入BIM軟件中，使工程信息精確到每一個(gè)構(gòu)件，使工程信息的可靠性、準(zhǔn)確性得到保證。項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4 項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置

工程質(zhì)量信息具有數(shù)量龐大、類型復(fù)雜、來源普遍、動(dòng)態(tài)變動(dòng)性較高等特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的質(zhì)量控制中需要耗費(fèi)大量的人力資源對(duì)工程質(zhì)量信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和保存，而BIM技術(shù)作為建筑信息化的工具，從多個(gè)方面改善了傳統(tǒng)質(zhì)量管理存在的弊端。運(yùn)用BIM技術(shù)，可以建立基于BIM模型的管理平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)的工程師只需登錄賬號(hào)就可以通過手機(jī)、電腦等設(shè)備將材料/設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、施工節(jié)點(diǎn)、簽證變更以及相關(guān)資料文件全部上傳至BIM綜合管理平臺(tái)；工程各方也可以在BIM平臺(tái)上查找文件，減少了許多煩瑣復(fù)雜的程序，不僅保證了工程質(zhì)量，還大大減少了各類文檔、多媒體文件的歸檔整理工作。

3 BIM技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚全生命周期的應(yīng)用

作為具有信息化特點(diǎn)的建筑模型，在農(nóng)業(yè)大棚的運(yùn)營維護(hù)階段，BIM技術(shù)可以與農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)鏈接，將棚內(nèi)各項(xiàng)機(jī)電設(shè)備的相關(guān)信息載入BIM平臺(tái)，業(yè)主在BIM模型中可以清楚地了解設(shè)備的使用情況和實(shí)時(shí)參數(shù)；在棚內(nèi)設(shè)施發(fā)生故障時(shí)，相關(guān)工作人員可以通過BIM模型第一時(shí)間確定故障的位置、了解設(shè)備的維修記錄并確定相應(yīng)的維修方案，及時(shí)地對(duì)故障設(shè)施進(jìn)行維修，快速有效地解決問題；在設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)工作中，可以將設(shè)備進(jìn)行歸類，將不同類型設(shè)備的保養(yǎng)要求和保養(yǎng)周期置入BIM軟件，形成設(shè)備保養(yǎng)計(jì)劃表，方便工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行日常維護(hù)和保養(yǎng)。此外，在實(shí)際工程項(xiàng)目的運(yùn)維階段往往需要調(diào)用與項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)的各種資料，通過BIM平臺(tái)快捷地獲取這些資料數(shù)據(jù)，使檔案信息的查找更加方便。

4 結(jié)語

隨著我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)及應(yīng)用也必然向建筑行業(yè)信息化、可視化、工業(yè)化的方向發(fā)展。BIM技術(shù)的應(yīng)用將彌補(bǔ)二維設(shè)計(jì)中存在的不足，通過BIM對(duì)大棚內(nèi)部的設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化，有效減少農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的各類管線碰撞問題；使大棚內(nèi)部各項(xiàng)設(shè)施的平面布置更為合理，減少圖樣更改和材料損耗；使大棚的各項(xiàng)信息集成到BIM管理平臺(tái)中，提高溝通協(xié)作效率，減少信息傳遞過程中可能出現(xiàn)的問題；提高大棚在運(yùn)營維護(hù)階段的工作效率，有效提升各類設(shè)備的工作質(zhì)量，起到及時(shí)維修和保養(yǎng)的作用。通過BIM技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚的施工管理，將進(jìn)一步提升工程質(zhì)量，減少材料損耗，確保工程順利完成。因此，對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)人員、業(yè)主以及工作人員和管理人員而言，融合了BIM技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)更合理、運(yùn)營維護(hù)更快捷、經(jīng)濟(jì)效益更高。