李 宗 宗， 孟 凡 朋， 山 繼 紅， 林 思 學(xué)

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

建筑信息模型(Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱BIM)技術(shù)肇始于房建項(xiàng)目，目前其應(yīng)用最成熟、市場(chǎng)最完善的行業(yè)也是房建工程。而水利水電工程以其復(fù)雜的地形、地質(zhì)、場(chǎng)地、道路、水文等外部條件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、個(gè)體差異大、專業(yè)類別多、標(biāo)準(zhǔn)化程度低等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在應(yīng)用BIM技術(shù)方面存在較大難度。

結(jié)合自身實(shí)踐，在水利水電工程施工過(guò)程中對(duì)投標(biāo)、方案規(guī)劃與編制、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施、工程完工后的工程量結(jié)算、總結(jié)、移交等階段對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究和探索，以尋找提高水利水電工程管理水平的途徑和方法。

2 軟件及平臺(tái)的選擇

目前整個(gè)建筑業(yè)市場(chǎng)BIM技術(shù)正處于上升期。在歐美國(guó)家，BIM技術(shù)的應(yīng)用已較為普及，而國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也大都需要用到Autodesk、Bentley、Catia等歐美國(guó)家公司的核心技術(shù)產(chǎn)品。在我國(guó)，BIM技術(shù)方興未艾，廣聯(lián)達(dá)、魯班等軟件公司推出了一系列建模軟件和平臺(tái)軟件，理念提升、技術(shù)迭代、版本更新速度讓人應(yīng)接不暇。同時(shí)，結(jié)合IOT、5G、傳感器、圖像識(shí)別、VR、云計(jì)算等技術(shù)，“BIM以一種‘更智慧’的方法來(lái)改進(jìn)工程各干系組織和崗位人員相互交互的方式”[1]，以提高交互的明確性、效率、靈活性和響應(yīng)速度。

但就水利水電工程施工而言，BIM應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有有針對(duì)性地二次開(kāi)發(fā)或者深度匹配的前提下更適宜扁平化的管理平臺(tái)架構(gòu)和多軟件協(xié)同操作模式。管理平臺(tái)的扁平化一方面要求用于項(xiàng)目管理的廣度覆蓋水利水電工程施工全專業(yè)和全生命周期，包括較房建專業(yè)更特質(zhì)化的地質(zhì)、水文、復(fù)雜的地形地貌、地下工程等工程信息處理；另一方面要求平臺(tái)兼容信息模型在運(yùn)行過(guò)程中逐步細(xì)化和更新，包括結(jié)構(gòu)尺寸的細(xì)化和多專業(yè)的逐步補(bǔ)充和完善。多軟件協(xié)同包括但不限于核心建模軟件，如Autodesk、Bentley、Catia、BIMMAKE等產(chǎn)品、GIS、遙測(cè)信息、專業(yè)設(shè)備廠家提供的工業(yè)模型、勘測(cè)數(shù)據(jù)、通用的建模軟件如SketchUp、Fuzor、Lumion等。

軟件及平臺(tái)的應(yīng)用要點(diǎn)在于如何在現(xiàn)今技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)生態(tài)下靈活運(yùn)用各個(gè)軟件和平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)水利水電工程前述特征的管理需求，文中的論述并不限于某一產(chǎn)品，而是從需求出發(fā)，探索實(shí)現(xiàn)的可能性和途徑，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中可以靈活取舍、博采眾長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)展示效果和管理要求為目的。闡述了在水電工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中各階段對(duì)軟件及相關(guān)平臺(tái)的選擇。

2.1 投標(biāo)階段

鑒于投標(biāo)階段時(shí)間緊、任務(wù)重，工程信息量少、來(lái)源單一，因此，BIM的應(yīng)用以全局展示、場(chǎng)地布局、分析主要結(jié)構(gòu)和施工順序?yàn)橹鳌?/p>

水利水電工程的原始地形及土石方工程、道路工程可以用Autodesk Civil 3D進(jìn)行處理。Civil 3D架構(gòu)于AutoCAD之上，同時(shí)集成了地理信息系統(tǒng)軟件Map 3D，對(duì)于CAD圖紙和數(shù)據(jù)的處理相互兼容，“對(duì)于處理招標(biāo)文件提供的CAD圖紙可以直接識(shí)別帶高程信息的等高線、點(diǎn)圖元、圖塊等數(shù)據(jù)信息”[2]。帶矢量信息的PDF文件經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換后也可以直接識(shí)別。識(shí)別出的地形數(shù)據(jù)賦值于三角網(wǎng)曲面，可以生成較為詳細(xì)的三維曲面模型，

曲面模型是一個(gè)單獨(dú)的對(duì)象模型，可以根據(jù)顯示樣式設(shè)置任意顯示為工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃所需要的等高線、邊界、地形點(diǎn)、三角網(wǎng)等信息，并進(jìn)行高程、坡度、流域、縱斷面、流徑、匯流等分析，加之衛(wèi)星地圖貼圖后顯示為真實(shí)的地形地貌模型，最大限度地還原了現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況。在生成的曲面模型基礎(chǔ)上創(chuàng)建出場(chǎng)地模型，其中，利用要素線和放坡工具可以創(chuàng)建出土石方挖填模型，在用該挖填模型生成相對(duì)原始地形曲面的挖填曲面后，即可計(jì)算出挖填體積、生成挖填方案和斷面圖，并可利用工具進(jìn)行挖填平衡規(guī)劃。通過(guò)曲面剪切，可以生成場(chǎng)地整平挖填后的地形曲面，便于后續(xù)施工布置。

利用路線、裝配和道路等工具相互配合可以進(jìn)行道路、隧道的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)指定路線的挖填放坡、指定起始點(diǎn)的路線規(guī)劃、道路線形擬合、道路設(shè)施裝配等功能，所生成的模型可以實(shí)時(shí)進(jìn)行駕駛模擬和碰撞分析，生成施工方案、斷面圖和工程量計(jì)算。

平整場(chǎng)地后，臨時(shí)設(shè)施的布置可以采用revit場(chǎng)地布置模塊或廣聯(lián)達(dá)場(chǎng)地布置軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以采用自帶模型庫(kù)和云端模型庫(kù)，也可以導(dǎo)入草圖大師(SketchUp)的su格式模型，“su模型是主流模型格式，模型來(lái)源豐富，可以滿足工程需求”[3]。

投標(biāo)階段的主體結(jié)構(gòu)模型采用CAD三維實(shí)體或revit模型均可。CAD建模更為靈活，而revit建模更為專業(yè)和規(guī)范，亦便于后續(xù)施工階段的擴(kuò)展和細(xì)化。

對(duì)于模型的整合，上述軟件均可實(shí)現(xiàn)。SketchUp以其兼容性好、市面上模型組件、專業(yè)插件多、支持格式多、顯示效果豐富等特點(diǎn)值得推薦。

模型的后期渲染展示亦采用Autodesk infraworks、lumion等軟件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察場(chǎng)景效果，出圖速度快，水景逼真，樹(shù)木真實(shí)飽滿，后期效果較好。施工模擬動(dòng)畫(huà)采用Autodesk Navisworks、Fuzor等軟件，可實(shí)現(xiàn)BIMVR展示、4D施工模擬、施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)展示和施工機(jī)械碰撞檢查等功能。

“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下的語(yǔ)文課堂，即在語(yǔ)文課堂教學(xué)中通過(guò)多媒體設(shè)備實(shí)現(xiàn)課堂的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)課堂作為一個(gè)獨(dú)立概念于2000年首次面世，其模式在十年內(nèi)的發(fā)展經(jīng)過(guò)四個(gè)階段模式，概念—雛形—探索—模式架構(gòu)。2011年，這種學(xué)習(xí)模式被Sal?aman Khan教授命名為“Flipped Classroom”。[1]國(guó)內(nèi)外對(duì)于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐研究與理論研究，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的探討，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的構(gòu)建，分別形成了三類體系架構(gòu)：結(jié)構(gòu)說(shuō)，方法說(shuō)與程序說(shuō)。其核心要素包含了教學(xué)目標(biāo)、設(shè)施條件、理論支撐、運(yùn)行程序、評(píng)價(jià)反饋五大要素。

2.2 方案編制階段

項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)圖紙編制實(shí)施階段的施工組織設(shè)計(jì)和單項(xiàng)施工方案，可以在投標(biāo)階段的BIM模型基礎(chǔ)上添加實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，細(xì)化模型、優(yōu)化布置、在模型上添加詳細(xì)的施工方案、工藝流程、進(jìn)度計(jì)劃、質(zhì)量安全控制要點(diǎn)等，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可視化安全技術(shù)交底和作業(yè)指導(dǎo)。

在這一過(guò)程中，需要提前考慮BIM施工管理過(guò)程中水利水電工程的特殊性，特別是發(fā)電廠房具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層間高差大、孔洞臨邊多、專業(yè)類別多、建筑物布置復(fù)雜等特點(diǎn)，建模之前，就應(yīng)考慮專業(yè)、分層和流水段的劃分，規(guī)范模型工具和命名規(guī)則，確保后期應(yīng)用統(tǒng)一規(guī)范。

(1)模型分專業(yè)建立，設(shè)定統(tǒng)一的項(xiàng)目原點(diǎn)，包括revit中的項(xiàng)目原點(diǎn)位置和圖紙中(0，0，0)坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，各專業(yè)可獨(dú)立建模。對(duì)于所對(duì)應(yīng)的各個(gè)建筑物，如安裝間、主機(jī)間、副廠房等也可單獨(dú)建立模型以減少系統(tǒng)資源的占用、分工操作以加快建模速度。在模型建立完成后，可以采用復(fù)制或插入鏈接的形式合并模型以形成一個(gè)完整的建筑模型進(jìn)行后期輸出操作。

(2)規(guī)范命名規(guī)則。在分工建模的前提下，需要規(guī)范構(gòu)件名稱和編號(hào)的規(guī)則以方便后期的引用操作。其中包括建筑物的名稱和編號(hào)、分層的命名和編號(hào)、軸網(wǎng)和標(biāo)高的命名和編號(hào)、具體構(gòu)件的名稱和編號(hào)等。由于其在各個(gè)專業(yè)中并不完全一致，因此，提前規(guī)范和明確可以減少后期的混淆和返工。

(3)統(tǒng)一材質(zhì)和貼圖。模型的材質(zhì)將影響到后期工程量的統(tǒng)計(jì)和流水段的關(guān)聯(lián)，貼圖影響后期模型漫游、渲染的整體效果和質(zhì)量。建模之初統(tǒng)一材質(zhì)有助于加快建模速度并提高模型質(zhì)量。材質(zhì)要根據(jù)項(xiàng)目管理的深度進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，例如混凝土需不需要細(xì)分到標(biāo)號(hào)、配合比、級(jí)配、坍落度、施作方式、模板類型等，或者按照工程量清單/單價(jià)劃分等。細(xì)分可以加大管理深度，但會(huì)降低模型的容錯(cuò)性和適配性，增加管理的難度，甚至造成管理脫節(jié)。因此，選擇合理的材質(zhì)深度至關(guān)重要。亞曼蘇水利樞紐試運(yùn)行以結(jié)構(gòu)類型粗分材質(zhì)，比如混凝土僅劃分為現(xiàn)澆和預(yù)制兩種，與項(xiàng)目管理的適配性較好，但項(xiàng)目管理偏于粗糙，因此，可以考慮更細(xì)一步按強(qiáng)度標(biāo)號(hào)進(jìn)行劃分。貼圖應(yīng)考慮到工程的整體外觀，選定兩種以內(nèi)可以達(dá)到較好的出圖效果。

(4)水利水電工程建筑不同于房建項(xiàng)目，其分層和隔間不明晰，BIM建模與軸網(wǎng)和標(biāo)高的契合度不高。建議采用建立建筑物輪廓線參照軸網(wǎng)、建筑物控制高程如機(jī)組安裝高程、尾水管轉(zhuǎn)折點(diǎn)高程參照標(biāo)高的方法，建模時(shí)設(shè)置相對(duì)標(biāo)高偏移值的方法可以實(shí)現(xiàn)任意結(jié)構(gòu)快速建模。

(5)鑒于水工建筑物異型結(jié)構(gòu)較多而無(wú)法使用建模軟件默認(rèn)的柱、梁、板等集成功能，可以采用內(nèi)建模型或外建族予以實(shí)現(xiàn)。例如T形梁、牛腿、異型柱等，可以在族編輯器中根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立參照平面，利用族編輯器中提供的拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、放樣融合和可以進(jìn)行布爾運(yùn)算的空心形狀、幾何圖形運(yùn)算等建立模型，并將對(duì)齊參照平面的圖形要素進(jìn)行鎖定，而對(duì)參照平面間的幾何參數(shù)設(shè)置為標(biāo)簽參數(shù)，將構(gòu)件間的參數(shù)或同一構(gòu)件參數(shù)間的邏輯關(guān)系或技術(shù)要求通過(guò)數(shù)學(xué)公式進(jìn)行約束和自動(dòng)更新。對(duì)于重復(fù)性結(jié)構(gòu)或公式曲線設(shè)施如球形網(wǎng)架、流道等可以采用Revit自帶Dynamo插件進(jìn)行可視化編程建模，采用該方法建立的參數(shù)化族在載入到建筑物模型中后，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)以達(dá)到快速、準(zhǔn)確建模的效果。

(7)發(fā)電廠房最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是機(jī)墩風(fēng)罩，其體型復(fù)雜、孔洞多、二期預(yù)留多，因此，其建?？梢圆捎脙?nèi)建模型進(jìn)行建模。內(nèi)建模型工具同族編輯器，但可以借用主體結(jié)構(gòu)的軸網(wǎng)和標(biāo)高。其建模的主要步驟同建族，孔洞和二期以空心形狀建立，可以保證內(nèi)建模型的整體性和完整性。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施階段

該階段主要利用BIM 5D平臺(tái)以模型為核心“進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本等管理”[4]。由于目前該平臺(tái)產(chǎn)品主要以房建為主，在水利水電工程中移植應(yīng)用這些管理工具就需要靈活變通，結(jié)合水工建筑物的特點(diǎn)，以有效實(shí)施項(xiàng)目管理為目標(biāo)，通過(guò)拆分、融合某些功能和工具，將管理覆蓋到施工現(xiàn)場(chǎng)的方方面面。

(1)進(jìn)行項(xiàng)目管理，首先要在模型的基礎(chǔ)上加載流水段的劃分信息。房建的流水段劃分較為明確，其以樓層和分區(qū)為界。而水工建筑物的分層分區(qū)不明晰，需要在建模之初就考慮建筑物的整體施工分層分塊，建立流水段時(shí)，按照能全勿缺、寧粗勿模糊的原則，以施工分層和施工縫為界進(jìn)行流水段的劃分。在將作業(yè)細(xì)分到工序的部分，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況將一個(gè)流水段劃分為若干倉(cāng)號(hào)，以犧牲管理細(xì)度的代價(jià)換回水利水電工程BIM管理的靈活性和準(zhǔn)確性。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)于發(fā)電廠房以外的線性工程，如渠道工程管理中可以按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分為若干個(gè)甚至僅為一個(gè)大的流水段，在將作業(yè)細(xì)分到工序的部分換成按具體分塊或施工縫或班組進(jìn)行劃分，即可以保證項(xiàng)目管理與現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確結(jié)合。

(2)流水段關(guān)聯(lián)進(jìn)度計(jì)劃需要將進(jìn)度計(jì)劃按流水段劃分進(jìn)行相應(yīng)的細(xì)化和調(diào)整。關(guān)聯(lián)流水段和相關(guān)責(zé)任人也可替換為關(guān)聯(lián)作業(yè)隊(duì)或班組以便于現(xiàn)場(chǎng)靈活管理。關(guān)聯(lián)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)將任務(wù)下發(fā)給責(zé)任人并提醒責(zé)任人每天用手機(jī)錄入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的施工進(jìn)展情況，自動(dòng)在模型上更新進(jìn)度情況。

(3)在模型準(zhǔn)確的情況下，更新進(jìn)度后平臺(tái)即可自動(dòng)更新工程量、成本、產(chǎn)值等情況。因此而要求現(xiàn)場(chǎng)錄入的數(shù)據(jù)需及時(shí)、準(zhǔn)確、連貫。

(4)數(shù)據(jù)錄入后，平臺(tái)自動(dòng)生成的日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)及其他按人材機(jī)分類匯總的現(xiàn)場(chǎng)情況和數(shù)據(jù)分析模型可以直接用于項(xiàng)目管理匯報(bào)，為項(xiàng)目決策提供依據(jù)和參考。

(5)質(zhì)量情況以現(xiàn)場(chǎng)用手機(jī)錄入的情況為主，在手機(jī)端點(diǎn)選關(guān)聯(lián)相應(yīng)流水段和責(zé)任人，可以將現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量問(wèn)題、形象面貌、獎(jiǎng)懲等信息直接發(fā)送相關(guān)責(zé)任人和管理決策層，追蹤責(zé)任人進(jìn)行整改后還會(huì)發(fā)送審核人進(jìn)行驗(yàn)收審核。對(duì)于質(zhì)量的實(shí)測(cè)實(shí)量，可以關(guān)聯(lián)智能設(shè)備針對(duì)圖紙中或操作規(guī)范中的參數(shù)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)量，實(shí)時(shí)上傳系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)實(shí)測(cè)實(shí)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析；對(duì)于不滿足規(guī)范要求的部位將直接發(fā)送責(zé)任人進(jìn)行整改。

(6)安全情況的錄入與質(zhì)量類似，以手機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)錄入安全隱患、安全問(wèn)題和獎(jiǎng)懲的情況為主。另有一項(xiàng)安全的要求是定點(diǎn)巡視，下達(dá)任務(wù)時(shí)生成二維碼，要求責(zé)任人定期到現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)部位進(jìn)行巡視、掃描二維碼并記錄觀測(cè)情況。

(7)成本管理主要采用錄入工程量清單中的單價(jià)并關(guān)聯(lián)模型后，平臺(tái)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)每天實(shí)時(shí)錄入的進(jìn)展情況實(shí)時(shí)更新已完成工程量、發(fā)生成本和產(chǎn)值，生成周期報(bào)表和統(tǒng)計(jì)分析圖表等。

2.4 工程完工階段

工程完工階段需要提交的成果包括實(shí)際完成工程量、結(jié)算報(bào)表、完工報(bào)告、總結(jié)、工程資料等?；贐IM技術(shù)的移交清單包括由BIM 5D實(shí)施過(guò)程中通過(guò)大數(shù)據(jù)分析與提煉得到的“工程量匯總表與產(chǎn)值報(bào)表、質(zhì)量報(bào)表、安全報(bào)表、成品模型效果圖，以及包括全部施工數(shù)據(jù)的數(shù)字工程移交”[5]。

本階段成果在前述階段數(shù)據(jù)完整、操作及時(shí)準(zhǔn)確的前提下利用平臺(tái)算法和機(jī)制可直接生成和輸出，為工程完工移交提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水利水電工程施工過(guò)程中各階段BIM技術(shù)應(yīng)用的探索可以看出，在水利水電工程施工過(guò)程中應(yīng)用BIM技術(shù)具有以下特點(diǎn)：應(yīng)用該技術(shù)需要貫穿其生命周期，循序漸進(jìn)，逐步細(xì)化、環(huán)環(huán)相扣、要求數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確；其涉及多專業(yè)、全數(shù)據(jù)支撐，需要多個(gè)軟件和平臺(tái)匹配、支持，需要各個(gè)部門和專業(yè)的人員相互配合、協(xié)作。該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施，實(shí)質(zhì)上是將傳統(tǒng)項(xiàng)目管理集成于模型信息化這一核心上，其應(yīng)用有利于提高項(xiàng)目的管理水平和信息化程度。因此，在水利水電工程施工中應(yīng)用BIM技術(shù)具有較好的推廣價(jià)值和前景。