鄭國輝 李 祥 王 超

(1.北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京 100048；2.北京市河湖流域管理事務中心，北京 102600)

近年來，國家大力推廣工程信息化建設，BIM技術(shù)得到廣泛應用，BIM4D技術(shù)基于專業(yè)4D軟件應用，目前主要在BIM3D模型數(shù)據(jù)基礎上，針對工程施工過程，建立4D模型，進行施工過程仿真模擬，生成渲染效果的視頻，實現(xiàn)模型的動態(tài)可視化。同時，對4D模型賦予項目進度、投資等計劃信息，在施工過程中，根據(jù)實際情況對模型、計劃等實時優(yōu)化調(diào)整，形成了一個數(shù)字化施工管理平臺。

工程施工如何順利完成，如何實現(xiàn)BIM4D模型效益的最大化，即還原真實的施工過程、高效施工管控，從而保障工程施工目標的實現(xiàn)，是本文的主旨。本文以鳳港閘項目為例進行BIM4D技術(shù)應用研究。

1 工程概要

1.1 設計概況

鳳港閘位于北京市通州區(qū)鳳河與港溝河連接河道新挖段上，設計水閘共6孔，每孔凈寬11m，設6扇露頂式弧形鋼閘門，單扇閘門尺寸11m×11.4m(寬×高)，設6臺卷揚式啟閉機。水閘自上而下依次為上游連接段、上游防護段、鋪蓋段、閘室段、消力池段、海漫段、防沖槽、反坡段和下游連接段，順水方向長236m。水閘上部設啟閉機室等管理用房。水閘設計囊括了結(jié)構(gòu)、建筑、機電等專業(yè)(見圖1)。

圖1 BIM4D模型中水閘模擬效果

1.2 施工特性

水閘基礎地層中含淤泥質(zhì)土等軟弱土層，需基礎換填?；A開挖形成豎井式基坑，基坑尺寸為80m×76m×18m(長×寬×深)，豎井內(nèi)土體換填作業(yè)及垂直運輸方案需精細，底板、閘墩等大體積混凝土澆筑防止裂縫措施需深化，水閘門槽預埋件安裝要精準，閘門、啟閉機等金屬結(jié)構(gòu)安裝專業(yè)程度高。

2 BIM4D方案策劃

為了確保復雜施工的科學化、邏輯化、精細化、清晰化，實現(xiàn)施工過程精密組織，在研究制定施工方案及進度、投資計劃的基礎上，研究決定基于BIM4D技術(shù)構(gòu)建施工過程的仿真模型，優(yōu)化水閘設計及施工方案，助力高效施工管控。

2.1 BIM基礎軟件選用

BIM4D模型需要在3D模型基礎上建立，構(gòu)建符合需求的基礎3D模型需選用適合的BIM基礎軟件。主要對Bentley、Dassault、Revit、Nemetschek Graphisoft等BIM基礎軟件進行比選[1](見表1)。

表1 主要BIM基礎軟件對比

經(jīng)比選，Bentley系列軟件在專業(yè)設置、軟件功能等方面更適合水閘施工所需的基礎3D模型構(gòu)建，確定采用Bentley系列BIM基礎軟件。

2.2 BIM4D軟件選用

為確保水閘施工過程4D模型效益，需針對工程的實際情況，選定更適合的技術(shù)軟件。主要對Autodesk Navisworks、RIB iTWO、廣聯(lián)達BIM5D、Fuzor、Synchro 4D等5種相關(guān)軟件進行比選(見表2)。

表2 主要BIM4D軟件對比

經(jīng)比選，Synchro 4D 軟件功能的特點對水閘施工過程仿真模型需求針對性較強，能較好地滿足水閘施工的需求，而水閘應用Bentley軟件進行正向3D設計，設計的3D信息模型完全符合軟件的需求，形成了軟件特點與水閘施工特性的契合，可充分展現(xiàn)軟件的專長，最大化地體現(xiàn)水閘施工BIM4D模型效益。

水閘施工中，Synchro 4D技術(shù)的應用包括：仿真模型應用，即施工過程模擬、施工動畫漫游、設計交底、資料協(xié)同；3D施工場地布置，即3D動態(tài)展示、場地布置優(yōu)化、施工方法優(yōu)化、關(guān)鍵環(huán)節(jié)展示；施工實時管控，即進度計劃管理、質(zhì)量安全管理、資源投入管理、細節(jié)追溯。同時，動態(tài)可視化可直觀助力整體設計形態(tài)的空間優(yōu)化調(diào)整。

Synchro 4D技術(shù)應用，為水閘施工提供了一個可視化的基礎條件，具有顯著的功能效益(見表3)。

表3 Synchro 4D在水閘施工中應用的功能效益

3 BIM4D構(gòu)建方案研究

3.1 補充輔助模型

施工過程4D模型中細致的現(xiàn)場模擬反映的是真實的施工情況，這就要求模型的深度不再限于設計級程度。在水閘設計3D模型的基礎上，鑒于基礎地層情況須清晰明了，補充構(gòu)建了3D地質(zhì)模型；據(jù)實添加了形象的建筑表面裝修層；建立了連續(xù)墻及其施工配套的輔助工程設施模型；添加了參數(shù)化的施工圍擋、施工工廠設施、輔助建材、施工機械、堆場等臨時設施模型(見圖2)。補充模型會增加一定的建模難度及時間，但相對于帶來的仿真效果及施工建設管理效益可謂性價比較高。

3.2 構(gòu)建全程解析流程

基于Synchro 4D技術(shù)，經(jīng)研究后，確定水閘施工Synchro 4D作業(yè)步驟及關(guān)鍵內(nèi)容(見圖3)。

圖3 Synchro 4D作業(yè)步驟及關(guān)鍵內(nèi)容流程

3.3 關(guān)鍵節(jié)點剖析

3.3.1 基礎土體換填

基礎土體尺寸為80m×76m×18m(長×寬×深)。開挖土體以3m一層進行切分，共分6層，每層沿長度方向按10m、沿寬度方向按38m為一段進行切分，每層切分為16個模塊，開挖土體共切分為96個模塊。模擬動態(tài)過程如下。

基坑土體單層開挖，由4臺挖掘機均衡分布出現(xiàn)(安裝)開始，沿各自的“S”形軌跡往復作業(yè)，相應土塊同步挖除，4臺挖掘機進度同期，由機械消失(拆除)結(jié)束，進入下一層開挖，出渣由門式起重機垂直運輸，循環(huán)作業(yè)6次，直至挖至基坑底部。其中土體模塊以“拆除、沿開挖路徑方向消失” 配置外觀(見圖4)。

圖4 基礎土體換填模擬效果示意

同理，基礎填筑土體以0.5m為一層，共分36層，每層沿長度方向按20m、沿寬度方向按38m為一段進行切分，每層切分為8個模塊，填筑土體共切分為288個模塊。由推土機、壓路機分層攤鋪、壓實，其中土體模塊以“安裝、沿填筑路徑方向增長” 配置外觀。

3.3.2 閘室結(jié)構(gòu)澆筑

底板、閘墩等大體積混凝土采用商品混凝土，結(jié)合結(jié)構(gòu)永久縫分層分塊澆筑。底板尺寸為25m×76m(長×寬)，分塊尺寸為12.5m×19m(長×寬)，共切分8塊。閘墩尺寸為25m×2.4m×11.4m(長×寬×高)，分塊尺寸為12.5m×2.4m×3.8m(長×寬×高)，7個閘墩共切分42塊。單個模塊，水平結(jié)構(gòu)以“安裝+顏色從左至右變化”、豎直結(jié)構(gòu)以“安裝+顏色由下至上變化” 配置外觀。

3.3.3 閘門、啟閉機安裝

閘門、啟閉機共6套，單扇閘門分片、單臺啟閉機分部運至閘區(qū)后現(xiàn)場拼接、組裝完整。啟閉機由汽車起重機吊裝，閘門自檢修平臺由啟閉機吊運就位。單個金屬結(jié)構(gòu)吊裝路徑依次為沿閘寬度方向、閘長度方向、閘高度方向，逐一由水閘南端依次平穩(wěn)吊裝就位，并行、交錯安裝。相鄰結(jié)構(gòu)安裝調(diào)試時間搭接0.5個月，各安裝工序按照邏輯關(guān)系協(xié)調(diào)有序。

3.4 施工管控

建立Synchro 4D模型后，基于模型從空間、時間、邏輯關(guān)系等全方位、多角度的動態(tài)展示，科學、系統(tǒng)地優(yōu)化了設計及施工方案。為4D模型加載進度、投資等計劃信息，將計劃中的各項資源任務逐一與模型關(guān)聯(lián)，從而在BIM4D的基礎上，構(gòu)成集成了施工實體、動態(tài)模擬、進度、投資等綜合信息的5D模型，實現(xiàn)了工程視覺形態(tài)與施工實體信息的有機聯(lián)動，形成了一個數(shù)字化施工管理平臺。啟用Synchro 4D云端服務實時共享平臺數(shù)據(jù)，協(xié)同辦公。通過平臺將施工實際情況和進度及投資計劃進行對比，及時對模型、計劃及資源配置進行優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)了高效施工管控，為工程施工質(zhì)量、安全、進度、投資等管理提供了優(yōu)質(zhì)服務。

該施工管理平臺的使用者是一個專業(yè)的施工管控團隊，由建設方領(lǐng)導，成員包括了現(xiàn)場管理工程師、計劃工程師、BIM工程師等參建各方人員，各方分工明確、專人專責，緊密協(xié)同跟進、實時共享信息。突出各管控環(huán)節(jié)的時效性，第一時間反饋實際情況，短時間決策并付諸行動。其中重點是壓縮仿真模型更新時間，實際模型更新基本控制在一周以內(nèi)。參建各方有機協(xié)同，實現(xiàn)了施工管控目標，助力施工順利完成。

3.5 構(gòu)建作業(yè)體驗

本次BIM4D作業(yè)，由水閘設計方施工組織專業(yè)工程師也是計劃工程師來完成，即計劃工程師兼任BIM工程師，關(guān)鍵專業(yè)角色的融合是助力優(yōu)質(zhì)BIM4D模型的亮點之一。水閘施工過程4D模型構(gòu)建成熟的作業(yè)時間為2個月，期間經(jīng)過多次專家論證，如多名BIM工程師分工協(xié)作可更加高效。由于水閘為3D正向設計，節(jié)省了前期3D模型建立成熟的時間(按3個月以上考慮)。Synchro 4D模擬實操總體感覺相對愉快，軟件相對友好(見表4)。

表4 水閘施工Synchro 4D模型構(gòu)建作業(yè)體驗

4 結(jié) 論

水閘設計囊括了結(jié)構(gòu)、建筑、機電等專業(yè)，根據(jù)水閘的施工特性，采用Bentley系列BIM基礎軟件和Synchro 4D軟件，能夠針對性地滿足水閘施工需求，是軟件特點與水閘建設特性的契合。

Synchro 4D模型的建立，優(yōu)化了水閘設計及施工方案，為水閘施工提供了一個可視化的基礎條件；對BIM4D模型賦予進度、投資等計劃信息后形成的BIM5D模型，實現(xiàn)了工程視覺形態(tài)與施工實體信息的有機聯(lián)動，形成了一個數(shù)字化施工管理平臺，為施工管控提供了優(yōu)質(zhì)服務。工程建設中，應針對施工特性，制定合理的施工方案及計劃，掌握軟件的使用技巧，科學、系統(tǒng)地進行模型構(gòu)建作業(yè)，構(gòu)成集成了工程實體、動態(tài)模擬、進度、投資等綜合信息的5D模型成果。施工階段，參建各方有機協(xié)同，利用模型將實際情況與計劃對比后進行優(yōu)化調(diào)整，助力高效施工管控，保障工程施工順利完成。