BIM技术在水利工程中的应用研究

孙少楠，张慧君

（华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045，E-mail：1042193002@qq.com）

BIM技术在水利工程中的应用研究

孙少楠，张慧君

（华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045，E-mail：1042193002@qq.com）

水利工程具有地形条件复杂、设计选型独特、涉及专业广等特点，存在图纸信息繁冗、工程枢纽布置复杂、土方量计算不精确的问题，针对这些问题提出构建水利工程信息模型的方法，通过绘制水利工程的地形以及水工建筑物BIM模型，完整实现水利工程仿真信息的数字化查询，并结合多款BIM软件协同完成水利工程的枢纽布置、土方量计算。以洪都拉斯帕图卡Ⅲ水电站项目工程为例，介绍了BIM技术在该水利工程中的应用点，可为水利工程建设管理提供参考。

BIM技术；水利工程；信息模型构建；土方量计算；BIM模型应用

目前，BIM技术的应用越来越广泛，成为建筑业许多课题的支撑[1]。M Yalcinkaya[2]通过应用Latent Semantic Analysis（LSA）的方法，分析 975篇和BIM有关的学术论文摘要，指出了现阶段BIM研究的模式和趋势；LV Berlo[3]通过案例介绍了基于BIM技术的项目中心服务器的创建及BIM数据的共享；张建平等[4]自主研发了建筑工程施工BIM建模系统和基于BIM的4D施工项目管理系列软件；何关培[5]通过对几种可能技术路线的分析，提出了建筑施工企业BIM技术路线在BIM应用不同成熟阶段的发展走向。这些研究对建筑工程有一定的指导意义，但是水利工程和建筑工程的特点有所不同，前者的研究成果并不完全适用于水利工程。水利工程设计选型独特，CAD设计图纸信息繁多，需要专业人员解析才能获得工程三维形态，且图纸修改过程复杂，设计人员协同困难，使得设计周期增长，设计质量难以控制，BIM作为一种集成建筑完整数字化信息的三维框架[6]，能够实现水利工程可视化查询和设计的关联修改。水利工程施工技术复杂，施工人员整体素质较低，工程质量难以保证，运用BIM技术对关键节点进行施工放样，能有效指导现场工人科学有序施工，从而提高工程质量，减少返工，缩短工期，便于施工交底和后期的运营管理。再者，水利工程地形条件复杂，在施工前期需要大量的挖、填土方，土方量计算是否精确关系到水利工程最终造价是否准确。运用BIM技术对水利工程进行地形和相关建筑物的建模，实现水工建筑物可视化查询和关键节点质量控制、简化施工总布置优选过程，同时，在此过程中完成快速精确计算土方量，使工程管理与信息技术高度融合，对于提高水利工程信息化率，方便后期运行管理具有重要意义。

1　BIM模型的构建

BIM模型的构建是运用BIM技术对建设项目进行信息管理的前提，本文为了实现水利工程项目完整的数字化查询，对项目的地形和水工建筑物分别进行BIM模型的构建。

1.1地形BIM模型的构建

地形模型是描述工程施工总布置的基础，是所有建筑物及施工活动的场所，也是地形开挖的受体[7]，本文采用BIM建模软件实现水利工程项目地形的建模。首先，对原始数据资料进行分析，对河道地形等高线仔细检查，修改有问题的等高线（以免最后生成的地形模型与实际产生偏差），然后根据检查后的等高线创建曲面。曲面创建主要使用不规则三角网（TIN）来描述，三角网是由组成曲面三角剖分的三角形组成，通过对某高程点所在三角形的顶点高程进行高程值的内插计算得到的就是曲面高程[8]，这种曲面是缺省的曲面，适用于由不规则分布的采样数据得到的多变复杂的曲面，能充分表现地形的高低起伏变化。再对曲面上高程过高或者过低的错误点进行修改，最终生成所需要的地形模型。对修改好的地形再次进行分析修改，最终形成符合工程实际的地形。

1.2水利工程建筑物BIM模型的构建

建立一个真实描述工程设计的数字信息模型，是实现可视化仿真技术的基础。水利工程与普通建筑工程不同的特点，其建模顺序、方法、要求也有所不同，目前一些地方相关部门对于建筑工程运用BIM技术出台了相关规定，但还没有针对水利工程相关规定，本文针对水利工程的构建BIM模型的步骤如下：

（1）根据BIM技术主导方的需要确定模型应用阶段，进而确定建模精度。建筑工程的模型精度等级分为LOD100～LOD500[9]，见表1。水利工程模型精度划分还未有详细界定，可以参照建筑项目BIM模型精度划分。BIM模型精细度越高，包含参数信息越多，花费人力、时间越多，同时，受制于现阶段BIM技术水平，综合考虑水利工程受气候影响大、工期长的特点，研究中模型等级多以LOD300为准。施工图阶段设计信息详细，可根据设计信息完成水利工程设计地形、建筑工程、施工临时工程和关键节点的建模，为设计碰撞、进度管理、技术交底等提供参考。后期的信息化管理也可在该精度基础上进一步完善。

表1　建筑项目各阶段BIM模型精度要求

（2）了解工程概况，搜集各专业完善的CAD图纸，认真阅读设计总说明，了解工程建设具体要求。

（3）进行人员分工，各自做好项目分解。水工建筑物的型式、构造和尺寸，与建筑物所在地的地形、地质、水文等条件密切相关，设计选型独特，各构件不具有通用性。构件在BIM建模过程中称为“族”，通过建模的实验证明，水利工程BIM建模应以族为单位建立各构件，最后将各构件进行拼装形成完整的水工建筑物模型。因此，水利工程建模工作开始之前，首先要对水工建筑物以可划分为族的构件为单位进行项目分解。由于BIM软件本身的限制，在对建筑物进行族的划分时，应尽量分解到最小单元，方便后期施工模拟的进行。

（4）对于模型进行图形管理和信息管理。图形管理主要包括模型配色和线型要求，模型信息管理主要包括模型的几何信息和非几何信息，几何信息包括形状、尺寸、坐标等。非几何信息包括项目参数、设备参数、生产厂家、成本价格、运维信息等。项目各阶段模型应包括的信息如表2所示。

（5）采用BIM软件，结合各专业图纸严格按照设计构建BIM模型，在建模过程中发现的图纸问题，要对图号、轴网等进行详细记录。经相关单位同意后，对原设计错漏问题进行修改的，修改前后模型都应保留。

（6）BIM模型质量审核。BIM模型建成以后，要进行质量审核。审核内容包括：模型是否达到最初设定的建模标准；构件定位是否准确；关键节点是否与图纸一致等。

表2　各阶段BIM模型包含信息要求

2　BIM模型的应用

2.1基于地形BIM模型的土方量计算

水利工程建设中的土方量测量与计算是工程施工各项环节的重要依据，它为施工过程中工程量的预算、施工的设计组织和施工的现场安排提供了重要的参考作用[10]。水利工程一般地形条件复杂，挖填土方量大，土方量计算精度对项目工程量的计算影响重大，利用数字地形模型，既可直观地查看场地的三维效果，也可用于土方计算、纵横断面绘制等设计与计算功能[11]。土方量的计算是求取在一定区域范围内设计标高与自然地面实测标高之间挖、填的土方体积。当前，土方量计算的软件和系统主要有两类：AutoCAD系列和GIS、遥感系列。BIM 技术提供的土方量计算方法建立在与实际地形完全吻合的BIM模型上，首先绘制原始地形曲面模型和设计曲面模型，这两个空间三维曲面会产生交点并连接成线，交线即原始地形曲面与施工设计曲面的交汇线，所包围的空间体积即为需要开挖或者填筑的土方量进而生成体积曲面。基于BIM技术的原始地形曲面和设计地形曲面是动态关联的，在方案选择阶段可在模型基础上快速进行土方的开挖和填筑实验，准确计算土方的开挖和填筑量，从而选出最佳土方开挖方案。

2.2水工建筑物BIM模型的应用

2.2.1基于水工建筑物BIM模型的枢纽布置

水利工程枢纽布置的任务是确定各建筑物在平面和高程上的布置。水利工程的枢纽布置直接影响到施工场地的布局，合理确定枢纽中各组成建筑物之间的相互位置，对于找到最佳的临时设施位置，使现场人员和设备运距最小化[12]，从而节省工程量、方便施工、缩短工期有重要意义。水利枢纽布置是一项复杂的工程，不是一般性确定算法能够解决的，而应该在工程条件的约束下，进行多种方案比选。目前的方案比选都是建立在平面图的基础上，需要水工专家有丰富的实践经验和综合推理能力。在方案比选阶段建立各水工建筑物的 BIM模型，并结合地形的BIM模型形成完整的项目总体沙盘，能使决策人员直观地了解各水工建筑物之间、各水工建筑物与周围地形条件之间的制约关系。同时，基于参数的BIM模型可在空间位置任意移动，能够实现一处更改，处处更改，使每一种决策方都成为一个完整可视的沙盘，据Autodesk公司统计，可视化可提高企业竞争力66%，减少 50%～70%的信息请求，缩短 5%～10%的施工周期，减少20%～25%的各专业协调时间[13]。项目比选阶段的案可视化也能够使项目参建者迅速把握关键项目控制点，确定施工重难点，分析资源配置合理性，为后续的施工组织设计优化调整提供决策支持，能为水利工程的施工组织设计及宏观决策提供有效的分析依据[14]。

2.2.2BIM模型信息的应用

一个建筑信息模型是一个单一的、完整一致的建筑信息数据库，建立完整的项目BIM数据信息，使工程构件参数化，从而实现工程项目管理信息化和技术信息化。

（1）管理信息化。建筑施工过程是一项典型的协同工作，不同专业、不同职责的施工主体之间需要进行信息共享和交流。同样，在水利工程建设与管理过程也中会产生大量信息，项目参建各方各自为政，产生信息孤岛和信息断层问题，导致信息在工程全生命周期各阶段流失严重，信息共享管理水平低，信息的使用与表达不能有效地反馈工程[15]。BIM模型包含的信息可实现工程档案可视化、关联化、高效率化管理，为项目建设过程中的信息交换、共享和集成化管理提供了有效平台。基于BIM技术的信息管理平台如图1所示，按照项目进行的不同阶段，将 BIM信息平台划分为三大子平台：设计管理信息平台、项目实施阶段信息平台和项目验收及运维信息平台。设计管理信息平台包括项目建议书，可行性研究报告、初步设计3个阶段的信息，项目实施信息平台包括施工图设计和施工技术交底阶段的信息；项目验收及运维信息平台提供竣工验收，以及项目运行维护阶段的信息。因此，使用BIM技术建设一个项目的中央存储库，可彻底改变项目整个生命周期的信息管理模式。水利工程投资大，使用年限长，人员流动大，一些隐蔽工程的信息流失严重，基于BIM技术的信息管理平台可保证这些信息的完整性、准确性和可追溯性。同时，基于BIM技术的应急管理包括：预防、警报和准确定位，避免在事故发生后翻看繁多复杂的图纸而延误最佳救援时间。

图1　基于BIM技术的信息管理平台

（2）技术信息化。水利工程施工条件复杂，工程量大，施工难点多，目前，我国水利工程施工技术水平普遍较低。BIM技术作为一种对建筑物物理和功能特性进行数字描述的信息库，BIM模型在工程设计、施工等过程中支持多种应用[16]，对于一个完整使用BIM技术的工程来说，不仅包括虚拟的三维可视化模型，也应该包括可视化的施工任务和施工顺序[17]，这些信息对于施工任务的安排以及施工进度计划的确定将起到至关重要的作用，同时，模型包含的建筑物本身的定量信息会直接链接到相关的成本数据库，对于项目建设前期的投资控制非常有利，精细度级别越高的模型，项目的成本估算越精确。从项目设计阶段到施工阶段的BIM模型包含不同的信息，如表3所示。

表3　各阶段BIM模型信息应用

3　实例

洪都拉斯帕图卡Ⅲ水电站项目是中国水电建设集团公司与洪都拉斯以 EPC方式合作的水电项目，该工程枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、岸边引水发电系统组成。坝基高程237.00m，坝顶高程为 294.00m，坝顶宽 10.00m，最大底宽 61.872m，最大坝高 57.00m，坝顶全长207.93m。大坝由左岸挡水坝段、河床溢流坝段、右岸底孔坝段、右岸坝身取水坝段和右岸挡水坝段组成。由于项目工期紧、建筑物布置不合理等原因，公司希望通过 BIM技术进行枢纽布置的调整及工期优化，同时由于建筑物布置发生变化，对原地形开挖方案随之变化，土方量也要重新计算。

3.1工程总承包方主导的BIM应用模式

由于 BIM的核心价值体现于解决工程项目中多参与方和多专业信息交换与共享的问题，因而需要建立能够协调多参与方的应用模式[18]。该工程采用建设项目工程总承包模式，工程总承包方的工作涉及项目实施全过程，有助于推动BIM技术在项目实施各个阶段的运用，图2给出了基于BIM技术的项目总承包方组织实施模式。

图2　基于BIM技术的项目总承包方组织实施模式

由于该工程为涉外水利工程，工程图纸复杂，且采用国际通用的英语，但是现场施工人员为国内人员，整体素质不高，对于图纸的理解有一定困难，BIM咨询方根据设计图纸建立BIM模型，形成该水电项目的完整沙盘如图3所示，方便现场施工人员按图施工，以及项目总承包方同业主单位的沟通交流。同时，可在工程开工前提出设计优化改进建议，通过模型对图纸进行反馈修改，简化决策过程，为总承包方降低返工成本。

图3　工程枢纽布置沙盘模型

在沙盘的基础上，BIM咨询方基于BIM模型形成了施工现场监控布置方案。在项目施工阶段，工程总承包方应用咨询方提供的 BIM 模型进行施工过程管理和工程项目综合管理，对一些关键节点反馈信息，完善模型，对现场施工进行指导。同时，对施工过程进行模拟，对实际工期与计划工期进行对比分析。在整个过程中保存各个阶段模型的更改，形成一个动态、实体、可追溯的工程项目主体变更档案，实现对项目的全方位管控。

3.2BIM技术的具体应用

3.2.1土方量计算

首先对原图纸详细研究，然后利用本文的方法按照设计对原地形进行处理，生成原始地形曲面与设计曲面，构成填挖土方量的体积曲面，如图 4、图5所示，并在此基础上进行了土方开挖和回填量的计算，结果见表4。

图4　体积曲面

图5　体积曲面剖切图

表4　该工程填、挖土方量概要

从表4可以看出，采用BIM技术计算出来的填、挖土方量与实际结果相差6.755m3，误差为0.125%，其误差精度完全满足工程需要。

3.2.2基于 BIM 技术的非溢流坝段混凝土工程量的提取

水利工程中混凝土工程量以成品实体方计量，初设阶段主要依据CAD图纸分部位、分强度、分级配计算，与实际工程量相差大，本工程通过BIM软件按照参数化族库建设—工程主体 BIM 模型建立—提取工程量的步骤进行工程量统计。在建好的BIM模型基础上，软件能根据模型已包含的参数信息完成工程量的自动统计，极大地提高了工作效率和准确性。同时，在模型建立过程中，一些错漏问题已经进行修改，工程量会关联性自动修改，避免工程量反复计算。但是研究发现，对于以体积为统计单位的工程量非常精准，而以面积、质量为单位的统计信息与国内计量软件存在差异，这是由于国内外在这些方面的计量方式存在差异造成的，该水利工程中的混凝土工程量采用BIM软件进行统计，以非溢流坝段混凝土工程量统计为例，如图6和表5所示。

表5　非溢流坝段混凝土工程量提取明细表

3.2.3工程进度模拟

传统的进度管理是通过 Project，P3，P6等软件来实现，专业性强，涉及的逻辑关系复杂，基于BIM 技术的进度管理软件能同上述常用进度软件对接，把进度计划和施工过程结合，使复杂的进度管理过程转化成可视化的模拟视频，对施工过程进行预演，从预演中发现问题，做出分析与判断，修改完善相关的工作计划。由于该工程需要在汛期前完成碾压混凝土坝的浇筑，因此针对坝体浇筑过程进行了进度模拟，如图7所示。

图7　碾压混凝土坝浇筑过程进度模拟

3.2.4 该工程BIM技术的应用成果

（1）通过建立BIM模型，对图纸进行详细审核，起到了深化设计的作用。同时，由于本工程是涉外工程，业主同该工程单位语言沟通不畅，BIM模型有效提高了双方沟通效率。

（2）BIM模型把复杂难懂的图纸变成了完整的沙盘模型，在此基础上发现上游围堰布置距离大坝太近，相互施工干扰较大，不利于加快施工进度，在BIM模型基础上进行围堰位置快速任意调整，形成合理的枢纽布置。

（3）各专业模型相结合进行碰撞检查，在工程开工前提交相关报告。

（4）在大坝模型建成后，该工程单位相关人员认为闸门启闭装置设计过于简单，需要加固措施。

（5）通过关键节点的施工放样，形成施工交底文件。

（6）施工进度模拟为工程的进度管理提供了依据。

以上问题的解决，精确了工程土方量，减少了项目建设过程中的返工，有利了双方的信息交流，节约了成本资源，体现了BIM模型在水利工程中的应用优势。

4　结语

水利工程建筑物选型独特，技术复杂，设计效率低，且参建各方信息共享水平低，通过引入BIM技术建立水利工程信息模型能有效解决这些问题。同时，基于BIM技术的土方量计算严密科学，方便修改，弥补了水利工程中传统土方算量方法的不足，提高了土方量计算的精度和效率，并在计算土方量的同时生成地形模型，为项目的方案决策奠定了基础。但是，水利工程BIM模型各构件现有族少，因此，构建水利工程BIM模型时，应根据需要建立包含完整参数的构件，丰富水利工程族库，同时提高水利工程中族的重复利用率。

实例研究证明，BIM技术在大型水利工程的方案决策阶段能提供完整、可追溯的沙盘模型，对及时发现枢纽布置不合理，防止返工，缩短工期，节约成本资源具有重要意义。基于模型可生成相应的工程量及进度模拟，方便工程的投资控制和进度管理，同时也能有效提高我国水利工程信息化程度。

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Research on the Application of BIM Technology in Water Conservancy Project

SUN Shao-nan，ZHANG Hui-jun
（School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China，E-mail：1042193002@qq.com）

With complex terrain conditions，unique design and selection，a wide professional characteristics involved，water conservancy project has the problem of complex project layout and inaccurate earthwork calculation. According to the problem of water conservancy project，the paper puts forward method to construct the water conservancy engineering information model，and structures BIM model by drawing water conservancy engineering topographic and hydraulic to have a full realization on the hydraulic engineering simulation information digital search. And the article combines a variety of BIM software to complete water conservancy hub layout and earthwork calculation. In the case of Patuca III hydropower station project in Honduras，this study introduces the point of application of BIM in water conservancy Project，and provides a reference for the management of water conservancy project.

BIM technology；water conservancy project；construction of Information model；earthwork calculation；application of BIM model information

TU17

A

1674-8859（2016）02-103-06 DOI:10.13991/j.cnki.jem.2016.02.020

孙少楠（1974-），男，博士，副教授，研究方向：BIM技术，施工组织与管理；

2016-03-01．

河南省基础与前沿技术研究项目（122300410029）；

河南省教育厅青年骨干教师资助项目（2013GGJS-086）．

张慧君（1990-），女，硕士研究生，研究方向：BIM技术，施工组织与管理。