自2002年BIM (building information modeling, 建筑信息模型) 概念进入中国以来, BIM的发展不仅为建筑领域带来变革, 也为水利工程的设计、施工及运维管理等方面提供了新的方式和工具^[1]。麦格劳-希尔建筑信息公司将BIM定义为创建并利用数字模型对项目进行设计、建造及运营管理的过程。BIM的出现改变了传统的二维图纸设计、施工及运维模式, 变为更加高效的基于三维可视化数字模型的多维设计、施工及运维模式^[2]。

水利工程是我国基础设施的重要组成部分, 目前我国水坝数量达86 000座以上, 其中95%以上是土石坝^[3]。水利工程具有结构体型复杂、工程量大、施工周期长、涉及专业多、参与方多等特点, 而且水利工程设计、施工信息化程度低、建设效率低。BIM为水利工程建设、管理信息化以及建设效率的提高提供了条件, 但BIM在水利工程中的应用还存在诸多问题。对于土石坝项目施工首先要解决土石坝施工模型的构建, 而调研文献中的方法主要有2种:对机械制造软件Inventor进行二次开发, 以实现土石坝施工BIM的构建^[4];模型Rhino等异形体建模软件来构建土石坝施工BIM^[5]。这2种方法存在3个缺点:二次开发及Rhino软件工程技术人员较难掌握, 因此建模难度大、推广难度高;上述方法对模型进行了一定程度的简化, 不能体现BIM“所见即所得”的特征;文献中的BIM未能按照施工方案对模型进行分块、分层处理, 无法可视化模拟土石坝施工。

为解决土石坝施工BIM的建模问题, 建立符合分层、分块要求的施工BIM, 实现土石坝4D模型的构建, 为基于BIM的土石坝施工进度管理提供良好的模型基础。

中国电力建设集团有限公司下属的昆明院、北京院等设计院引进Autodesk公司的BIM产品作为BIM解决方案。将水利工程划分为地质三维系统、枢纽三维系统、测绘专业的数据采集及处理、厂房三维系统、施工三维系统、全生命周期平台。基于Autodesk平台的水利工程解决方案如图1所示, 应用案例包括阿海水电站^[6]、文登水电站等。

中国电力建设集团有限公司下属的华东院、河南院等设计院引进了Bentley公司的BIM产品作为其BIM解决方案。将水利工程模型划分为三维地质系统、三维枢纽系统、三维配筋系统、测绘资料采编及处理、三维工厂系统、工程全生命周期管理平台, 基于Bentley平台的水利工程解决方案如图2所示, 应用案例包括龙开口水电站、锦屏二级水电站等。

综上所述, 我国水利设计院对设计阶段的BIM产品选择并不统一。调研发现, 我国工程技术人员有长期的CAD应用经验及习惯, 因此较容易接受Autodesk公司的BIM产品, 但是该公司的BIM产品更适用于房屋建筑专业, 对水利等基础设施行业的应用难度较大;同时, Bentley及达索公司的产品较容易适用于水利工程等基础建设领域, 但需要工程技术人员重新学习。

土石坝4D模型由地形、坝体、进度等不同模型组成, 需要采用不同的BIM软件构建各专业模型, 而不同专业的BIM文件格式也不同^[7,8]。鉴于调研文献中土石坝施工4D模型构建方法的不合理, 通过调研、走访, 提出采用Autodesk平台产品的方法构建土石坝施工4D模型。

土石坝模型是工程所在区域一定范围内地形、地貌等特征的三维数字化表达。建立土石坝地形模型, 首先利用BIM软件Civil 3D处理测绘人员实测的工程所在区域地形数据, 建立三维地形曲面模型;其次, 通过谷歌地球等软件获取工程所在区域的实景影像图片;最后, 将地形曲面模型叠加该实景影像图片, 获得工程所在区域的实景三维地形模型。地形模型建模流程如图3所示。

以土石坝工程中的大坝填筑过程为研究对象, 坝体施工BIM须反映实际的施工过程、施工进度等内容, 所以要按施工方案、填筑材料将土石坝坝体模型划分填筑分块和分层。坝体模型包含土石坝坝体的空间位置、形状尺寸、材料属性等信息。坝体模型分块如表1所示。

土石坝坝体模型采用Autodesk Civil 3D创建地形, 并提取地形的三维实体模型, 同时按照分区、分层的形状和尺寸用其部件装配器创建部件, 采用“道路”功能创建道路模型, 提取符合分块上曲面形状的实体模型, 在Autodesk CAD“布尔运算”功能中用下部地形实体剪切道路实体模型, 即可得到该施工分块 (层) 部分的实体模型, 再将其导入Autodesk Revit中将其整合为土石坝坝体模型。土石坝坝体施工BIM建模流程如图4所示。

该建模流程在应用中须重视地形曲面模型的创建及Civil 3D坝体部件装配的制作, 两者的正确与否决定坝体模型的精度。其中地形模型的精度决定基坑开挖工程量、坝体工程量的计算精度;坝体装配的制作精度决定坝体工程量的计算精度, 并影响施工资源的配置和施工方案的选择。

以流程图创建的某沥青混凝土心墙土石坝坝体模型有以下特点: (1) 按土石坝施工方案、填筑材料的分层、分块划分模型, 可实现土石坝施工的可视化模拟; (2) 模型底部采用“布尔运算”与地形模型剪切而成, 能真实反映土石坝基坑实际情况, 如图5所示。

传统的土石坝项目施工进度管理是由工程管理人员基于横道图, 依据施工方案及经验进行计划的编制、跟踪和对比分析。相比于传统的土石坝施工进度计划, 基于BIM的施工进度管理是引入“3D模型+时间”的4D管理理念, 让工程技术人员、管理人员更加直观、形象地了解和掌握工程进度, 实施进度管理。通常土石坝的进度计划依据施工现场布置、坝体材料分区、坝体填筑方案、各工序逻辑关系、施工机械配置等情况, 采用P6或者Project软件编制完成。

创建土石坝施工BIM, 首先要依据设计图纸和施工方案划分WBS (工作任务分解) , 编制土石坝施工进度计划, 然后整合土石坝项目的施工进度计划与坝体3D模型, 即可得到土石坝的施工4D模型。基于BIM的土石坝施工4D模型构建流程如图6所示。

基于图6所示流程, 可建立适用于土石坝施工可视化模拟的4D模型, 基于Autodesk平台的土石坝施工BIM构建流程如图7所示。

按照如图7所示土石坝施工BIM构建流程, 可以顺利实现适用于土石坝施工进度管理的施工BIM构建。结合土石坝施工模型的建模流程, 提出基于BIM的施工进度管理框架, 如图8所示。该架构是一个包括数据源、结构层、数据层、模型层、平台层、应用层、项目层的机构体系^[2,9]。

1) 数据源土石坝施工进度管理中, 首先利用BIM及其他软件创建数据源信息, 包括支持和不支持IFC软件产生的IFC数据文件。

2) 接口层利用数据接口和数据转换工具, 将IFC数据文件和其他格式数据文件转换为可识别和存储的有效信息。

3) 数据层包含基于BIM进度管理的各种信息, 为上层结构提供基础数据源, 并能方便地进行数据编辑、使用和存储。土石坝施工进度管理数据可分为结构化数据、非结构化数据和过程与组织信息, 这些数据按照类型存储于相应数据库。

4) 模型层是基于IFC标准建立的土石坝项目对应的三维地形模型、土石坝坝体模型、施工进度计划及临时设施模型, 是整个系统的核心, 可随着数据层中信息的改变而变化。

5) 平台层是土石坝施工进度管理信息的集成与共享平台, 可读取、修改、使用及验证模型层中的各模型。平台层集成和处理模型层中的相关数据, 才能实现应用层的使用要求, 平台层是连接模型层和应用层的桥梁, 是实现应用层应用功能的必需环节。

6) 应用层是基于BIM土石坝施工进度管理系统中的功能实现层, 能够处理土石坝施工进度模型信息, 并满足土石坝施工进度管理的功能需求, 包括土石坝施工模型修改、施工进度计划优化、施工碰撞检查、施工方案制订等。

7) 组织层是应用层的升级, 是组织领导者及管理者依据应用层中土石坝施工进度管理情况, 制订的组织整体施工方案、资源配置方案及宏观管理措施, 以实现土石坝项目的精益建造。组织层可以看作项目组织层, 也可以看作企业组织层。

传统的土石坝项目施工进度管理存在的问题, 本质上是由于工程项目施工进度管理主体信息获取不足和处理效率低下所导致。据Autodesk公司调查, 利用BIM技术可以缩短50%~70%的信息请求时间, 缩短20%~25%的各专业协调时间, 缩短5%~10%的施工工期^[10,11]。因此, BIM在土石坝施工进度管理中的应用价值可概括为以下几点。

1) 基于BIM, 项目管理人员可以在三维视图中布置施工现场, 并能快速、直观地发现空间、时间上存在的问题和冲突, 及时纠正, 从而提高施工管理效率。

2) BIM为项目的进度管理提供信息集成平台。项目管理人员通过BIM创建、查询、添加、修改项目进度信息, 减少沟通障碍和信息丢失, 减少各参与方之间的沟通和协调时间, 从而提高进度管理效率。

3) 提供工程量信息的实时查询, 根据施工进度计划, 精确统计待施工工程量, 储备和订购施工资源, 可避免材料储备过剩, 增加储藏成本。

4) 基于土石坝施工BIM进行土石坝施工过程的可视化模拟, 分析比选最优施工方案, 实现土石坝施工过程的动态管理。

BIM技术在水利工程施工阶段的应用刚刚起步, 建立土石坝的施工BIM, 可以精细化控制土石坝项目的施工进度, 基于BIM的土石坝施工管理是提高土石坝建设信息化程度的重要手段。通过调研当前国内水利工程中应用的BIM软件, 分析各软件及已有土石坝BIM构建方法的优势与不足, 结合土石坝施工分块、分层特点, 提出调研中更为简捷、精确且更易为工程技术人员所掌握的土石坝施工BIM构建流程, 从而建立基于BIM的土石坝施工进度管理框架。