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探讨BIM技术在水利水电工程建设中的应用

2018-12-18 来源:《水利建设与管理》作者:民乐县金水水利水电工程勘测设计院 李文春 点击:
      【摘要】近年来,BIM技术快速发展,但在水利水电工程建设中的应用相对不足。本文针对水利水电工程特点和BIM技术的优势,分析当前BIM技术在水利水电工程建设应用中存在的问题,提出应用的思路和主要方面,并结合翟寨子水厂工程,探讨BIM技术在工程设计方面的价值。 
      【关键词】BIM技术;水利水电;工程建设;应用
      1BIM在建筑业的发展
      随着计算机技术的不断进步和应用探索的推进,计算机建筑信息模型(BuildingInformationModeling,简称BIM)技术在建筑业中的应用得到快速发展,无论设计、施工、管理还是其他相关部门都对BIM技术的应用产生极大兴趣。近年来,BIM技术在建筑领域的应用越来越广泛,应用范围从最初的设计工作,延伸到各类工程施工管理当中。而水利工程因受各种因素的制约,BIM技术在该领域的应用较少,可借鉴的成功案例较少,推广应用缓慢。
      2水利水电工程特点
      a.水利水电工程主要建设在河流上,受地形、地质、水文、气象等自然条件的影响较大。
      b.每一个水利水电工程都具有独特性,其重复率低,无标准构件和标准图集,施工环境和施工条件复杂多变。
      c.水利水电工程施工的工程量大,技术工种多,施工强度高,环境干扰严重,需要反复比较论证和优化施工方案,保证施工质量。 
      d.水利水电工程施工过程中,石方爆破、隧洞开挖、水上水下和高空作业多,必须十分重视施工安全。
      3BIM技术在水利工程建设中的特殊性应用
      由于水利水电工程相对于其他类别工程具有特殊性,从而导致BIM技术的应用也具有特殊性。主要体现在以下几个方面:
      a.深化设计。就是在传统的二维图纸基础上进行BIM建模,并找出图纸中存在的错、漏、碰、缺等设计问题。这主要是因为传统的二维设计存在先天不足,本来建筑是以三维空间为主体的,但是传统的设计交付都是以二维图形作为设计成果交付,在二维设计过程中,很难保证多专业之间的协调,施工过程中又以二维图纸为蓝图进行施工,必然存在信息上的不一致。
       b.碰撞检测。目前的二维设计或多或少都存在着专业间的碰撞问题,尤其是在水厂、泵站、水电站等项目中,各种管路、线路等交错复杂,供水管网、供电线路、信息系统等相互要协调配合、交错布置,施工中出现碰撞十分常见。相反,BIM借助直观的三维模型,能够检测出图纸中的碰撞,减少设计中的错漏碰缺,从而提高设计质量,这一直观的成果使得越来越多的项目都要求通过BIM来做碰撞检测。
      在一些水利工程项目中,由于空间布局复杂、系统繁多,对设备管线的布置要求高,设备管线之间或管线与结构构件之间容易发生碰撞,给施工造成困难,无法满足设计要求,经常在施工过程中再进行二次变更,造成成本增加、施工计划改变等。BIM技术可将建筑、结构、机电、通信等专业模型整合,再根据各专业要求及设计尺寸要求将综合模型导入相关软件进行碰撞检查,根据碰撞报告结果对管线进行调整、避让,对设备和管线进行综合布置,从而在工程施工开始前发现并解决问题。
      c.多专业协调。各专业分包之间的组织协调是建筑工程施工顺利实施的关键,是加快施工进度的保障,其重要性毋庸置疑。目前,暖通、给排水、消防、通风、强弱电等各专业由于受施工现场、专业协调、技术差异等因素的影响,缺乏协调配合,不可避免地存在很多局部的、隐性的、难以预见的问题,容易造成各专业在建筑某些平面、立面位置上产生交叉、重叠、空间不足等问题,无法按施工图作业。通过BIM技术的可视化、参数化、智能化特性,进行多专业碰撞检查、结构尺寸控制检查和精确预留预埋,或利用基于BIM技术的4D施工管理,对施工过程进行预模拟,根据问题进行各专业的事先协调等措施,减少因技术错误和沟通错误带来的协调问题,减少返工量,节约施工成本。
      4BIM在水利水电工程中的应用分析
      4.1应用优势
      BIM三维施工模拟技术,是通过对整个建设项目信息的采集,并对所采集到的信息进行相应的数字化处理后建立建筑信息模型并加以利用。建筑信息模型是一种数字化的设计、施工和管理方法,该系统不仅支持内部集成管理环境,还可以提高整个施工过程的效率,降低施工过程中的风险。
      在水利工程设计、施工过程中,结合BIM技术优势,利用可视化图纸,帮助技术人员更快、更好地解读工程信息,并在此基础上进行优化设计,及时处理存在的问题。
 利用BIM技术可进行数字建造,利用先进的计算、仿真、可视化、信息管理等技术,建立虚拟的工程主体及施工结构的数字模型,利用模型进行直观的“预施工”,尽可能地降低施工中的不确定性和不可预见性,保证施工技术措施的可行性、安全性和合理性。
      4.2应用思路
      将BIM应用于水利工程建设,可从以下几方面进行推广: 
      4.2.1建立模型、深化设计与施工方案模拟设计单位在设计过程建立项目的BIM模型,在工程施工前,施工方在设计方提供的BIM模型基础上进行详细的现场查勘,根据工程区及周边地形、环境、施工条件等内容,尽可能地完善BIM模型,进一步优化工程设计,以利于指导工程施工。制订施工方案时采用BIM技术虚拟施工过程,先试后建可以较大程度地降低返工成本和管理成本,降低风险,增强管理者对施工过程的控制能力。
      4.2.2加强施工质量管理
      在水利水电工程建设中,影响工程质量的因素主要有“人、机、料、法、环”等五个方面,而BIM模型作为一个直观、有效的载体,从整体到局部的质量情况都能够以特定的方式呈现在模型上,据此可以实现全方位的施工管理。引入BIM项目管理平台,可以将施工过程中的人员管理信息集成到BIM模型中,并通过模型的信息化集成分配任务,保证施工秩序和效率;通过BIM项目管理平台,可以完成机械在各个施工阶段需要进行的进场验收、安装调试、使用维护乃至设备磨损、保养、维修等方面的管理,并可以明确主管领导在施工机具管理中的具体责任,规定各管理层及项目经理部在施工机具管理中的管理职责及方法,从而实现施工机械有效合理的使用;基于BIM项目管理平台的施工材料管理可以实现与物联网技术结合的物料跟踪、与工程量统计功能结合的算量统计和与标准化构件加工结合的数字化加工技术等功能,以此实现材料管理的全过程信息记录,并与工程数字模型结合,形成一套完整的、可追溯的信息体系;基于BIM的施工工法管理可以将空间信息与时间信息整合在一个可视的4D模型中,模拟施工过程和先后顺序,直观、精确地反映整个项目的施工过程,从而验证已定施工方案的准确性。
      4.2.3施工进度管理
      水利水电工程施工进度管理具有点多面广、结构复杂、涉及资源多等特点,采用BIM进行水利水电工程施工进度管理,可以通过三维动画直观表达进度计划和施工过程,直观了解工程项目进展情况。形象直观、动态模拟施工阶段过程和重要环节施工工艺,实时跟踪工程项目的实际进度,形成可视化工程进度安排,从而实现按指定时间段直观地显示工程进度计划,方便管理人员进行方案比选和优化,同时利于与实际进度进行对比,及时进行进度分析和纠偏处理。
      4.2.4成本管理
      资源及成本管理是BIM比较成熟的应用领域。是将进度信息和成本信息与三维模型进行关联整合,通过该模型,计算、模拟和优化对应于项目各施工阶段的劳务、材料、设备等的需用量,从而建立劳动力计划、材料需求计划和机械使用计划等,在此基础上形成项目成本计划,其中材料需求计划的准确性、及时性对于实现精细化成本管理和控制至关重要,可通过模型自动提取材料需求计划,并以此为依据指导采购,避免材料资源堆积和超支。 
      在施工过程中,根据工程的形象进度,利用模型自动计算完成的工程量,及时将劳务用工量、材料消耗、机械结算在施工过程中周期性地对实际支出进行统计,将实际成本及时统计和归集,与预算成本、合同收入进行对比分析,获得项目超支和盈亏情况,对于超支的成本找出原因,采取针对性的成本控制措施将成本控制在计划成本内,有效实现成本动态分析控制。BIM成本管理在水利水电工程建设中,由于受限于其结构复杂多变,在该领域中的应用难度较大,但随着BIM技术的成熟,因其工程量计算简单、成本控制更易于落实、易实现有效管控等特点势必会得到更快的发展。 
      4.2.5施工安全管理
      传统的安全管理、危险源的判断和防护设施的布置都需要依靠管理人员的经验来进行,BIM具有信息完备性和可视化的特点,在施工安全管理方面,可以发挥其独特的作用,利用BIM建立三维数字模型,可以比较直观地从场容场貌、安全防护、安全措施、脚手架、机械设备等方面建立文明管理方案指导安全文明施工。 
      BIM的可视化空间是随着工程进展动态变化的,通过模拟工人的施工状况,可以形象地看到工作面状况,预先评估工作空间的可靠性和安全性。利用BIM的可视化和与实际现场相似度高的特点,在安全培训时,用数字模型给管理人员进行仿真模拟,让工人更直观和准确地了解到现场的状况,从而制定出相应的安全工作策略。
      4.2.6信息模型数字化集成交付 
      水利水电工程结构复杂,即使在工程完成交付使用后也要进行大量的监测和维护工作。传统竣工档案交付的纸质档案浩大繁锁且离散,运行维护阶段查阅困难且易于以偏概全。而采用BIM技术形成的竣工档案具有可视化、结构化、智能化、集成化的特点,同时交付实物和数字工程两个产品,可为工程运行维护乃至改造报废提供支持。
      4.3应用存在的问题
      BIM技术在国际上已相对成熟,但在国内发展却方兴未艾,其主要局限于规划、设计方面,施工方面常见于建筑工程、钢结构、机电安装等领域,水利水电工程施工方面除因自身特点因素限制其发展外,尚存在以下问题影响了BIM的应用: 
      a.目前水利水电工程设计单位在BIM应用上也刚刚起步,上游BIM产品少,施工单位模型需要从底层做起,工作量大。
      b.目前主流的BIM软件主要面对建筑、安装等工程类型,对水利水电工程适配度不高,在该领域应用需要多种软件协作。
      c.目前BIM的应用在操作层面上已基本成熟,但涉及工程管理的综合功能尚有所欠缺,协同管理需要开发项目管理平台才能全面执行BIM管理模式,这就需要项目管理单位在项目全生命周期推动该技术的应用和相应管理模式的变革,只有这样,才能真正发挥BIM的作用。
      5工程实例
      民乐县农村饮水安全翟寨子水厂工程:设计新建净化车间1座建筑面积1366m2、絮凝池2座、沉淀池2座、D型滤池2座、1000m3清水池2座,安装信息化管理系统1套、消毒设施1套,配备8项水质监测设备,水厂建成后可解决3.6万人的饮水安全问题。在工程设计过程中,使用BIM系统进行建筑、结构、供水、设备、电器等相关专业的设计,效果较好。
      a.实现了可视化、信息化设计。将传统的二维设计图纸转化为三维信息模型,实现“所见即所得”,可直观看到详细的实体模型,把抽象的设计图纸变的更直观。 
      b.实现了多专业协同设计。设计团队全体成员共享一个BIM模型数据源,各专业间形成了共享统一模型的协同工作机制,有效地避免了专业间信息沟通不足的问题,在设计过程存中在漏洞、错误、缺陷等及时修改,实时更新,共同分享。
      c.自动生成材料明细表。待建模和优化设计完成后,利用Revit等软件的明细表功能自动生成材料、设备等各种明细,简化计算。 
      d.辅助生成二维施工图纸。利用Revit等软件在完成后的模型上直接生成工程施工所需要的平面图、剖面图、设备管路布置图等,方便快捷,不易出错。 
      e.可实现三维动态查看。可以从不同的角度、位置查看所设计产品,及时发现不易察觉的设计缺陷和问题,对事先考虑不周的环节将进行修改完善。
      6结语
      BIM三维建筑信息模型是建筑工程设计行业发展中非常重要的一项技术。目前,BIM以其信息完备性、可视化、协调性、模拟性和优化性等特点被应用于工程建设各领域及全部生命周期,并产生了巨大的经济效益,水利行业也逐渐开始采用BIM技术。BIM的应用必然是未来工程建设与管理发展的方向,而且会逐步代替传统二维技术,为工程设计、施工和管理提供必要的指导,提高设计的合理性、准确性,降低施工成本,提高工作效率和质量。
      新技术在推广和应用时都有一个认知、推广、学习、应用、熟悉、普及的过程。水利水电工程建设、管理中引进BIM技术存在需要解决和克服的问题,但是也同样具有其自身的优势,且从工程管理各方面均可突破形成体系,这将对水利水电工程信息化和智能化水平的提升产生巨大的推动作用。
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