航道整治工程全过程 BIM 技术应用研究

摘要：该项目利用专业软件和工具，将航道项目规划、设计、施工、运营维护等各阶段的数据信息，通过BIM模型进行共享、传递和交换，使设计阶段的设计方案优化，对施工阶段的施工方案进行模拟、可视化交底、施工管控，以及运营维护阶段的竣工模型交付、资产和空间管理等，从而实现参建各方协同工作。此项技术的实施促进了航道水运行业技术升级，帮助航道水运行业适应信息化发展需求，推动航道整治工程建设向精细化发展过渡，提高了项目建设运行的总体工作效率。目前，该技术已在长江航道整治工程中进行了应用。1.技术概况BIM技术是信息模型在工程建设行业中的具体应用，建立并利用三维信息模型对工程项目的规划、设计、建造和运营全过程进行高效管理。它将显著提高建设效率，降低工程风险，提升工程进度、费用、质量、安全管理水平。在政府部门、行业协会、科研机构和工程企业的努力下，BIM技术在建筑、市政、水运、铁路等行业得到了快速发展。2016年交通运输部将BIM技术在交通建设行业的应用规划为“十三五”期间十大重大技术方向和技术政策之首，开展BIM技术在长江航道整治工程应用工作具有重大意义。2016年3月，长江航道局开展了“BIM（建筑信息模型）技术在航道工程中的应用研究”的课题研究，初步明确BIM技术应用软件的选择、BIM技术在航道整治工程全过程（设计、施工、运维阶段）应用等内容。与此同时，长江航道局在后期项目中进行了实践，通过在安庆二期、黑沙洲、蕲春、宜昌昌门溪等项目上的应用，逐步明确航道整治项目BIM技术应用内容和方法。2.技术原理和内容建筑信息模型（BIM）通过参数化实体造型技术使计算机可以表达真实建筑所具有的信息，信息化的建筑设计得以真正实现，突破了千百年来用抽象的视觉符号来表达设计的固有模式。概括来讲，BIM是将规划、设计、施工、运营等各阶段的数据，全部逐渐积累于一个数据结构，其中既包含着三维模型的信息也储存着具体构件的参数数据。信息模型的概念和运用已经不仅仅局限于建筑行业，道路桥梁、水利航道等行业也越来越多地使用BIM技术。BIM的数据由相关软件程序产生，用以共享和交换项目的信息并协助建设项目过程中的整合操作。基于数字化设计信息的创建，与相关技术产品接口，可以改变建设工程信息的管理过程和共享过程，从而实现BIM。在前期设计阶段，BIM便开始建立一个贯穿始终的数据库档案。随着项目发展，BIM的数据信息跟随方案不断积累与更新，设计的方案随着计划的调整而改变。这就使得项目的前期设计工作在有限的时间得到更多的预选方案。BIM的前期数据进入到概念设计阶段，将开始逐步扩充起来。有了BIM数据基础，在做设计的同时，通过模型本身或者后期添加的数据，例如材料类型等，设计师就可以便捷地计算出方案的绿色指标、经济指标、概预算等数值，反过来对方案的设计进行改良。之后，这些数据将继续在扩初设计中得以细致化、完善化。基于BIM的扩初设计，通过BIM模型可以完成出图，使用提取工具完成文案和明细表的编制，呈交一套完整的产品设计。BIM的数据传承到施工阶段，承建公司用来做工程量化、进度编制、工程造价等动工前的准备，用以安排采购、下包、后勤等工作任务。施工阶段中的BIM数据库也跟随着工作安排的开展而得以补充。如设计变更信息、实际采购信息、设备租赁信息、人力资源信息等都可以更新到BIM模型数据库中。最终完成的工程项目实体与BIM模型的数据是完全对应的，每项物质零件都有其准确的电子数据信息存档备案。BIM信息传递的最终阶段是投入运营使用的阶段。理论上，一套完整的建设数据可以协助进行运营维护。如三维的图形信息，结合信息技术和相应设备，对项目整体结构进行实时监测。3.实施方案3.1设计阶段（1）三维可视化设计建立项目标准横断面装配库，进行三维可视化设计，为出图算量提供基础模型，同时直观准确表达设计方案，消除传统平面设计盲点。（2）仿真模拟基于BIM模型，结合数值计算软件进行数值仿真分析，优化结构设计方案。（3）出图算量基于设计BIM模型快速提取横断面图纸和模型工程量，同时模型与图纸和工程量是动态关联的，一旦模型发生调整，图纸和工程量也随之修改，设计效率得到显著提高。3.2施工阶段（1）深化设计对设计BIM模型进行深化，通过增加或细化模型元素，形成深化设计模型。对深化设计模型按照工作分解结构（WBS）和施工方法进行必要的切分或合并处理，进而指导施工。（2）虚拟建造基于建立的BIM三维模型及搭建的各种临时设施，可以对施工场地进行布置，合理安排施工区和生活区等的位置，解决现场施工场地划分问题；通过与业主的可视化沟通协调，对施工场地进行优化，选择最优施工路线。利用BIM模型可以直观地对复杂工序进行模拟，提前模拟方案编制后的现场施工状态，对现场可能存在的危险源、安全隐患、消防隐患等提前排查，对专项方案的施工工序进行合理排布，有利于方案的专项性、合理性。对于工程施工的关键部位，其施工过程相对复杂，因此规范的施工工艺非常重要。正确的施工方法能够省时省费，传统方法只有工程实施时才能得到验证，这就可能造成二次返工等问题。同时，传统方法是施工人员在完全领会设计意图之后，再传达给建筑工人，相对专业性的术语及步骤对于工人来说难以完全领会。基于BIM技术，能够提前对重要部位的安装进行动态展示，提供施工方案讨论和技术交流的虚拟现实信息。（3）建立多层次全过程建设管理平台建立BIM建设管理平台，开展基于BIM技术的建设、施工、设计、监理多方参与协同工作，进度、质量、安全、费用全过程管理。充分利用BIM的直观性、可分析性、可共享性及可管理性等特性，为建设管理的各项业务提供准确及时的基础数据与技术分析手段，同时与建设管理的流程、统计分析等管理手段配合，实现数据产生、数据使用、流程审批、动态统计、决策分析的完整管理闭环，提升项目综合管理能力和管理效率的过程。3.3运营阶段（1）竣工模型交付通过BIM与施工过程记录信息的关联，甚至能够实现包括隐蔽工程资料在内的竣工信息集成。未来将三维信息化模型关联至电子航道图，与GIS平台及北斗导航结合，构建三维长江信息化航道，进一步提高运维管理水平。（2）维护计划BIM模型结合运营维护管理系统可以充分发挥空间定位和数据记录的优势，合理制定维护计划，分配专人专项维护工作，以降低航道构筑物在使用过程中出现突发状况的概率。对一些重要监测点还可以跟踪维护工作的历史记录，以便对设备的适用状态提前作出判断。4.技术创新点（1）可视化通过所见所得的形式，将大量的工程信息用三维形体直观体现，图纸表达不清楚或图纸难以描述的信息用三维立体实物形象地展示，更容易理解设计意图。可视化的结果不仅可以用于效果图展示及报表生成，更重要的是项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。（2）可协调性传统设计过程需要专业人员提交中间资料进行沟通，并且经常进行多次的反复协调变更，期间不可避免地会出现沟通不及时、沟通不到位的情况。利用BIM技术较好地解决了不同专业人员之间的协同设计问题。在同一设计平台下，通过共享机制，相关人员能够在本地查看到模型的变化，从而对做出及时准确的判断和修改，各阶段不同专业设计团队紧密地同步设计成果，避免沟通不及时、沟通不到位造成的失误和返工，工程设计质量可得到质的飞跃。（3）可模拟性对于建筑物来讲，设计阶段BIM可以进行节能模拟、紧急疏散模拟、日照分析、热能传导模拟、结构分析等；招投标和施工阶段可以进行施工方案模拟、BIM4D模拟、BIM5D模拟，实现施工过程安全、进度、材料、费用的控制；运营阶段可以模拟应急处理，例如地震人员逃生模拟、消防人员疏散模拟等。（4）可优化性整个设计、施工、运营的过程就是一个不断优化的过程。整个模型是可参数化动态关联的信息模型，通过模型传递信息给工程参与人员，通过客观的判别条件进行参数优化，实现模型的动态更新以达到优化目的。项目方案优化：把项目设计模型和投资回报分析结合起来，设计变化对投资回报的影响可以实时计算出来；业主单位能够提前通过三维模型感知自己投资项目的后期效果，为风险的规避提供决策支撑。工程设计优化：局部复杂的位置关系以及局部与整体之间、工程与环境之间的协调优化，设计中错、漏、碰等检查和优化。（5）可出图性采用BIM技术设计时，图纸的生成可通过对三维模型进行投影变换、切割、消隐得到，可快速建立工程设计需要的图纸和明细表等。模型与图纸的双向关联，一处修改处处更新，方便后期的修改和变更。将设计人员从繁杂的绘图工作中解放出来，使设计人员有更多的精力和时间去关注设计方案的完善和优化。（6）全生命周期应用基于BIM技术可进行工程项目设计、施工、运营等全生命周期的应用管理。BIM的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据资源，不仅包含建筑的设计信息，而且可以容纳从设计到建成使用，直至生命周期终结的全过程信息。（7）参数化通过参数化建模功能，简单地改变模型参数值就能快速更新模型。BIM模型的图元是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。（8）信息完备性信息完备性体现在BIM技术可对工程对象进行3D几何信息和拓扑关系的描述，以及完整的工程信息描述，符合信息化交付和融合的社会发展需求。5.技术应用关键点（1）全过程应用全过程应用BIM技术，在技术、进度、成本、质量、安全、现场管理、协同管理，甚至交付和运营方面，都可以有很多BIM应用点，而不仅局限于某一条线某一两个应用点，导致投入产出不够。多一次应用，就增加一次投入产出。这需要好的BIM技术系统，专业化、本地化强。（2）集成化应用航道项目是一个综合性的多专业系统工程，BIM的应用也需要实现多专业的集成化应用，实现更为精准的技术方案模拟、成本控制和进度控制。单专业的应用在电脑中理论上可行，在实际施工运用中综合多专业多因素后，很可能无法实现，也就失去了意义。（3）协同级应用基于BIM平台的互联网协同应用，经授权的项目参建人员都能随时随地、准确完整地获得基于BIM的工程协同管理平台的数据和技术支撑。项目参建方的所有人员可以基于同一套模型、同一套数据进行协同，有效提高协同效率；同时数据能被项目和企业掌握，数据授权能实现分级控制。（4）企业级BIM数据库建立企业的BIM数据库平台，大量项目数据在企业数据中心被集中管理。企业级的BIM数据库可以为所有业务和管理部门提供强大的数据支撑、技术支撑和协同管理支撑。在建造过程、运营过程，到全生命周期的客户服务提供工程基础数据库，提供管理支持。不管是设计阶段还是施工、运营阶段，BIM技术在建筑行业、基础设施行业已得到充分运用，可靠性得到充分验证。通过在黑沙洲、安庆二期、蕲春和昌门溪等项目上的应用实践，借助于专业BIM软件和BIM管控平台，与专业知识和施工运营经验结合，设计阶段方案合理性和设计效率均有所提升，施工阶段施工组织设计合理性、施工作业人员素质和项目管理水平一定程度上得到提高，运营阶段维护效率较高，航道行业BIM技术应用切实可靠。6.安全可靠性（1）数据信息安全航道整治项目BIM模型数据包含了地理位置信息、地形数据信息和设计方案信息。一般来说，项目的BIM实施团队都会有专门的信息管理人员对项目模型信息进行管理。参与项目的各方都会有相应的权限来进入模型和数据库，防止了关键信息的泄露。随着项目的实施，更新信息也会由信息管理人员根据项目的进度而不断更新，保证项目信息的及时可靠。（2）施工安全在施工阶段，通过BIM技术和其他手段相结合的方式，可以更好地对现场施工人员进行安全教育和人员管控，可有效提高施工作业人员的安全意识和应急处理能力，从源头上杜绝施工事故的发生，降低施工安全风险。例如，制作特殊施工过程的视频模拟，对工人进行安全培训，提醒施工过程中的注意事项，让工人在操作前了解整体工序，避免因不熟悉而造成安全事故。（3）运营安全在项目的运营阶段，通过BIM结合信息化技术，实现对重点部位关键结构的实时监测。例如利用各类监控传感器，将监测数据回馈到基于BIM模型的运营管理平台，附着到相应模型构件或者地形位置。维护人员通过对平台的管控，实现对整个项目运营的安全保障。7.技术应用情况7.1技术适用领域随着BIM技术的蓬勃发展，从最初的建筑行业BIM资源一家独大，到现在各行业BIM技术百花齐放。水运行业从设计到施工及后期的运营，基本上实行一种传统粗放的管理模式，缺乏一种先进有效的管理工具。积极推进BIM技术在水运行业中的应用，深化BIM技术在协同设计、方案比选、施工组织、质量闭环追溯等方面的应用；搭建质量安全信息平台、危险源台账和质量通病数据库，实施全寿命周期下工程项目大数据建设工程；研究开展大数据的分析、利用，深挖数据价值，实现信息共享、科学管理和智慧决策，提升质量安全动态监管、风险预警和突发事件应对管控水平，推动质量安全管理现代化是水运行业当前面临的迫切任务。BIM在公路水运基础建设项目中应用日渐增多，在长江航道整治工程建设处于起步阶段。“长江南京以下12.5m深水航道二期工程”中不同阶段的设计工作和项目管理中通过应用BIM技术，完成了设计任务和工程项目管理工作。长江上游铜鼓滩-宜宾大桥河段航道整治工程前期工作中，四川省交通勘察设计研究院自主研发的BIM设计平台，实现了模型创建、智能三维航线可视化设计、整治建筑物设计、工程量统计和出图等，大幅提高了航道整治工程的设计效率和品质。“十三五”长江航道整治重点建设项目从前期工作开始大力推广应用BIM技术，例如“长江中游新洲至九江河段航道整治二期工程”“长江下游芜裕河段航道整治工程”“长江干线武汉至安庆段6.0m水深航道整治工程”在可行性研究、初步设计、施工图设计阶段和项目管理中均采用了BIM技术，高效地完成了任务，开启了BIM应用的新阶段。7.2当前的应用情况在中国多个基础设施领域中，水电行业已开始广泛应用BIM。专家表示，约10%的新建和待建水电项目涉及大量BIM应用。在铁路和城市规划领域，仅有2%至3%的新项目应用BIM。最少应用BIM的是道路和高速公路领域，只有不到1%的新项目进行了运用。中国的绝大多数基础设施项目尚未广泛应用BIM。BIM在这些项目中的一大应用挑战是，多数高管高度重视项目信息的保密性。因此，他们认为在模型中集中管理项目数据的做法带来了信息安全风险，而这一问题尚待解决。从建设喜马拉雅山脉大型水坝到批建连接中亚和新疆的道路、桥梁和铁路，中国施工企业在众多项目中面临大量后勤方面的挑战。在这一方面，基于云技术的BIM具有大量优势，可进一步推动其应用。航道治理项目和其他大部分的基建项目类似，BIM技术的运用整体较晚，但是各相关单位已经开始对这一技术进行探索和运用工作。二航院通过多年的实践和探索开发，已经建立了比较完善的BIM技术体系，培养了水运工程行业的BIM技术服务能力，并在近年开展了较多项目的BIM应用实践，其探索的BIM技术应用进程已经深入施工建造阶段和运营管控阶段。8.技术效益分析8.1节能低碳效益近年来，我国政府积极推广建筑信息模型技术（BuildingInformationModel，BIM），该模型本身作为参数化建模的信息载体，包含大量设计相关信息，以及支持施工过程信息的加载，对施工过程节材控制和统计，施工工艺过程能源消耗和碳排放计量具有强大的数据支撑作用。BIM技术在各类项目节能减排中的应用，能够实现项目全寿命周期的节能和质量管理，推动了节能减排的进一步发展。无论是房建项目还是水利航道等基建项目，BIM技术在节能低碳中的应用优势是显著的。从项目的前期规划、方案设计，到项目施工、最后运营维护等各阶段，BIM技术都有着巨大的潜力来实现项目节能环保的目标。（1）前期规划阶段在规划阶段，场地的地貌、植被、气候条件都是影响设计决策的重要因素。往往需要通过场地分析对景观规划、环境现状、施工配套及建成后通航流量等各种影响因素进行评价及分析。传统的场地分析存在诸如定量分析不足、主观因素过重、无法处理大量数据信息等弊端。通过BIM结合地理信息系统(GeographicInformationSystem，简称GIS)，对场地及拟建的建筑物空间数据进行建模。通过BIM及GIS软件的强大功能，迅速得出令人信服的分析结果，帮助项目在规划阶段评估场地的使用条件和特点。从而做出新建项目最理想的场地规划、交通流线组织关系。BIM的性能分析与传统规划方案的设计、评审结合起来，将会对我国航道整治规划多指标量化、编制科学化和城市规划可持续发展产生积极影响。（2）方案设计阶段BIM技术的出现首先是应用于设计，对设计单位来说，BIM采用三维数字技术，实现了可视化设计。因为实现了图纸和构件的模块化，并且有功能强大的组合库的支持，设计人员可以方便地进行模型搭建。因此，BIM技术创建的工程项目模型实质上是一个可视化的数据库，这是与传统绘图软件显著不同的地方；另一个不同之处是采用BIM技术以后，枯燥的制图变成了一个类似“搭积木”的工作，过程和结果都更加直观，更有趣味性。设计完整的BIM模型包含了建筑、结构、安装等所有专业信息，实现了各专业的协同，避免冲突，降低了成本。BIM技术在设计阶段的另一重要应用是碰撞检测工程，BIM碰撞检测是指对构筑物功能完整性和质量标准进行检验，一般包括构件是否有重叠、结构受力是否合理、是否符合法律法规的标准等。利用BIM的模拟仿真技术，进行碰撞检测，可以及时发现设计中的不足，也避免了由于施工过程中出现设计漏洞、导致施工进度延误等问题。（3）施工建造阶段在建造施工过程中，借助BIM的冲突检测、施工模拟及工程量统计等功能，可达到避免浪费、节约资源的绿色目标。通过BIM建立三维信息模型，在设计及施工阶段对各专业管线进行综合及碰撞检查，是BIM比较直观、突出的功能之一。尤其是对于较复杂项目，BIM自动检测建筑与结构及各类机电管线的冲突，及时在设计阶段进行优化修改，避免在现场发现后返工造成时间、材料的浪费。由于BIM是带有材质、尺寸信息的数字模型，在模型信息量足够的前提下，可以方便地计算出各类材料的用量。对于预制构件，BIM为精确加工及连接提供了强有力的技术支撑。借助于BIM技术准确测算建筑材料用料，避免预制构件的设计尺寸错误，也达到了减少材料浪费的目的。（4）运营维护阶段将BIM技术与运营维护管理系统相结合，通过信息化手段对航道环境和结构进行检测管理，对可能发生的灾害进行预防，降低运营维护成本。具体实施中常将无人机实时监测等手段和BIM模型、运营系统与移动终端等结合起来应用，最终实现航道、航标、河口和险滩等重要部位的及时维护。8.2经济效益美国斯坦福大学整合设施工程中心（CIFE）根据32个采用BIM的项目总结了使用建筑信息模型的优势：消除40%预算外更改；造价估算控制在3%精