摘要：簡述了位于四川省甘孜雅江縣境內雅礱江干流上的兩河口水電站工程概況，分析兩河口水電站攔河壩和拱壩工程面臨的各項挑戰(zhàn)，緊密結合施工現(xiàn)場實際，從構建三維模型、施工方案的模擬與優(yōu)化、BIM技術對施工現(xiàn)場管理和避免各類風險的重要作用等方面詳細闡述了基于BIM技術的施工方法，為基礎工程施工應用BIM技術提供了有益參考資料。

關鍵詞：山區(qū)水電站；攔河壩和拱壩；BIM技術；模擬與優(yōu)化；風險管控

0 引言

山區(qū)水電站因其所處的特殊地理位置及相應的地質、氣象條件，常常面臨如巖石穩(wěn)定性不足、水文條件復雜多變等一系列技術挑戰(zhàn)，這些因素在很大程度上增加了攔河壩及拱壩工程的施工難度，對工程的設計精度和施工安全性提出了更高的要求。

在當代建筑工程管理實踐中，BIM技術已經(jīng)顯現(xiàn)出其對于提升設計精確度、施工效率及項目可持續(xù)性的顯著貢獻。特別是在地理環(huán)境復雜、工程技術要求高的山區(qū)水電站攔河壩和拱壩工程領域，這一技術的應用不僅促進了信息的集成化管理，還有利于實現(xiàn)工程設計與施工過程的優(yōu)化。

1 工程概況

位于四川省甘孜雅江縣境內雅礱江干流上的兩河口水電站以發(fā)電為主，兼顧防洪任務。水電站壩址位于雅礱江干流與鮮水河匯合口下游約2km河段上，距雅江縣城約25km。控制流域面積為6.56萬km2，多年平均流量為666m3/s，正常蓄水位為2865m，總庫容為107.67億m3，消落深度為80m，調節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調節(jié)能力。

水電站裝機容量為3000MW，多年平均年發(fā)電量為110億kW·h，采用“攔河大壩+左岸泄洪系統(tǒng)+右岸引水發(fā)電系統(tǒng)+左、右岸導流洞”的樞紐建筑布置格局。攔河大壩為土心墻堆石壩，最大壩高295m，屬于同類最高壩型中之一。引水發(fā)電系統(tǒng)位于大壩右岸上游山體中，水平埋深440～650m，垂直埋深380～550m。

2 攔河壩和拱壩工程面臨的挑戰(zhàn)

2.1 地形地質復雜

兩河口水電站壩址區(qū)域地形多變、險峻陡峭，其地質結構包括變質砂巖、變質粉砂巖和粉砂質板巖等多種復雜巖性，壩體設計和施工都必須考慮這些巖石的力學性質和水理性質的異質性。例如變質砂巖和粉砂巖的可壓縮性和滲透性，在高壓水頭作用下，可能對大壩的穩(wěn)定性和防水性產(chǎn)生不利影響。

從地震角度看，兩河口水電站所處的地理位置，使其必須具備較強的抗震和防洪能力。地震活動區(qū)域的壩體設計需要考慮地震力的作用，確保大壩結構在潛在地震發(fā)生時的安全性[1]。

由于兩河口水電站地形地質條件復雜，給工程施工帶來了極大的難度，不僅影響了材料的運輸和機械的安置，也給現(xiàn)場作業(yè)安全帶來了風險和考驗。

2.2 施工環(huán)境惡劣

兩河口水電站位于高海拔地區(qū)，其低氧環(huán)境不僅影響工作人員的身體健康，還可能減緩施工進度，增加施工成本。壩址區(qū)域年降水量大且分布不均，季節(jié)性強降水和冬季低溫都嚴重影響了施工作業(yè)的連續(xù)性和安全性。雨季可導致施工現(xiàn)場泥濘不堪，不僅機械難以操作，而且還可能引發(fā)滑坡等地質災害，威脅工程安全。冬季的低溫則會使得一些材料如混凝土的固化過程受阻，影響施工質量和效率。

兩河口水電站地處雅礱江干流，其水文特性也對施工環(huán)境造成了不利影響。雅礱江的流速快，水位變化大，尤其是在汛期，極易對施工人員和施工設備的安全構成威脅。此外，雅礱江流域面積廣闊，在施工期間必須有嚴格的水文監(jiān)測和管控，以防突發(fā)水情對工程施工和周邊地區(qū)造成不利影響。

2.3 施工方法局限

一是傳統(tǒng)技術難以適用。由于攔河壩和拱壩工程在復雜巖層地質條件下施工，在確保壩體穩(wěn)定性和防滲能力方面，傳統(tǒng)的施工方法在處理復雜地質條件時難以適用，給施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。二是物流配置效率低下。施工區(qū)域地形陡峭、位置偏遠，不僅使得材料和設備的運輸效率低、成本高，還使得施工期間的應急響應更為困難。由于傳統(tǒng)的物流配置方式效率低下，難以滿足工程施工的需求。三是極端氣候影響嚴重。季節(jié)性強降水和冬季低溫的極端氣候條件，嚴重影響施工作業(yè)的安全性和連續(xù)性。若采用傳統(tǒng)的施工方法澆筑混凝土，會遭遇固化困難問題，直接影響混凝土結構的質量和耐久性[2]。

3 基于BIM技術的施工方法

3.1 構建三維模型

構建三維模型不僅能夠精準反映工程項目的物理和功能特性，還能為后續(xù)的施工管理和實時監(jiān)測打下基礎，幫助工程師在復雜的地形和地質環(huán)境中進行精準設計和預測。

3.1.1 構建地形和地質基礎模型

在構建模型的過程中，首先需要通過GIS地理信息系統(tǒng)和現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)構建詳盡的地形和地質基礎模型。該模型的構建可以用公式（1）表達：

D（x，y，z）=?（G，S） （1）

式中：D（x，y，z）表示三維地形模型，在三維空間中每一點的地質特性；G表示GIS數(shù)據(jù)；S表示現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)。該公式是為了確保模型在物理空間中的準確性和完整性[3]。

基于初始地形和地質模型，采用體素化方法將連續(xù)的地質數(shù)據(jù)轉化為離散的數(shù)據(jù)點，以便進行更精細的分析和計算。該轉換可以通過公式（2）表示：

V（i，j，k）=∫xixi+1∫yjyj+1∫zkzk+1D（x，y，z）dxdydz （2）

式中：V（i，j，k）表示位于體素格i、j、k中的地質數(shù)據(jù)的平均值。這種轉換有助于在計算資源和模型精度之間找到平衡。

3.1.2 引入動態(tài)更新機制

為了實現(xiàn)模型在施工過程中的實時監(jiān)測和調整，引入了基于改進的卡爾曼濾波算法的動態(tài)更新機制?？柭鼮V波是一個有效的算法，用于在有噪聲的數(shù)據(jù)中估算過程的狀態(tài)，非常適合用于處理因施工變化而持續(xù)更新的數(shù)據(jù)。模型的實時更新可以用公式（3）、（4）進行描述。

一是預測步驟公式組：

K=P-HT（HP-HT+R）-1

x?=x?-+K（z+Hx?-） （3）

P=（I-KH）P-

式中：K是卡爾曼增益，P是估計的協(xié)方差，H是觀測矩陣，R是觀測噪聲協(xié)方差，x?是模型的狀態(tài)估計，z是實際觀測值。

二是更新步驟公式組：

x?-=Ax?+Bu

P-=APAT+Q （4）

式中：A是狀態(tài)轉移矩陣，B是控制輸入矩陣，u是控制輸入，Q是過程噪聲協(xié)方差。這兩個公_{a4bgj7Y1zTQY/Oq3G8MUNIp4BuDYYqBDIj+0/p2idkg=}式組不僅允許模型根據(jù)新的觀測數(shù)據(jù)實時更新，還提高了模型對未來施工變化的適應能力和預測精度。

3.2 施工方案的模擬與優(yōu)化

3.2.1 定義施工方案適應度

利用BIM模型來模擬不同的施工方案，并通過定量分析來選擇最優(yōu)的方案。采用GA遺傳算法來展示如何在BIM環(huán)境下進行施工方案的模擬和優(yōu)化。遺傳算法是一種模仿生物進化過程的搜索算法，適用于解決優(yōu)化問題，它通過迭代改進候選解以逼近最優(yōu)解。

首先定義施工方案的適應度函數(shù)，用于評估每個施工方案的效率和成本。適應度函數(shù)可表達為公式（5）：

F（x）=αC（x）+βT（x） （5）

式中：F（x）是方案x的適應度；C（x）是成本；T（x）是完成時間；α和β是權重因子，用于平衡成本和時間在評估中的相對重要性。

3.2.2 施工方案群體初始

接下來，初始化一個施工方案群體。每個個體代表一種施工方案，其屬性（例如施工順序、資源分配等）被編碼為一個字符串或數(shù)字序列。施工方案初始化過程可表示為公式（6）：

P0={x1，x2，…，xn} （6）

式中：P0是施工方案初始群體，xi是群體中的一個施工方案。

3.2.3 施工方案優(yōu)化

在遺傳算法的每一代，執(zhí)行選擇、交叉和變異操作，以生成新一代施工方案群體。其中選擇操作基于適應度函數(shù)，選擇較優(yōu)施工方案，可采用輪盤賭選擇法表示，其表達式為公式（7）：

x'=roulette{P，F(xiàn)} （7）

式中：x'是選擇后的施工方案，P是當前群體，F(xiàn)是適應度函數(shù)。

交叉操作是隨機選取兩個施工方案的某些特征，并交換這些特征來創(chuàng)建新的施工方案，可表示為公式（8）：

（x'i，x'j）=crossover（xi，xj） （8）

式中：（x'i，x'j）是通過交叉xi和xj生成的新方案。

變異操作則隨機改變施工方案中的某些特征，以引入多樣性，避免算法過早收斂于局部最優(yōu)解。變異后的施工方案可表示為下列公式：

x''=mutation（x'） （9）

式中：x''是變異后的施工方案。

3.2.4 施工方案迭代選優(yōu)

每次迭代后，使用新生成的施工方案群體替換原群體，并計算新群體中每個施工方案的適應度。這個迭代過程可以表示為：

Pt+1=gen next generation（Pt） （10）

式中：Pt和Pt+1分別是連續(xù)兩代施工方案群體，迭代繼續(xù)進行到滿足終止條件（預定迭代次數(shù)或適應度不再顯著提高），最后選擇具有最高適應度的施工方案作為最優(yōu)方案。

3.3 BIM技術對施工現(xiàn)場管理的重要作用

3.3.1 可使施工現(xiàn)場管理更加精確

通過BIM技術提供的三維模型和實時數(shù)據(jù)更新，能夠追蹤到每項資源的使用情況，使得施工現(xiàn)場管理更加精確。例如項目初期地基工程，BIM模型顯示共需混凝土15000m3，通過其實時更新，實際使用混凝土14750m3，提高了資源使用精度、減少了資源浪費。

3.3.2 可監(jiān)控施工進度與計劃偏差

BIM模型預計挖掘工程將在60天內完成，通過其實時更新顯示施工團隊只用58天就完成了挖掘任務，這不僅加快了工程進度，還提升了施工效率。通過使用BIM技術，項目經(jīng)理能夠對施工計劃進行動態(tài)調整。

3.3.3 可高標準監(jiān)控施工質量

在水電站混凝土澆筑施工中，BIM模型記錄了每批次混凝土澆筑時間、固化時間以及溫度等關鍵參數(shù)。通過BIM技術集成的檢測和記錄功能，可適時調整各項施工方案。通過實時監(jiān)控施工質量，可實現(xiàn)高標準的施工質量。

3.3.4 可促進施工現(xiàn)場安全管理

通過BIM模型，安全負責人能夠預測潛在的安全隱患，并制定相應的預防措施。在水電站施工期間，BIM系統(tǒng)記錄了所有安全事故的詳細信息，包括事故類型、發(fā)生時間、涉及人員和后續(xù)處理措施。這些數(shù)據(jù)為制定更有效的安全措施提供了依據(jù)[4]。

3.4 BIM技術對避免各類風險的重要作用

3.4.1 動態(tài)預測地質氣象環(huán)境風險

在該項目的規(guī)劃設計階段，BIM技術能夠提供施工現(xiàn)場地形、地質、氣象和環(huán)境條件的動態(tài)、詳盡數(shù)據(jù)，BIM模型顯示了因地形陡峭和地質復雜導致的滑坡風險區(qū)域，地質掃描數(shù)據(jù)顯示有30%的地區(qū)存在潛在的不穩(wěn)定性，這些數(shù)據(jù)為施工規(guī)劃和設計提供了依據(jù)。

3.4.2 定量分析施工期間潛在風險

BIM技術支持對潛在風險的定量分析。例如在施工期間，項目團隊監(jiān)測到物資供應路徑受到頻繁降雨的影響導致了5次供應中斷，平均每次中斷持續(xù)時間為3d。獲取檢測信息后，項目團隊重新評估物資采購和運輸計劃，以減少未來供應中斷的影響。

3.4.3 實時監(jiān)控施工現(xiàn)場各類風險

BIM模型集成了包括天氣預報在內的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，幫助項目團隊實時了解施工現(xiàn)場不安全狀態(tài)和各類+風險。例如通過對比實際降水數(shù)據(jù)和歷史平均值，發(fā)現(xiàn)同期降水量比往年高出20%，促使項目團隊加強防洪措施、調整施工日程，以應對可能出現(xiàn)的極端天氣[5]。

3.4.4 通過數(shù)據(jù)對比避免成本風險

BIM技術可提供歷史與現(xiàn)實數(shù)據(jù)對比和發(fā)展趨勢的分析，這對施工周期長的項目尤為重要。在該水電站項目中，BIM系統(tǒng)記錄了每個施工階段的詳細信息，包括工時、成本和資源消耗等，為項目團隊避免成本風險提供了科學依據(jù)。

4 結束語

面對山區(qū)水電站施工的自然和技術挑戰(zhàn)，BIM技術的深度集成提供了新的思路與方法。不僅使項目管理者能夠從宏觀上把握施工進度和資源動態(tài)，還允許他們在必要時進行微觀調整，處理突發(fā)事件，優(yōu)化施工方案。憑借著高度的靈活性和適應性，使得BIM技術成為當前和未來大型工程項目不可或缺的工具。

參考文獻

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[3] 周率.山區(qū)農(nóng)村小水電站設計分析[J].黑龍江水利科技，2012，40（10）：168-170.

[4] 紀躍新，葉麗琴.淺談山區(qū)水電站攔河壩拱壩工程施工技術[J].中國水運（下半月）， 2011，11（11）：191-192.

[5] 吳志堅，劉叢.新型中小型攔河壩的調查與研究[J].西部探礦工程，2006（1）： 194-195.