BIM技術(shù)在水利樞紐建設(shè)中的應(yīng)用

摘" 要：隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)工程行業(yè)向智能建造方向發(fā)展。該文選取新疆大石門水利樞紐和黃石溝水庫(kù)大壩作為實(shí)例，從模型構(gòu)建、模型應(yīng)用、智能建造3個(gè)方面結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，是水利施工企業(yè)BIM應(yīng)用的有利嘗試，對(duì)BIM技術(shù)發(fā)展的有益推廣，可為同類推廣使用BIM技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM；水利樞紐；模型構(gòu)建；模型應(yīng)用；智能建造

中圖分類號(hào)：TV51" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0188-05

建筑信息建模理念最早由美國(guó)學(xué)者Chuck Eastman博士于1975年提出[1]。2002年，Autodesk公司推出Revit軟件并在世界范圍推廣[2]，我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)從2003年開(kāi)始引進(jìn)BIM技術(shù)[3]，歷經(jīng)二十余年發(fā)展，目前BIM應(yīng)用橫向已涵蓋房屋建筑、水利、市政、機(jī)械制造等領(lǐng)域，縱向跨越項(xiàng)目策劃、方案設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)全周期壽命流程，豎向整合數(shù)字孿生（Digital Twin）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)，形成CIM（City Information Modeling）概念[4]，推動(dòng)工程行業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。與此同時(shí)，國(guó)家發(fā)布一系列BIM技術(shù)政策及BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[5]，著重要求BIM技術(shù)的發(fā)展要考慮行業(yè)現(xiàn)狀及需求，向“智能建造”方向發(fā)展。

水利樞紐項(xiàng)目中水工建筑物相對(duì)集中且相互影響，同時(shí)涉及地質(zhì)、水工、電氣等多個(gè)專業(yè)，施工組織難度大，利用“BIM+”技術(shù)可有效解決施工相互干擾、異形結(jié)構(gòu)工程量計(jì)算復(fù)雜、質(zhì)量控制嚴(yán)格等難點(diǎn)問(wèn)題。本文以新疆車爾臣河大石門水利樞紐和榆林黃石溝水庫(kù)為例，介紹目前施工單位常用的、效益較高的應(yīng)用點(diǎn)。

新疆車爾臣河大石門水利樞紐位于巴州且末縣境內(nèi)的車爾臣河干流上，最大壩高128.8 m，屬大（2）型工程，大壩采用瀝青混凝土心墻壩，心墻軸線在壩軸線上游4.0 m處，上窄下寬，頂寬0.6 m，底寬1.4 m[6]。廠房左岸高邊坡開(kāi)挖，設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊坡為1∶1，邊坡總高度約為144 m，設(shè)計(jì)邊坡臺(tái)階高度為10 m設(shè)一級(jí)馬道，共14級(jí)，自上而下開(kāi)挖，總開(kāi)挖量約191萬(wàn)m3；榆林黃石溝水庫(kù)位于窟野河左岸支流黃石溝上，最大壩高97.5 m，屬Ⅲ等中型工程。大壩采用黏土心墻堆石壩[7]，總填筑量約544萬(wàn)m3，大壩基礎(chǔ)布置有固結(jié)灌漿及帷幕灌漿。

1" 水利樞紐BIM模型構(gòu)建

模型是BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)，選擇合適的建模軟件能夠有效提高BIM應(yīng)用水平。目前常見(jiàn)的軟件分別是Autodesk公司、Bentely公司、Trimble公司、Dassault公司的系列BIM軟件，其相應(yīng)的特性見(jiàn)表1。綜合考慮水利樞紐項(xiàng)目特征，對(duì)比了市面上的幾款主流設(shè)計(jì)工具，選用Bentley這一系列軟件來(lái)搭建模型及其相關(guān)應(yīng)用。

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用OpenBuildings Designer完成大壩、發(fā)電廠房、表孔溢洪洞和底孔泄洪洞進(jìn)口閘井等結(jié)構(gòu)物模型，利用OpenRoads Designer完成引水發(fā)電隧洞、交通洞、施工支洞等結(jié)構(gòu)物模型，利用OpenRoads Designer完成地形及廠房左岸高邊坡開(kāi)挖，利用LumenRT完成可視化處理。各建筑物布置圖及效果圖分別如圖1、圖2所示。

2" 水利樞紐BIM模型相關(guān)應(yīng)用

2.1" 工程量復(fù)核

工程量計(jì)算是形成工程造價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和重要環(huán)節(jié)，由于工程內(nèi)容多、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等，如何提高計(jì)算準(zhǔn)確度和計(jì)算效率成為關(guān)鍵問(wèn)題[8]。傳統(tǒng)的工程計(jì)量需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，尤其是在處理復(fù)雜工程項(xiàng)目時(shí)容易出錯(cuò)漏。BIM模型整合了工程項(xiàng)目的所有信息，可以自動(dòng)從不同層次精確統(tǒng)計(jì)工程量，生成工程量表，滿足不同階段的成本和進(jìn)度管理需求[9]。以大石門水利樞紐瀝青心墻為例，模型顯示工程量為13 862.8 m3，實(shí)際計(jì)量工程量約為14 000 m3，誤差約為0.98%，精度在1%以內(nèi)，這一應(yīng)用能夠幫助施工方在投標(biāo)階段進(jìn)行更科學(xué)地報(bào)價(jià)，同時(shí)在施工過(guò)程中能夠精細(xì)化管理、精細(xì)化施工，提高項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)效益。再者，項(xiàng)目實(shí)際開(kāi)挖前利用OpenRoads Designer對(duì)廠房左岸高邊坡進(jìn)行“分層開(kāi)挖數(shù)字建造”，計(jì)算每級(jí)開(kāi)挖量如圖3所示，據(jù)此進(jìn)行合理的工期、人員、設(shè)備安排，推動(dòng)項(xiàng)目高質(zhì)量生產(chǎn)，“提前算贏”。

2.2" 可視化

可視化是BIM技術(shù)的顯著特征之一，可將抽象的二維設(shè)計(jì)圖紙變成立體、形象的三維模型，配合進(jìn)度控制可生成模塊化的生長(zhǎng)動(dòng)畫(huà)。在房屋建筑領(lǐng)域，通過(guò)可視化技術(shù)對(duì)給排水、強(qiáng)弱電、燃?xì)?、暖通和消防等系統(tǒng)管線進(jìn)行碰撞檢查已成為提高生產(chǎn)效率、減少返工的常規(guī)手段。在水利樞紐建設(shè)中，利用BIM模型可以在任何節(jié)點(diǎn)切割并生成所需的平面圖、剖面圖，從而更容易組織施工，減少因閱讀和理解圖紙錯(cuò)誤而導(dǎo)致的施工錯(cuò)誤。以發(fā)電廠房為例，往往存在發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、蝸殼層和尾水管層等，利用三維剖切（圖4），可準(zhǔn)確展示該單體的各項(xiàng)施工內(nèi)容。

動(dòng)畫(huà)是BIM可視化應(yīng)用的另一重要表達(dá)方式，包括施工進(jìn)度模擬、工藝工序模擬、可視化技術(shù)交底等，可以對(duì)多專業(yè)工序穿插進(jìn)行合理性分析，針對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵部位、關(guān)鍵工藝的模擬演示，可以使施工人員更好地掌握質(zhì)量控制要點(diǎn)，提高施工質(zhì)量。接入VR/MR等虛擬/混合現(xiàn)實(shí)軟件，在實(shí)際工作開(kāi)展前可以沉浸式體驗(yàn)預(yù)定方案的合理性、可靠性、安全性，部分項(xiàng)目將該項(xiàng)內(nèi)容融入進(jìn)場(chǎng)安全教育，效果顯著。施工方案模擬能夠?qū)Ψ桨傅年P(guān)鍵線路、關(guān)鍵工序和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)盤(pán)、優(yōu)化，在大石門水利樞紐項(xiàng)目建設(shè)工作中，針對(duì)大壩瀝青心墻、過(guò)渡料、堆石料的填筑施工，完成填筑碾壓方案的可視化施工動(dòng)畫(huà)（圖5—圖6），開(kāi)展三維技術(shù)交底，有效提高溝通效率和施工質(zhì)量。

3" 水利樞紐的智能建造

3.1" 智能灌漿

黃石溝大壩基礎(chǔ)布置有固結(jié)灌漿及帷幕灌漿，主要工程量見(jiàn)表2。灌漿作為隱蔽工程，灌漿的關(guān)鍵是質(zhì)量，其核心是數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性、完整性和可靠性。但在實(shí)際灌漿過(guò)程中，指標(biāo)容易受到人為因素的影響。為了提高灌漿施工質(zhì)量的可控性，黃石溝大壩采用智能灌漿管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有灌前預(yù)測(cè)、灌漿過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化灌漿和灌后分析等功能，可實(shí)時(shí)透明地監(jiān)控施工過(guò)程，并將準(zhǔn)確、真實(shí)、客觀的灌漿數(shù)據(jù)記錄在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，給后期工程質(zhì)量評(píng)價(jià)、類似工程建設(shè)施工、管理提供參考，灌漿系統(tǒng)如圖7所示。

智能灌漿系統(tǒng)分為制漿單元、灌漿單元、云平臺(tái)管理單元和污水處理單元。智能灌漿系統(tǒng)最大程度地降低了人工干預(yù)，提高了灌漿施工質(zhì)量的可控性，同時(shí)，高度的智能自動(dòng)化能很大程度上降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度及勞動(dòng)力投入，降低施工成本，提高灌漿施工效率。智能灌漿融合了灌漿、自動(dòng)控制、大數(shù)據(jù)云平臺(tái)互聯(lián)互通等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制智能化、管理簡(jiǎn)便化、施工精細(xì)化、成果可視化，使灌漿走向自動(dòng)化、信息化、陽(yáng)光化、可靠化、高效化及綠色環(huán)保，提升施工形象，簡(jiǎn)化管理流程、確保施工質(zhì)量[10]。

3.2" 智能碾壓

土石方碾壓是大壩建造過(guò)程中最耗時(shí)耗力的工序。傳統(tǒng)的碾壓是人工和簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)備的高強(qiáng)度重復(fù)作業(yè)，操作形式單一且碾壓質(zhì)量參差不齊。為滿足建設(shè)質(zhì)量提升的需求，提高大壩填筑施工質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)施工管理水平。黃石溝水庫(kù)填筑總量為544萬(wàn)m3，分三期填筑，高峰填筑量約1.3萬(wàn)m3/d，為提高施工效率，采用了填筑智能碾壓系統(tǒng)，該智能碾壓作業(yè)系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站、壓路機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控大壩碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡，定時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄碾壓機(jī)械的空間位置、振動(dòng)力等技術(shù)參數(shù)。智能壓實(shí)監(jiān)控終端現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控壓實(shí)遍數(shù)、復(fù)壓度、車輛軌跡等數(shù)據(jù)（圖8），通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將信息數(shù)據(jù)傳輸回控制中心，控制中心可以對(duì)碾壓軌跡、速度、碾壓遍數(shù)和層厚等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析與動(dòng)態(tài)反饋。通過(guò)這一實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，能夠節(jié)省管理和施工成本，增加利潤(rùn)；預(yù)防過(guò)壓或欠壓，減少返工；節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)綠色施工；低碳經(jīng)濟(jì)提高機(jī)械利用率，降低油耗；提高施工效率，減少人力；施工過(guò)程控制，降低返工風(fēng)險(xiǎn)，減少資源浪費(fèi)[11]。

4" 討論

水利樞紐工程是我國(guó)的基礎(chǔ)性、民生性工程，具有投資大、效益高、工程建設(shè)過(guò)程復(fù)雜等特點(diǎn)。BIM技術(shù)目前在房屋建筑工程行業(yè)，已經(jīng)發(fā)展的頗有成效，但在水利樞紐工程建設(shè)領(lǐng)域才剛剛起步，并且較多的應(yīng)用實(shí)例還集中在勘察設(shè)計(jì)階段，在其他的工程階段BIM技術(shù)的融入還尚不成熟。本文通過(guò)大石門水利樞紐工程、黃石溝水庫(kù)在施工階段的BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，從模型構(gòu)建、模型應(yīng)用、智能建造3個(gè)方面，探討了水利樞紐工程依托BIM技術(shù)如何逐步向數(shù)字化、信息化、智能化方向轉(zhuǎn)變，通過(guò)模型工程量提取可實(shí)現(xiàn)“事前算贏”；通過(guò)可視化可提前發(fā)現(xiàn)施工可能存在的問(wèn)題、高效讀懂施工圖紙；通過(guò)施工模擬、VR/MR等手段可沉浸式體驗(yàn)施工現(xiàn)場(chǎng)；利用智能灌漿、智能碾壓系統(tǒng)可提高生產(chǎn)效率、提升施工質(zhì)量，降低管理成本。在水利樞紐工程的施工階段中應(yīng)用BIM技術(shù)和智能施工技術(shù)，有利于提升管理效能、形成新的效益增長(zhǎng)點(diǎn)。

5" 結(jié)論

本文通過(guò)新疆大石門水利樞紐和黃石溝水庫(kù)的工程實(shí)踐，系統(tǒng)探討了BIM技術(shù)在水利樞紐建設(shè)中的核心應(yīng)用及其價(jià)值。研究表明BIM技術(shù)通過(guò)高精度建模、工程量自動(dòng)復(fù)核、施工工藝可視化及方案動(dòng)態(tài)模擬，顯著提升了工程設(shè)計(jì)的協(xié)同性、施工管理的精細(xì)度與資源利用效率；結(jié)合智能灌漿與智能碾壓系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程的可控性、數(shù)據(jù)透明化與綠色低碳化，驗(yàn)證了BIM技術(shù)與智能化手段在水利工程中的綜合效益。

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Abstract： With the continuous development of BIM technology， the engineering industry is being promoted to develop in the direction of intelligent construction. This paper selects the Dashimen Water Conservancy Project and Huangshigou Reservoir Dam in Xinjiang as examples， and introduces it from three aspects： model construction， model application， and intelligent construction， combined with actual application. It is a favorable attempt to apply BIM in water conservancy construction enterprises and is beneficial to the development of BIM technology. The beneficial promotion can provide reference for the promotion and use of BIM technology in the same category.

第一作者簡(jiǎn)介：姬咪（1994-），女，碩士，工程師。研究方向?yàn)楣こ碳夹g(shù)、工程數(shù)字化、施工管理等。

*通信作者：尹俊文（1994-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)楣こ碳夹g(shù)、工程數(shù)字化、施工管理等。