BIM4D技术在水闸工程施工中的应用研究

郑国辉 李 祥 王 超

(1.北京市水利规划设计研究院，北京 100048；2.北京市河湖流域管理事务中心，北京 102600)

近年来，国家大力推广工程信息化建设，BIM技术得到广泛应用，BIM4D技术基于专业4D软件应用，目前主要在BIM3D模型数据基础上，针对工程施工过程，建立4D模型，进行施工过程仿真模拟，生成渲染效果的视频，实现模型的动态可视化。同时，对4D模型赋予项目进度、投资等计划信息，在施工过程中，根据实际情况对模型、计划等实时优化调整，形成了一个数字化施工管理平台。

工程施工如何顺利完成，如何实现BIM4D模型效益的最大化，即还原真实的施工过程、高效施工管控，从而保障工程施工目标的实现，是本文的主旨。本文以凤港闸项目为例进行BIM4D技术应用研究。

1 工程概要

1.1 设计概况

凤港闸位于北京市通州区凤河与港沟河连接河道新挖段上，设计水闸共6孔，每孔净宽11m，设6扇露顶式弧形钢闸门，单扇闸门尺寸11m×11.4m(宽×高)，设6台卷扬式启闭机。水闸自上而下依次为上游连接段、上游防护段、铺盖段、闸室段、消力池段、海漫段、防冲槽、反坡段和下游连接段，顺水方向长236m。水闸上部设启闭机室等管理用房。水闸设计囊括了结构、建筑、机电等专业(见图1)。

图1 BIM4D模型中水闸模拟效果

1.2 施工特性

水闸基础地层中含淤泥质土等软弱土层，需基础换填。基础开挖形成竖井式基坑，基坑尺寸为80m×76m×18m(长×宽×深)，竖井内土体换填作业及垂直运输方案需精细，底板、闸墩等大体积混凝土浇筑防止裂缝措施需深化，水闸门槽预埋件安装要精准，闸门、启闭机等金属结构安装专业程度高。

2 BIM4D方案策划

为了确保复杂施工的科学化、逻辑化、精细化、清晰化，实现施工过程精密组织，在研究制定施工方案及进度、投资计划的基础上，研究决定基于BIM4D技术构建施工过程的仿真模型，优化水闸设计及施工方案，助力高效施工管控。

2.1 BIM基础软件选用

BIM4D模型需要在3D模型基础上建立，构建符合需求的基础3D模型需选用适合的BIM基础软件。主要对Bentley、Dassault、Revit、Nemetschek Graphisoft等BIM基础软件进行比选[1](见表1)。

表1 主要BIM基础软件对比

经比选，Bentley系列软件在专业设置、软件功能等方面更适合水闸施工所需的基础3D模型构建，确定采用Bentley系列BIM基础软件。

2.2 BIM4D软件选用

为确保水闸施工过程4D模型效益，需针对工程的实际情况，选定更适合的技术软件。主要对Autodesk Navisworks、RIB iTWO、广联达BIM5D、Fuzor、Synchro 4D等5种相关软件进行比选(见表2)。

表2 主要BIM4D软件对比

经比选，Synchro 4D 软件功能的特点对水闸施工过程仿真模型需求针对性较强，能较好地满足水闸施工的需求，而水闸应用Bentley软件进行正向3D设计，设计的3D信息模型完全符合软件的需求，形成了软件特点与水闸施工特性的契合，可充分展现软件的专长，最大化地体现水闸施工BIM4D模型效益。

水闸施工中，Synchro 4D技术的应用包括：仿真模型应用，即施工过程模拟、施工动画漫游、设计交底、资料协同；3D施工场地布置，即3D动态展示、场地布置优化、施工方法优化、关键环节展示；施工实时管控，即进度计划管理、质量安全管理、资源投入管理、细节追溯。同时，动态可视化可直观助力整体设计形态的空间优化调整。

Synchro 4D技术应用，为水闸施工提供了一个可视化的基础条件，具有显著的功能效益(见表3)。

表3 Synchro 4D在水闸施工中应用的功能效益

3 BIM4D构建方案研究

3.1 补充辅助模型

施工过程4D模型中细致的现场模拟反映的是真实的施工情况，这就要求模型的深度不再限于设计级程度。在水闸设计3D模型的基础上，鉴于基础地层情况须清晰明了，补充构建了3D地质模型；据实添加了形象的建筑表面装修层；建立了连续墙及其施工配套的辅助工程设施模型；添加了参数化的施工围挡、施工工厂设施、辅助建材、施工机械、堆场等临时设施模型(见图2)。补充模型会增加一定的建模难度及时间，但相对于带来的仿真效果及施工建设管理效益可谓性价比较高。

3.2 构建全程解析流程

基于Synchro 4D技术，经研究后，确定水闸施工Synchro 4D作业步骤及关键内容(见图3)。

图3 Synchro 4D作业步骤及关键内容流程

3.3 关键节点剖析

3.3.1 基础土体换填

基础土体尺寸为80m×76m×18m(长×宽×深)。开挖土体以3m一层进行切分，共分6层，每层沿长度方向按10m、沿宽度方向按38m为一段进行切分，每层切分为16个模块，开挖土体共切分为96个模块。模拟动态过程如下。

基坑土体单层开挖，由4台挖掘机均衡分布出现(安装)开始，沿各自的“S”形轨迹往复作业，相应土块同步挖除，4台挖掘机进度同期，由机械消失(拆除)结束，进入下一层开挖，出渣由门式起重机垂直运输，循环作业6次，直至挖至基坑底部。其中土体模块以“拆除、沿开挖路径方向消失” 配置外观(见图4)。

图4 基础土体换填模拟效果示意

同理，基础填筑土体以0.5m为一层，共分36层，每层沿长度方向按20m、沿宽度方向按38m为一段进行切分，每层切分为8个模块，填筑土体共切分为288个模块。由推土机、压路机分层摊铺、压实，其中土体模块以“安装、沿填筑路径方向增长” 配置外观。

3.3.2 闸室结构浇筑

底板、闸墩等大体积混凝土采用商品混凝土，结合结构永久缝分层分块浇筑。底板尺寸为25m×76m(长×宽)，分块尺寸为12.5m×19m(长×宽)，共切分8块。闸墩尺寸为25m×2.4m×11.4m(长×宽×高)，分块尺寸为12.5m×2.4m×3.8m(长×宽×高)，7个闸墩共切分42块。单个模块，水平结构以“安装+颜色从左至右变化”、竖直结构以“安装+颜色由下至上变化” 配置外观。

3.3.3 闸门、启闭机安装

闸门、启闭机共6套，单扇闸门分片、单台启闭机分部运至闸区后现场拼接、组装完整。启闭机由汽车起重机吊装，闸门自检修平台由启闭机吊运就位。单个金属结构吊装路径依次为沿闸宽度方向、闸长度方向、闸高度方向，逐一由水闸南端依次平稳吊装就位，并行、交错安装。相邻结构安装调试时间搭接0.5个月，各安装工序按照逻辑关系协调有序。

3.4 施工管控

建立Synchro 4D模型后，基于模型从空间、时间、逻辑关系等全方位、多角度的动态展示，科学、系统地优化了设计及施工方案。为4D模型加载进度、投资等计划信息，将计划中的各项资源任务逐一与模型关联，从而在BIM4D的基础上，构成集成了施工实体、动态模拟、进度、投资等综合信息的5D模型，实现了工程视觉形态与施工实体信息的有机联动，形成了一个数字化施工管理平台。启用Synchro 4D云端服务实时共享平台数据，协同办公。通过平台将施工实际情况和进度及投资计划进行对比，及时对模型、计划及资源配置进行优化调整，实现了高效施工管控，为工程施工质量、安全、进度、投资等管理提供了优质服务。

该施工管理平台的使用者是一个专业的施工管控团队，由建设方领导，成员包括了现场管理工程师、计划工程师、BIM工程师等参建各方人员，各方分工明确、专人专责，紧密协同跟进、实时共享信息。突出各管控环节的时效性，第一时间反馈实际情况，短时间决策并付诸行动。其中重点是压缩仿真模型更新时间，实际模型更新基本控制在一周以内。参建各方有机协同，实现了施工管控目标，助力施工顺利完成。

3.5 构建作业体验

本次BIM4D作业，由水闸设计方施工组织专业工程师也是计划工程师来完成，即计划工程师兼任BIM工程师，关键专业角色的融合是助力优质BIM4D模型的亮点之一。水闸施工过程4D模型构建成熟的作业时间为2个月，期间经过多次专家论证，如多名BIM工程师分工协作可更加高效。由于水闸为3D正向设计，节省了前期3D模型建立成熟的时间(按3个月以上考虑)。Synchro 4D模拟实操总体感觉相对愉快，软件相对友好(见表4)。

表4 水闸施工Synchro 4D模型构建作业体验

4 结 论

水闸设计囊括了结构、建筑、机电等专业，根据水闸的施工特性，采用Bentley系列BIM基础软件和Synchro 4D软件，能够针对性地满足水闸施工需求，是软件特点与水闸建设特性的契合。

Synchro 4D模型的建立，优化了水闸设计及施工方案，为水闸施工提供了一个可视化的基础条件；对BIM4D模型赋予进度、投资等计划信息后形成的BIM5D模型，实现了工程视觉形态与施工实体信息的有机联动，形成了一个数字化施工管理平台，为施工管控提供了优质服务。工程建设中，应针对施工特性，制定合理的施工方案及计划，掌握软件的使用技巧，科学、系统地进行模型构建作业，构成集成了工程实体、动态模拟、进度、投资等综合信息的5D模型成果。施工阶段，参建各方有机协同，利用模型将实际情况与计划对比后进行优化调整，助力高效施工管控，保障工程施工顺利完成。