升船机全生命周期BIM应用研究

孙少楠 刘肖杰 肖佳华 张志恒 何鹏波

摘要：目前对于通航建筑物的BIM技术应用通常局限于设计或者施工等单个阶段，缺乏对其全生命周期的BIM应用。以某升船机工程为例，将BIM技术引入其设计、施工、运维的各个阶段。在设计阶段，基于Bentley平台对升船机进行了三维模型搭建，在此基础上应用ANSYS对其进行了有限元数值仿真，应用Lumion对其进行了可视化虚拟仿真；在施工阶段，利用Microsoft Project和Synchro Pro进行了施工进度管理和施工仿真模拟；在运维阶段，借助IDEA编辑器、VSCODE软件和MySQL等软件进行代码编写，构建了基于BIM技术的智慧运维管理平台。实践表明：在升船机全生命周期中运用BIM技术，提高了设计的准确性和协同性，加强了施工的协调性，运维管理平台的搭建实现了BIM模型展示、升船机水位和状态监测等功能，为升船机运维管理提供了决策支持。研究成果可为BIM技术在类似水利工程设计、施工、运维等全生命周期的应用提供参考。

关键词：升船机； 全生命周期； BIM； 模拟仿真； Bentley

中图法分类号： U642

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.025

0引 言

BIM（Building Information Modeling）技術作为工程领域重要的信息化手段，为各参与方提供了全新的数字化管理手段［1］，能以数字化方式实现全生命周期下工程信息流的有效集成和管理［2-3］。目前BIM技术已在建筑［4］、交通［5］、水利［6］等领域得到了快速发展。通航建筑物是解决修建水坝和航运矛盾的主要设施，根据其型式可分为船闸和升船机［7］，升船机又可分为垂直升船机和斜面升船机两大类［8］。中国升船机建设起步稍晚［9］，但相比于船闸，升船机具有克服水坝落差大、船舶运行通过速度快等特点［10］。近年来，不少学者对通航建筑物的BIM应用进行了研究，如罗吉忠［11］将Dynamo可视化编程平台引入船闸工程设计建模中，提高了建模效率，为BIM技术在船闸工程设计中的应用提供了思路；颜红亮等［12］融合BIM技术、参数化技术和数据库技术，实现了船闸工程金属结构模块设计；陈述等［13］在某船闸主体工程中验证了一种将有限元结构计算软件ANSYS与Revit耦合的方法，结果证明该方法在结构计算中运用是可行的；张耀坤［14］研究了船闸工程施工监理的管理控制作用和BIM技术在其中的应用路径，证明了BIM技术可较好地用于管理控制。从上述研究成果中可以看出，BIM技术在船闸领域中的应用较多，但针对升船机的BIM应用研究较少。此外，BIM应用的范围常局限于设计、施工等单个阶段，缺乏针对通航建筑物全生命周期的BIM应用模式。因此本文尝试将BIM技术应用于某垂直升船机工程中，探索包括设计、施工、运维等阶段的全生命周期BIM应用，以期对类似工程提供借鉴。

1垂直升船机全生命周期BIM应用框架

垂直升船机全生命周期管理的核心任务是充分发挥BIM优势，以数字格式映射工程动态数据，将项目各个阶段的模型和信息数据集成、交互和共享，为信息协同提供技术支撑，允许不同阶段、不同单位以多种方式使用BIM模型，最大限度地从BIM应用中获益。一个共同的基础环境有利于实现资源共享和协同合作，而BIM就为协同工作提供了统一的管理平台，大大提高了信息的实用性和共享能力，实现了全生命周期不同阶段信息的共享和协同管理，克服了建设项目过程中信息断层、资源难以统一管理等问题。

升船机全生命周期BIM应用框架如图1所示，在设计阶段，BIM技术可以用于升船机模型的搭建和设计优化等工作；在施工阶段，BIM技术的应用主要包括施工过程的进度模拟和优化等工作；在运维阶段，通过BIM模型搭建运维管理平台，运营团队可以对升船机设备进行运行监测，以保证升船机设备的正常运行。

2设计阶段BIM应用

在升船机工程设计工作中，应用三维设计软件完成工程图的绘制仅仅是设计工作的一部分，要想充分发挥三维设计的强大优势，在设计中就需要结合BIM模型开展三维数值化仿真分析和可视化虚拟仿真分析，将仿真分析结果反馈到三维信息模型中进行进一步的深化设计。因此基于BIM的升船机设计主要包括三维设计和仿真模拟两个阶段，具体流程如图2所示。

2.1三维协同设计

对于升船机设计来说，从需求出发并结合工程实际，利用BIM技术可为升船机建设方提供三维可视化信息模型，在升船机初步设计阶段可根据三维BIM模型进行方案比选、设计优化，BIM技术贯穿于升船机设计的各个环节。利用BIM技术进行升船机设计的优势是其具有强大的协同能力和参数化设计能力，各个专业设计模块产生的设计数据都可以在BIM协同设计管理平台里进行整合，实现了专业模型之间的协同设计。升船机土建模型主要通过OpenBuildings Designer（OBD）完成绘制，采取分模块模型搭建，然后统一分装的方式。如图3所示，升船机塔楼段各个专业模型搭建完成之后，可在软件内部进行各个专业模型之间的虚拟装配、错漏碰撞自查和逻辑校验，提高了产品的设计质量，减少了设计时间成本。OBD软件参数化工具主要集中在约束工具栏中，可以用参数来驱动模型，可通过修改参数来改变对象的形体，其中fx变量命令用来定义变量，通过元素、距离、角度等命令来为对象定义变量，通过二维约束和三维约束来确定对象的相对位置关系。参数化模型搭建完成之后，可将模型的参数化变量链接到数据集工具自定义编辑器中，做成参数化的自定义对象，之后只需要修改自定义参数即可绘制类似的模型。升船机整体设计成果如图4所示。

2.2数值模拟分析

伴随着主流计算机的计算速度和计算能力的飞速发展，应用CAE技术进行升船机设计工作已是一种现实可行的工程设计手段［15］。BIM模型可为CFD数值仿真提供相关的物理参数，而CFD负责通过特定的数值计算来探索假设场景［16］，基于BIM+CFD数值模拟进行升船机设计工作，有助于实现升船机数字化设计，大大缩短设计周期，保证了设计质量。

升船机属于高耸结构，内部中空，结构复杂［17］，对风荷载较为敏感，风作用在升船机建筑表面会产生压力，进而可能会导致建筑物产生振动动力响应，因此风荷載是考虑结构安全性的重要因素之一［18］，在升船机建设前必须进行抗风设计，数值模拟技术正逐渐成为升船机建筑结构风场分析的一种重要手段［19］。借助ANSYS进行升船机结构抗风性能特性分析，目前BIM与ANSYS数值模拟平台进行数据传输的方式主要有通过内部接口、通过外部编程或插件、通过导出中间格式文件3种方式［20］。主要采用导出中间格式文件方式，在Bentley软件中将升船机模型以stp格式文件导出，然后再用前处理软件ANSYS-SpaceClaim读取并打开，便完成了BIM与数值模拟的数据传输工作，具体实现流程如图5所示。数据传输完成之后开始进行后续模拟工作，包括有限元计算模型的搭建、网格划分、参数设置、模型计算等，数值模拟结果如图6～7所示。

从图6中可以看出：升船机迎风面高压区域主要集中在中间部位，两侧及升船机顶部压力相对较小，压力分布呈现出从中间向侧边逐渐减小的趋势，这是因为在升船机侧边流体产生了绕流现象（图7），导致风压有所减少，背风面出现负压现象。对于升船机来说，通过数值模拟还可以进行升船机抗震分析、应力应变分析等有限元数值化分析，计算分析完成之后，设计人员可根据计算结果对升船机模型进行进一步的深化设计。

2.3可视化虚拟仿真

升船机修建的目的是要满足通航的需求，方便船只快速过坝，因此提前构建三维虚拟场景，对船只过坝过程进行虚拟仿真非常有必要。本次设计中对升船机进行船只过坝虚拟仿真的工具是荷兰Act-3D公司的Lumion软件，三维模型导出与Lumion相匹配的obj格式，并将其打开即可进行升船机虚拟场景构建和船只过坝虚拟仿真模拟，由于模型庞大以及软件和硬件限制，对模型进行了一定比例的缩小，在满足软件和硬件要求的同时也保证了渲染效果。模型导入之后需要进行场景细节处理，Lumion里包含了大量的元素族库，能够满足用户的基本需求，通过材质赋予、配景添加等可进一步提高虚拟场景的真实性，升船机虚拟场景与真实场景对比如图8所示。Lumion也可用于船舶翻坝的虚拟仿真，升船机场景完成搭建之后，针对承船厢和船舶设定特定路线和时间可以模拟出船舶搭乘升船机完成翻坝过程，通过漫游渲染可制作出船只模拟翻坝视频，船舶搭乘升船机虚拟仿真场景与真实场景如图9所示。设计人员可通过模拟升船机的运行过程来观察和评估不同设计方案的性能和效果。

3施工阶段BIM应用

3.1施工进度管理

升船机的施工过程较为复杂，涉及到多个方面的施工干扰，因此提前编制其进度计划尤为重要。工程项目建设的实施过程是不断动态变化的，因此其进度控制应该也是动态进行的［21］，基于BIM技术的进度管理是通过三维信息模型为进度管理提供数据支撑，合理进行施工顺序的安排，辅助解决进度规划管理中编制困难、整合困难等问题，为后期进行进度跟踪分析、进度偏差分析、进度纠偏和调整分析提供参考，有利于对项目进度进行合理管控。具体施工进度控制流程如图10所示，在开工前进行项目工程的进度模拟和优化，可以提前发现问题、解决问题，直至获取最佳方案，从而对施工起到指导作用。通过Microsoft Project进行进度计划的编制，进度计划编制之前要将整个工程按照不同等级分解，再根据分解图进行进度计划的编制。如图11所示，软件可识别层级关系进行任务安排，然后判断并输入预估工期，按照预估工期逐一分层计划，细化至季、月、旬、周的进度，设置完成之后形成项目进度计划（图12），施工管理人员按照进度计划进行施工方案的分析和优化，能够降低返工成本、管理成本和风险，增强管理人员对施工工程的管控能力。

3.2施工模拟

传统的施工管理反映不出时空的影响［22］，借助4D施工进度模型把仿真模拟进度与项目的实际施工进度进行对比，可以实现对施工进度的精准把握。本文升船机主要依靠Bentley平台的Synchro Pro软件进行施工仿真模拟，施工进度计划编制完成之后，将三维模型和进度计划同时导入到软件中，将时间节点数据赋予到三维BIM模型中，BIM模型与进度计划相关联形成4D进度模型［23］，建造过程以模拟动画的方式呈现出来。拖动进度甘特图可动态查看施工进展情况，图13所示为混凝土浇筑工艺节点的施工情况。通过施工模拟可以形象直观地观察工程的施工进度，各部门之间还可以实时共享项目进程中的信息数据，提高了部门之间的协同工作效率。在施工仿真模拟中各部门也能及时发现可能出现的问题，检验进度计划的编制逻辑关系是否合理，关键节点工期是否符合要求，如有问题能提前制定相应的解决或者规避措施。生成的施工模拟视频可用于施工交底，使施工人员提前了解工程特点、施工方法等，从而更好地展开施工前预防和施工中指导工作，不仅能有效掌控施工进度，而且可以减少工程变更，提高工程整体质量。关联后的4D进度模型还可用于进度计划管控中的资源优化，以及在5D成本管理中进行延伸应用。

4基于BIM的运维管理平台搭建

4.1运维管理平台搭建

运维阶段是升船机全生命周期中最长的阶段［24］，状态监测、保养和维护、数据管理等工作都是升船机运维工作中非常重要的部分，在运维管理阶段引入 BIM 技术可以获得显著效益［25］。基于BIM技术，结合升船机运维管理需求，本着实用性、安全性、开放性等原则，

借助IDEA编辑器、VSCODE软件和MySQL等软件进行代码编写，建立了基于BIM技术的智慧运维管理平台，系统架构如图14所示，平台系统整体架构设计自下往上共5层。

（1） 基础设备层。基础设备层主要负责数据的采集和传输，通过各种设备采集到大量检测数据和人员操作日志信息，完成数据的采集工作，通过网络传输到数据存储层。

（2） 数据存储层。通过基础设备层采集的数据，对传来的数据经过计算处理后生成相应的数据模块，并进行数据模块配置，实现数据库对数据的分类存储。

（3） 业务层。将用户按照不同的权限分为升船机调度人员、升船机检测人员两个子平台，针对不同用户开放不一样的业务功能，升船机调度人员功能模块主要包括模型展示、维护保养以及数据检测等功能；升船机检测人员功能模块主要包括模型展示、维护保养、运行日志记录和仓储管理等功能。

（4） 展示层。提供多种形式页面数据展示选项，可以实现大屏、网络端、移动端的查看、分析，提供易用、便捷的交互页面，提升管理的便捷性。

（5） 前端。针对前端展示层使用JS、CSS、HTML、Vue框架等技术，将前端页面设计的越简洁易读，系统的易用性越高。

4.2运维管理系统功能实现

（1） 可视化展示。

如图15所示，该平台数据展示中心模块可对升船机三维BIM模型进行可视化展示，便于管理者对升船机进行整体把控。

（2） 水位监测。

水位的控制直接影响到升船机的升降平稳性，通过合理控制水位，可以减少升降时间，提高升船机的作业效率。如图16所示，该平台实现了升船机水位的动态实时监测，将监测数据信息提取展示到运维管理平台页面中，包括船厢水位监测数据、下游及下游水位监测数据、降雨量数据等，可帮助工作人员更好地掌握水位变化情况，有助于降低船厢运行对接安全风险，提高升船机运行效率。

（3） 升船机状态监测及动态响应。

利用传感器可对升船机状态进行实时监测，升船机工作人员可通过传递的数据信息确定设备的运行状态。如图17所示，当升船机状态异常时可发出响应提示，并将响应数据报送给工作人员，工作人员点击查看之后便能读取警情信息，并根据信息开展应急措施进行维护，维护后的日志数据可在图18的页面中进行记录，方便后续查看。

（4） 物资仓储。

如图19所示，物资仓储模块主要用于管理和控制升船机运维过程中所需的物资和设备，包括供应商管理、物资管理、入库管理、出库管理、设备模型管理5个子模块，该模块覆盖了升船机的所有记录信息，保证了所需物资的及时供应和合理利用。

5結 论

（1） BIM为升船机设计提供了强有力的技术支持，提高了模型设计的质量和效率。在BIM模型的基础上，对升船机进行数值模拟分析和可视化仿真模拟，提高了设计质量，优化了设计流程，为类似设计工作提供了可参考的路径。

（2） 基于BIM技术对升船机进行施工进度计划编制和施工仿真模拟工作，有利于对项目进度进行合理管控，便于工作人员更好地展开施工前预防和施工中指导等工作，也就有利于减少工程变更。

（3） 基于BIM技术的升船机运维管理平台搭建为升船机提供了统一管理的媒介，实现了升船机三维模型展示、水位监测以及状态监测等功能，为升船机运维管理工作提供了参考依据。

本文将BIM技术应用于升船机全生命周期的各个阶段，一定程度上改善了升船机各阶段协调难、数据乱、管理低效等难题，但是应用深度还有待加强，期望在今后工作中能够进一步深入探索，为升船机乃至水利工程数字孪生建设和数智化建设提供参考。

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（编辑：胡旭东）