摘要：簡述了位于四川省甘孜雅江縣境內(nèi)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(xiàng)挑戰(zhàn)，緊密結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際，從構(gòu)建三維模型、施工方案的模擬與優(yōu)化、BIM技術(shù)對施工現(xiàn)場管理和避免各類風(fēng)險的重要作用等方面詳細(xì)闡述了基于BIM技術(shù)的施工方法，為基礎(chǔ)工程施工應(yīng)用BIM技術(shù)提供了有益參考資料。

關(guān)鍵詞：山區(qū)水電站；攔河壩和拱壩；BIM技術(shù)；模擬與優(yōu)化；風(fēng)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(yīng)的地質(zhì)、氣象條件，常常面臨如巖石穩(wěn)定性不足、水文條件復(fù)雜多變等一系列技術(shù)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(shè)計精度和施工安全性提出了更高的要求。

在當(dāng)代建筑工程管理實(shí)踐中，BIM技術(shù)已經(jīng)顯現(xiàn)出其對于提升設(shè)計精確度、施工效率及項(xiàng)目可持續(xù)性的顯著貢獻(xiàn)。特別是在地理環(huán)境復(fù)雜、工程技術(shù)要求高的山區(qū)水電站攔河壩和拱壩工程領(lǐng)域，這一技術(shù)的應(yīng)用不僅促進(jìn)了信息的集成化管理，還有利于實(shí)現(xiàn)工程設(shè)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(nèi)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(wù)。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?？刂屏饔蛎娣e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(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。

水電站裝機(jī)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(dǎo)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(zhì)復(fù)雜

兩河口水電站壩址區(qū)域地形多變、險峻陡峭，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)板巖等多種復(fù)雜巖性，壩體設(shè)計和施工都必須考慮這些巖石的力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)的異質(zhì)性。例如變質(zhì)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(qiáng)的抗震和防洪能力。地震活動區(qū)域的壩體設(shè)計需要考慮地震力的作用，確保大壩結(jié)構(gòu)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(zhì)條件復(fù)雜，給工程施工帶來了極大的難度，不僅影響了材料的運(yùn)輸和機(jī)械的安置，也給現(xiàn)場作業(yè)安全帶來了風(fēng)險和考驗(yàn)。

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(jìn)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(qiáng)降水和冬季低溫都嚴(yán)重影響了施工作業(yè)的連續(xù)性和安全性。雨季可導(dǎo)致施工現(xiàn)場泥濘不堪，不僅機(jī)械難以操作，而且還可能引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)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(zhì)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(shè)備的安全構(gòu)成威脅。此外，雅礱江流域面積廣闊，在施工期間必須有嚴(yán)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(shù)難以適用。由于攔河壩和拱壩工程在復(fù)雜巖層地質(zhì)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(fù)雜地質(zhì)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(yuǎn)，不僅使得材料和設(shè)備的運(yùn)輸效率低、成本高，還使得施工期間的應(yīng)急響應(yīng)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(yán)重。季節(jié)性強(qiáng)降水和冬季低溫的極端氣候條件，嚴(yán)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(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性[2]。

3 基于BIM技術(shù)的施工方法

3.1 構(gòu)建三維模型

構(gòu)建三維模型不僅能夠精準(zhǔn)反映工程項(xiàng)目的物理和功能特性，還能為后續(xù)的施工管理和實(shí)時監(jiān)測打下基礎(chǔ)，幫助工程師在復(fù)雜的地形和地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計和預(yù)測。

3.1.1 構(gòu)建地形和地質(zhì)基礎(chǔ)模型

在構(gòu)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(gòu)建詳盡的地形和地質(zhì)基礎(chǔ)模型。該模型的構(gòu)建可以用公式（1）表達(dá)：

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(diǎn)的地質(zhì)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(zhǔn)確性和完整性[3]。

基于初始地形和地質(zhì)模型，采用體素化方法將連續(xù)的地質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以便進(jìn)行更精細(xì)的分析和計算。該轉(zhuǎn)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(zhì)數(shù)據(jù)的平均值。這種轉(zhuǎn)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(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)模型在施工過程中的實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整，引入了基于改進(jìn)的卡爾曼濾波算法的動態(tài)更新機(jī)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(shí)時更新可以用公式（3）、（4）進(jìn)行描述。

一是預(yù)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(shí)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(zhuǎn)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(shí)時更新，還提高了模型對未來施工變化的適應(yīng)能力和預(yù)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(yīng)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(jìn)行施工方案的模擬和優(yōu)化。遺傳算法是一種模仿生物進(jìn)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(jìn)候選解以逼近最優(yōu)解。

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

F（x）=αC（x）+βT（x） （5）

式中：F（x）是方案x的適應(yīng)度；C（x）是成本；T（x）是完成時間；α和β是權(quán)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(yīng)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(dá)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(dāng)前群體，F(xiàn)是適應(yīng)度函數(shù)。

交叉操作是隨機(jī)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(jī)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(yīng)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(jìn)行到滿足終止條件（預(yù)定迭代次數(shù)或適應(yīng)度不再顯著提高），最后選擇具有最高適應(yīng)度的施工方案作為最優(yōu)方案。

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

3.3.2 可監(jiān)控施工進(jìn)度與計劃偏差

BIM模型預(yù)計挖掘工程將在60天內(nèi)完成，通過其實(shí)時更新顯示施工團(tuán)隊只用58天就完成了挖掘任務(wù)，這不僅加快了工程進(jìn)度，還提升了施工效率。通過使用BIM技術(shù)，項(xiàng)目經(jīng)理能夠?qū)κ┕び媱澾M(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

3.3.3 可高標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控施工質(zhì)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(guān)鍵參數(shù)。通過BIM技術(shù)集成的檢測和記錄功能，可適時調(diào)整各項(xiàng)施工方案。通過實(shí)時監(jiān)控施工質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的施工質(zhì)量。

3.3.4 可促進(jìn)施工現(xiàn)場安全管理

通過BIM模型，安全負(fù)責(zé)人能夠預(yù)測潛在的安全隱患，并制定相應(yīng)的預(yù)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(xì)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(shù)對避免各類風(fēng)險的重要作用

3.4.1 動態(tài)預(yù)測地質(zhì)氣象環(huán)境風(fēng)險

在該項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計階段，BIM技術(shù)能夠提供施工現(xiàn)場地形、地質(zhì)、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(zhì)復(fù)雜導(dǎo)致的滑坡風(fēng)險區(qū)域，地質(zhì)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(shè)計提供了依據(jù)。

3.4.2 定量分析施工期間潛在風(fēng)險

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

3.4.3 實(shí)時監(jiān)控施工現(xiàn)場各類風(fēng)險

BIM模型集成了包括天氣預(yù)報在內(nèi)的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，幫助項(xiàng)目團(tuán)隊實(shí)時了解施工現(xiàn)場不安全狀態(tài)和各類+風(fēng)險。例如通過對比實(shí)際降水?dāng)?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(xiàng)目團(tuán)隊加強(qiáng)防洪措施、調(diào)整施工日程，以應(yīng)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(fēng)險

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

4 結(jié)束語

面對山區(qū)水電站施工的自然和技術(shù)挑戰(zhàn)，BIM技術(shù)的深度集成提供了新的思路與方法。不僅使項(xiàng)目管理者能夠從宏觀上把握施工進(jìn)度和資源動態(tài)，還允許他們在必要時進(jìn)行微觀調(diào)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(yīng)性，使得BIM技術(shù)成為當(dāng)前和未來大型工程項(xiàng)目不可或缺的工具。

參考文獻(xiàn)

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