陳 勤，周雪梅，賈 超

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003）

BIM技術(shù)近幾年來發(fā)展迅猛，廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)［1］、水利設(shè)計(jì)［2］、可視化仿真［3］、模型建立及應(yīng)用［4］、三維協(xié)同設(shè)計(jì)［5］等。

參數(shù)化建模是BIM設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，它不僅提供了可靠的數(shù)字建筑信息，提高業(yè)務(wù)流程的效率，還可以捕捉真正的設(shè)計(jì)本質(zhì)——設(shè)計(jì)師的意圖。越來越多的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到BIM的參數(shù)化建模在提高設(shè)計(jì)效率上的優(yōu)越性，在BIM模型的建立過程中利用參數(shù)來提高模型能力及模型更新意識(shí)，但這還只是針對(duì)某個(gè)具體的工程而言，其建立的數(shù)字模型在同類工程中的通用性不強(qiáng)。本文的復(fù)合壩BIM模型通過定義模型中各個(gè)建筑物之間的所有可能關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)了在同類工程中的通用性。

復(fù)合壩BIM模型更進(jìn)一步將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識(shí)，將知識(shí)融入到BIM模型中，即將知識(shí)融入到工程設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化［6］。

1 應(yīng)用背景

經(jīng)過近幾十年來水利水電工程的開發(fā)，大壩建壩的地形地質(zhì)條件愈加復(fù)雜多樣，采用傳統(tǒng)單一壩型建壩受到制約或在經(jīng)濟(jì)上不合理。復(fù)合壩結(jié)合了重力壩及土石壩的優(yōu)點(diǎn)，使其成為復(fù)雜地形地質(zhì)條件下建壩的一種高效解決方案。

復(fù)合壩通常包含泄水建筑物（底孔、表孔）、擋水建筑物（重力壩、土石壩）、連接建筑物（刺墻、擋土墻、裹頭）等。筆者統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)外部分已建（6座）和在建（6座）的復(fù)合壩工程及其典型布置，見表1。

表1 復(fù)合壩建筑物布置統(tǒng)計(jì)表

基于混合壩在工程設(shè)計(jì)中的普遍應(yīng)用，若每個(gè)復(fù)合壩工程分別建立BIM模型，將會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。正是為避免重復(fù)建模、反復(fù)建模，本文建立了復(fù)合壩的BIM通用模型。

復(fù)合壩的布置組合靈活多變，涉及的建筑物類型多，各建筑物需要滿足泄流規(guī)模、筑壩材料等工程需要，要實(shí)現(xiàn)建立BIM通用模型的目標(biāo)存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。

通過分析國內(nèi)外復(fù)合壩布置特點(diǎn)，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從工程設(shè)計(jì)需要出發(fā)，結(jié)合三維應(yīng)用技術(shù)，建立了復(fù)合壩BIM模型，如圖1所示。模型主要包含泄洪底孔、泄洪表孔、重力壩、刺墻、擋土墻、土石壩、裹頭等建筑物。

圖1 復(fù)合壩設(shè)計(jì)BIM通用模型簡圖

2 BIM幾何模型構(gòu)建

BIM模型實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，從本質(zhì)上講是構(gòu)建多個(gè)建筑物之間的“組合”設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)方面：一是建筑物自身的參數(shù)化設(shè)計(jì)，二是建筑物之間的關(guān)聯(lián)性參數(shù)化設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)BIM通用模型基于CATIA三維設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。在BIM幾何模型構(gòu)架建立中，探索了新的建模思路和方法，實(shí)現(xiàn)了幾何模型的全參數(shù)化設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵點(diǎn)如下：

（1）設(shè)置建筑物頂級(jí)控制平面

通過將建筑物與唯一的頂級(jí)控制平面進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)建筑物布置的開與關(guān)，在需要取消建筑物時(shí)，只需刪除其控制平面就能把與該建筑物有關(guān)的子集元素全部刪除，操作簡單方便，并且保證了模型樹的結(jié)構(gòu)清晰。

（2）通過體型參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)

利用構(gòu)件的體型參數(shù)來控制構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)性，簡化構(gòu)件間的參數(shù)設(shè)置問題，利用一套體型參數(shù)解決兩套參數(shù)化設(shè)計(jì)問題，建筑物體型參數(shù)的調(diào)整不僅能更新建筑物本身，也同時(shí)保證了整體模型的更新。

（3）變換建筑物草圖的約束方法

常規(guī)建模時(shí)，建筑物體型草圖通常采用幾何標(biāo)注的約束方法，但是幾何標(biāo)注約束對(duì)尺寸的正負(fù)值無法識(shí)別，一旦建筑物的布置方向發(fā)生改變，草圖會(huì)出現(xiàn)更新錯(cuò)誤而導(dǎo)致實(shí)體無法生成。通過引入與幾何標(biāo)注參數(shù)相關(guān)聯(lián)的外部參考元素對(duì)草圖進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)建筑物在變換任何位置情況下均能實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)更新。

（4）突破開挖參數(shù)化的技術(shù)難點(diǎn)

三維設(shè)計(jì)的開挖建模因?yàn)椴煌慕ㄖ镩_挖建模方法不同、耗時(shí)長、更新易出錯(cuò)等特點(diǎn)，使得其成為提高建模速度的一個(gè)制約因素。而參數(shù)化建模的開挖不僅涉及到建基面的參數(shù)化確定，更涉及到建筑物之間的參數(shù)化關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)開挖參數(shù)化是建立BIM通用模型的技術(shù)難點(diǎn)之一。但要滿足復(fù)合壩BIM通用模型的實(shí)際功能，就必須突破這一技術(shù)難點(diǎn)。本文的BIM通用模型在開挖參數(shù)化方面采取了如下的建模方法：通過建筑物開挖參數(shù)定義建基面；利用體型參數(shù)對(duì)開挖草圖進(jìn)行約束來定義建筑物之間的相互關(guān)聯(lián)。以此突破了開挖的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了開挖的參數(shù)化，該BIM通用模型的開挖面如圖2所示。

圖2 復(fù)合壩設(shè)計(jì)BIM通用模型開挖面簡圖

（5）充分利用知識(shí)工程

建立包括定位控制、體型控制、開挖及工程量四部分的參數(shù)集，實(shí)現(xiàn)高度的參數(shù)化。用設(shè)計(jì)表將控制某一類布置或體型的參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，建立工程布置數(shù)據(jù)庫方便調(diào)用；利用法則曲線和規(guī)則實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線的體型控制；利用模板簡化建模過程。

3 BIM數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

（1）滿足規(guī)范要求體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖

參數(shù)化建模使用參數(shù)（特性數(shù)值）來確定圖元的行為并定義模型組件之間的關(guān)系。這意味著設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或意圖可以在建模過程中加以捕捉。模型編輯工作變得更加簡單，還可以保留原始的設(shè)計(jì)意圖。通過將設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)嵌于參數(shù)之中，并對(duì)參數(shù)的取值范圍設(shè)置規(guī)則，如果參數(shù)取值符合設(shè)計(jì)規(guī)范，將得到正確的體型，否則會(huì)給出警告，以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

為模型添加注釋是為了融入模型設(shè)計(jì)及工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。通過這些注釋，可以對(duì)參數(shù)的取值、模型的操作進(jìn)行說明，并對(duì)參數(shù)的取值提供建議，為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見，更有利于BIM通用模型的應(yīng)用推廣。

（2）數(shù)據(jù)自動(dòng)化提取和復(fù)用

對(duì)于水利設(shè)計(jì)人員來說，對(duì)參數(shù)定義屬性的重大意義之一在于可以進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)和分析，而在BIM通用模型中完全是自動(dòng)化的，通過建立主要建筑物及開挖的工程量參數(shù)，并通過工程量表對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)工程量在任何模型信息修改后均能自動(dòng)更新。然后在三維模型中導(dǎo)入常用的三維算量軟件，套用清單后得到工程投資［7］。在工程布置修改后，工程量及投資均能自動(dòng)更新。避免二次建模、提高專業(yè)協(xié)作效率。

（3）輔助設(shè)計(jì)

樹木在視覺環(huán)境上是繁雜的，因此你最好靈活選擇一支變焦鏡頭，比如70-200mm來簡化畫面，壓縮樹木的透視，創(chuàng)造一個(gè)緊密的視野。沿用傳統(tǒng)的構(gòu)圖三等分原則，即地平線在下1/3處，讓枝葉填滿畫幅的上半部分。整體畫面充分體現(xiàn)森林的繁茂，帶給觀眾最直觀的沖擊。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算是水工設(shè)計(jì)的重要計(jì)算，常規(guī)設(shè)計(jì)是把建筑物體型劃分成為底板、胸墻、閘墩等不同部位，分別計(jì)算重量及測(cè)量型心位置，一旦體型變化，需要重新測(cè)量。為此推導(dǎo)出模型與計(jì)算表格之間的坐標(biāo)換算關(guān)系，這樣可以在三維中進(jìn)行一次測(cè)量，方便快捷地獲得結(jié)構(gòu)整體自重荷載及其型心，提高穩(wěn)定計(jì)算的效率。

4 應(yīng)用簡介

通過調(diào)整復(fù)合壩BIM通用模型參數(shù)，應(yīng)用于不同工程、不同壩址、不同的建筑物布置組合、不同的建筑物型式、不同壩高，實(shí)現(xiàn)模型的快速更新。應(yīng)用特點(diǎn)如下：

（1）不同工程

復(fù)合壩BIM通用模型在不同工程中的應(yīng)用步驟主要為：首先導(dǎo)入地形面形成新的工程地形體，再修改壩軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)，然后修改主要的布置定位控制元素，最后修改開挖控制參數(shù)，至此完成了復(fù)合壩BIM通用模型應(yīng)用于不同工程的操作，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的其它設(shè)計(jì)。

（2）不同壩址

水利水電工程在可研等前期設(shè)計(jì)階段，根據(jù)SL618-2013《水利水電工程可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》要求需要對(duì)壩址進(jìn)行綜合論證比較，設(shè)計(jì)工作重復(fù)繁瑣，復(fù)合壩BIM通用模型正是通過修改壩軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整壩址，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

（3）不同的建筑物布置組合

總結(jié)表1的復(fù)合壩布置，由于地形及河床地質(zhì)條件或工程布置的制約，泄水建筑物常存在底孔和表孔分別布置在左右兩岸的情況，為實(shí)現(xiàn)快速更新模型，實(shí)現(xiàn)模型中泄水建筑物位置調(diào)換問題，本BIM通用模型利用設(shè)計(jì)表將相關(guān)的布置參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，從而實(shí)現(xiàn)一鍵切換泄水建筑物布置。同時(shí)不同的地形地質(zhì)條件或不同的布置，通過調(diào)整建筑物的頂級(jí)控制平面，快速增減建筑物，實(shí)現(xiàn)不同建筑物的快速組合。

（4）不同建筑物體型

本BIM通用模型中所包含的所有建筑物的體型均可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行修改，舉例如下：

①在工程設(shè)計(jì)中，泄流規(guī)模的確定是后續(xù)工作開展的基礎(chǔ)，本BIM通用模型可以通過調(diào)整泄水建筑物的體型參數(shù)，快速實(shí)現(xiàn)不同泄流規(guī)模下的模型更新。

②擋土墻提供了扶壁式與重力式兩種型式，擋土墻的體型可以根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果修改相應(yīng)的參數(shù)即可得到。

③土石壩段根據(jù)不同的筑壩材料壩坡是不一樣的，通過修改上、下游壩坡坡比參數(shù)即可快速得到土石壩的體型。

（5）不同壩高

在前期設(shè)計(jì)階段，為了確定水利水電工程的規(guī)模，需要對(duì)正常蓄水位進(jìn)行比選，不同的正常蓄水位對(duì)應(yīng)不同的壩頂高程，而復(fù)合壩BIM通用模型可以通過修改壩頂高程參數(shù)即能快速地調(diào)整壩頂高程，同時(shí)保證基礎(chǔ)不變。

5 結(jié)語

基于CATIA三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過參數(shù)集驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)幾何信息，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水工建筑物的積木式組合布置；通過內(nèi)嵌設(shè)計(jì)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的智能化；利用BIM技術(shù)整合幾何模型和數(shù)據(jù)模型，搭建了模塊化的專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

BIM以數(shù)字建模信息為基礎(chǔ)，集成各種工業(yè)信息，以提高業(yè)務(wù)流程的效率。BIM使用參數(shù)化建筑建模生成可靠的數(shù)字建筑信息，并應(yīng)用到這些業(yè)務(wù)流程中。利用本BIM通用模型，最大程度的發(fā)揮出BIM的功能和價(jià)值，為BIM的參數(shù)化建模提供參考價(jià)值。

［1］張建平，余芳強(qiáng)，李丁.面向建筑全生命期的集成BIM建模技術(shù)研究［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2012（03）：6-14.

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