暴占軍

（河南省豫北水利勘測設(shè)計院有限公司，河南 安陽 455000）

1 概述

隨著BIM技術(shù)發(fā)展，交通、建筑、市政、水利等越來越多的工程項目開始采用BIM技術(shù)，本文的BIM解決方案軟件平臺主要包含Civil3D、revit、inventor、infraworks360等一系列建模計算軟件。針對河道治理工程項目斷面圖繪制繁瑣、土方量計算不精確且效率低下、生成制圖工作量大等特點，對類似線性工程采用BIM技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。Civil3D是架構(gòu)在CAD之上的開發(fā)軟件，它包含CAD的所有功能，與CAD有高度一致的工作環(huán)境，突出優(yōu)勢是三維動態(tài)設(shè)計，它可以創(chuàng)建參數(shù)化信息模型，進(jìn)而批量生成橫斷面圖并完成土石方工程量的提取，且模型、圖紙、工程量呈動態(tài)關(guān)聯(lián)，遇到方案調(diào)整或變更只需修改相應(yīng)參數(shù)即可完成斷面圖及工程量的數(shù)據(jù)更新，極大地提高設(shè)計效率、節(jié)約設(shè)計成本。

2 應(yīng)用

多年來河道治理工程一直按照圖1所示流程設(shè)計，繪制斷面圖需耗費大量人力、物力，通過平均端面積法計算工程量誤差大，評審修改工作量較大，導(dǎo)致設(shè)計周期較長。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計流程圖

以連通渠工程做為BIM設(shè)計試點工程，將當(dāng)前迅猛發(fā)展的BIM技術(shù)移植入水利工程中，以應(yīng)對設(shè)計周期短、變更效率低下、算量不精確等問題，更好的適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求。本文介紹的河道BIM設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 BIM設(shè)計流程圖

2.1 創(chuàng)建地形曲面

根據(jù)測量提供的CAD圖形點、等高線或點數(shù)據(jù)文件等創(chuàng)建三維地形曲面，如圖3所示。

切換至三維模式檢查地形模型有無凹凸錯點，通過設(shè)置高程區(qū)間剔除錯點以修正地形，亦可手動加密點或添加等高線進(jìn)行修正，三維地形曲面精度與測量點或等高線密度呈正相關(guān)，還可添加邊界來裁剪工程范圍提高電腦運行速度。對于體量較大的模型筆者建議將地形曲面轉(zhuǎn)為LandXML格式，再導(dǎo)入定制的樣版文件里，通過該方式實現(xiàn)模型輕量且不會信息丟失。LandXML文件輸出方式如圖4所示。

圖4 LandXML文件輸出操作截圖

根據(jù)項目出圖要求及制圖規(guī)范，定制項目級成果輸出樣板文件，樣板文件包括文本類型、圖簽樣式、比例、各種尺寸標(biāo)注、注釋、圖框、標(biāo)尺等標(biāo)簽，如圖5所示。標(biāo)準(zhǔn)化模板利于實現(xiàn)斷面圖批量添加或修改尺寸和注釋信息，極大提高繪圖效率。模板文件可在工程設(shè)計中重復(fù)使用，隨著模板庫中樣板文件累積，將更大程度縮短設(shè)計周期。

圖5 橫斷面圖樣板文件

2.2 河道平面設(shè)計

河道平面設(shè)計要遵循以下原則：

（1）滿足區(qū)域水系規(guī)劃與防洪排澇的要求；

（2）處理好與現(xiàn)狀建筑物的銜接，保證區(qū)域安全、舒適。

（3）盡量減少沿河兩側(cè)已建成區(qū)（或半建成區(qū)）的建筑物拆遷。

（4）合理選擇橋涵閘位置，在滿足規(guī)范要求的前提下，盡可能縮短長度，降低工程造價。

（5）充分考慮水土保持、環(huán)境保護(hù)要求，盡量減少對區(qū)域水系的影響。

遵循以上原則基于civil3d路線命令進(jìn)行河道中心線平面設(shè)計，調(diào)取樣板文件中定制的樁號標(biāo)簽，設(shè)置采樣線間距創(chuàng)建樁號信息，如圖6所示，可以拖拽夾點或修改路線參數(shù)的方式優(yōu)化選線，標(biāo)注信息與路線圖形動態(tài)關(guān)聯(lián)，較CAD制圖平面設(shè)計方式效率提高60%以上，方案確定后導(dǎo)出放線坐標(biāo)數(shù)據(jù)報告，如圖7所示。

2.3 河道縱斷面設(shè)計

通過水力計算確定橫斷面樣式、河（渠）道縱坡并推求水面線，此步驟與以往設(shè)計并無不同，根據(jù)之前建立的三維地形曲面及河道中心線，激活縱斷圖命令以創(chuàng)建河道中心現(xiàn)狀縱斷圖，如圖8所示。

圖6 設(shè)計中心線及樁號信息注釋圖

圖7 設(shè)計中心線直曲表

圖8 現(xiàn)狀河道縱斷面圖

對于設(shè)計底高程、水位線等縱斷面圖創(chuàng)建，可通過縱斷面創(chuàng)建工具手動繪制，亦可通過數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入的方式進(jìn)行創(chuàng)建，縱斷圖設(shè)計信息，如圖9所示。

對于縱斷面的調(diào)整，可直接拖動設(shè)計線夾點，亦可編輯設(shè)計線的參數(shù)，需要說明的是civil3d縱斷標(biāo)注欄數(shù)據(jù)和圖形動態(tài)關(guān)聯(lián)，且自動填充數(shù)據(jù)，變更設(shè)計信息時圖形數(shù)據(jù)即時更新，與橫斷面圖類似，縱斷圖數(shù)據(jù)填充樣式、線型、比例及相關(guān)注釋信息均按照出圖樣式定制特有標(biāo)簽寫進(jìn)樣板文件，如圖10所示，從而大大提高繪圖效率。

2.4 裝配制作

本文闡述的裝配是civil3d漢譯專有名詞，即河道設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖，在civil3d中裝配是在Autodesk Subassembly Composer軟件中制作完成的，通過該軟件可將河道斷面設(shè)計要素按照計算機(jī)邏輯思維編譯成樣板，從而實現(xiàn)在河道模型創(chuàng)建過程中實現(xiàn)自動開挖回填及堤頂超高設(shè)計等；在裝配制作過程中，選擇性將部件進(jìn)行參數(shù)化定義，比如底寬、邊坡等，以便斷面尺寸變更時只需修改參數(shù)即可完成模型更新。Autodesk Subassembly Composer軟件操作界面，如圖11所示。

圖9 設(shè)計縱斷面圖

圖10 縱斷面圖樣板文件

通過對橫斷面中水位、底高程等標(biāo)注點進(jìn)行定義并賦予專屬代碼信息，以實現(xiàn)后期橫斷面批量化高程標(biāo)注，該代碼與樣板文件標(biāo)簽一一對應(yīng)。根據(jù)河道中心線、設(shè)計水位、渠道縱坡及橫斷面裝配創(chuàng)建河道模型，激活Civil3D道路命令依次載入設(shè)計底高程線、設(shè)計水位線、橫斷面裝配、三維地形曲面即可創(chuàng)建河道模型，如圖12所示，在渠道模型的基礎(chǔ)上進(jìn)而創(chuàng)建渠道開挖曲面，并指定對應(yīng)邏輯目標(biāo)，對于開挖曲面需按照渠道模型占地紅線添加邊界。創(chuàng)建變斷面樁號范圍河道模型輪廓，并通過該輪廓創(chuàng)建偏移路線，導(dǎo)入扭面裝配，依次指定路線偏移目標(biāo)及高程目標(biāo)，創(chuàng)建變斷面段河道模型，實現(xiàn)河道變斷面（扭面）模型，基于河道中心線創(chuàng)建采樣線并設(shè)置采樣樁號，激活橫斷面命令即可輸出采樣線對應(yīng)橫斷面圖。

圖12 河道開挖模型效果圖

2.5 橫斷面圖和工程量表

根據(jù)設(shè)計要求創(chuàng)建橫斷面圖及土石方工程量成果表，有了數(shù)字化信息模型，可以在渠道任意位置生成橫斷面，如圖13所示，較以往大量橫斷面逐一繪制的設(shè)計手段，大大提高出圖效率，同樣只需進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置就可以導(dǎo)出工程量表，如圖14所示。Civil3d土方量計算方法是：由測量地形圖或數(shù)據(jù)資料創(chuàng)建原始地形曲面，由設(shè)計縱斷面、參數(shù)化裝配及設(shè)計中心線創(chuàng)建河道開挖模型進(jìn)而創(chuàng)建開挖曲面，通過曲面疊加計算出每個高程點z值之差，利用精確的幾何模型來計算挖填方量。Civil3d可以根據(jù)需要算出不同分段的工程量，且導(dǎo)出對應(yīng)的文字報告。

圖13 橫斷面設(shè)計圖

圖14 工程量成果表

筆者通過與傳統(tǒng)二維河道設(shè)計成果、時效對比，采用civil3d進(jìn)行渠道設(shè)計，在河道中心線創(chuàng)建方面無需通過劃線命令逐段繪制并逐個設(shè)計轉(zhuǎn)彎段，且模型完成后，可根據(jù)需求導(dǎo)出橫斷面圖與工程量；由于模型參數(shù)化，后期應(yīng)對變更只需調(diào)整參數(shù)更新模型就可以完成所有繪圖工作，極大的提升設(shè)計質(zhì)量，減少出錯率，同時大大縮短了設(shè)計周期，真正做到提質(zhì)增效。通過civil3d計算得出本次工程開挖27.8萬m3，采用二維設(shè)計方式按照斷面面積法計算得出工程量為26.5萬m3，通過對比相差4.6%，有效驗證工程量準(zhǔn)確性。

3 技術(shù)亮點

3.1 可視化設(shè)計

civil3d可以創(chuàng)建復(fù)雜的三維地形，進(jìn)行方向、高程、坡度、流域等分析，并按照設(shè)計要求進(jìn)行河（渠）道開挖模擬，在方案論證階段呈現(xiàn)工程竣工效果，提供工程占地面積及土石方開挖等設(shè)計參數(shù)信息，以優(yōu)化設(shè)計方案。還可以將civil3d開挖模型導(dǎo)入其他三維軟件，比如fuzor、infraworks360等進(jìn)行項目工程區(qū)漫游動畫展示。

3.2 參數(shù)化設(shè)計

以往渠道設(shè)計是將渠道的平面圖、縱橫斷面、工程量，逐一繪制計算，圖量間彼此獨立無關(guān)聯(lián)，而在Civil3D中，工程項目就是一組動態(tài)關(guān)聯(lián)的模型，它能夠生成對應(yīng)的圖表，可以隨意提取所需要的數(shù)據(jù)信息。在cad模式下繪制橫斷面會根據(jù)渠道的長度及斷面?zhèn)€數(shù)花費大量的工時，尤其在變更時會非常的繁瑣耗時，且容易產(chǎn)生人為失誤，增大校審難度。采用BIM技術(shù)能完全避免這些問題，由于模型自身的參數(shù)化及動態(tài)關(guān)聯(lián)性，任何調(diào)整都會使模型和對應(yīng)參數(shù)同時發(fā)生變化，大幅度的提高了繪圖效率和工程可靠性。時效對比結(jié)果如圖15所示。

3.3 設(shè)計可持續(xù)性

連同渠設(shè)計過程中，根據(jù)水利工程制圖規(guī)范，定制了縱、橫斷面出圖樣式模板，同時還積累了不同斷面形式的河道裝配（圓形、梯形、矩形等），隨著模板庫建立及各式裝配的累積，在后續(xù)河道設(shè)計中即可調(diào)入使用，快速完成工程模型及算量，通過在連同渠試點項目的成功應(yīng)用，對于管線、道路、堤防等線性工程，該模板亦可大大提高設(shè)計效率。

圖15 時效對比結(jié)果

4 結(jié)語

雖然文章闡述的河道解決方案在斷面圖和土方計算上高效、準(zhǔn)確，但在河渠岔口及建筑物銜接等細(xì)節(jié)設(shè)計需結(jié)合revit等其他軟件解決，尚且無完美解決方案；其次連同渠位于華北平原開挖材質(zhì)為單一土方，對于山區(qū)河道需對不同材質(zhì)（如土、石、砂礫）分別計量的工程則需建立地質(zhì)模型，進(jìn)而提取不同地層間開挖方量，基于civil3d建立地質(zhì)模型仍存局限性。與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國BIM技術(shù)研究并不算晚，但受企業(yè)管理模式及行業(yè)技術(shù)特點等制約，導(dǎo)致BIM技術(shù)在水利行業(yè)普及率不高，因此筆者建議在當(dāng)前國內(nèi)大環(huán)境下，中小型設(shè)計院應(yīng)選擇合適切入點，以提高設(shè)計效率，提升設(shè)計質(zhì)量為宗旨，逐步實現(xiàn)技術(shù)改革工作。

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