李佳雨桐

(水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

拱拜孜水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)，是柯克亞河上的控制性水利樞紐工程，工程主要任務(wù)為灌溉、防洪及城市工業(yè)供水。水庫總庫容5214萬m3，控制灌區(qū)灌溉面積14 000 hm2。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，由瀝青混凝心墻砂礫石壩、表孔溢洪洞、泄洪沖沙兼導流洞和引水洞組成。

1 研究背景

自2002年BIM被提出以來，已席卷全球整個工程建設(shè)行業(yè)。BIM的核心是協(xié)同，通過協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)效率的提升和設(shè)計手段的變革，讓設(shè)計人員從繁重的低技術(shù)含量、重復性勞動中解放出來，是一次重大的飛躍。

數(shù)字技術(shù)是當代設(shè)計企業(yè)煥發(fā)新活力的推動器，也是新環(huán)境下設(shè)計人員應(yīng)該為業(yè)主提供服務(wù)的一種手段和方法。由于BIM項目的可視化程度高，某種程度上是實際工程的具體展現(xiàn)，可以根據(jù)BIM項目的進度實時觀看、檢查、糾偏，并進行實際施工現(xiàn)場的場地布置，優(yōu)化工程設(shè)計及施工組織設(shè)計等，同時能夠提高工程設(shè)計的準確性、合理性，工程量的統(tǒng)計及項目的成本分析具有更高的可控性。將BIM技術(shù)應(yīng)用到水利工程勘察、設(shè)計、建造和管理中，已成為當前和今后發(fā)展的大趨勢。

雖然目前市面上沒有任何一款BIM軟件平臺是針對水利行業(yè)開發(fā)的，但同類設(shè)計軟件品類較多，功能較全，用戶只需根據(jù)自身需要及工程設(shè)計需求合理選擇即可出色完成各類工程設(shè)計。

本文主要根據(jù)土石壩設(shè)計的特點及設(shè)計成本的控制，采用歐特克(Autodesk)公司旗下產(chǎn)品(Autodesk Civil 3D、Autodesk Inventor、Autodesk Infraworks)開展前期規(guī)劃設(shè)計的探討。

2 模型創(chuàng)建

工程在應(yīng)用BIM技術(shù)的過程中，有以下難點問題：

(1)對天然地形地貌高精度還原難度大、數(shù)據(jù)量大。

(2)水工建筑物依地形地質(zhì)條件設(shè)計，多為非標準異形結(jié)構(gòu)。

(3)施工總布置建立在大尺寸工程區(qū)地形上，涵蓋所有專業(yè)建筑物，數(shù)據(jù)量也十分龐大。

根據(jù)軟件自身特色，將項目分為壩體設(shè)計、水工建筑物設(shè)計及施工總布置三個模塊。壩體設(shè)計模塊主要以Autodesk Civil 3D為主，建立測量專業(yè)地形地貌三維模型，進行各專業(yè)開挖、填筑設(shè)計；水工建筑物模塊主要以Autodesk Inventor為主，建立樞紐布置中各專業(yè)建筑物模型，進行結(jié)構(gòu)體型設(shè)計、驗算；施工總布置模塊主要以Autodesk InfraWorks為主，建立和集成施工總布置中各種建筑物、施工道路、臨建場地、設(shè)施模型，全局開展施工階段場地規(guī)劃設(shè)計。項目后期，最終成果均可在統(tǒng)一的Vault協(xié)同平臺上進行數(shù)據(jù)交互，在Autodesk Navisworks軟件中進行項目整體模型整合，進行三維可視化校審、碰撞檢查、進度模擬等工作。借助Autodesk BIM 360云平臺，開展項目參見各方的信息共享與協(xié)同工作。

2.1 壩體設(shè)計

由于項目全專業(yè)均是基于工程區(qū)地形、地質(zhì)開展設(shè)計，因此設(shè)計初期精確、可靠的勘測數(shù)據(jù)對后期模型的精準化建立尤為關(guān)鍵。通過本項目的方法研究，可將建模過程歸為以下幾步：

(1)根據(jù)地形圖資料及測量點、地物點建立地形曲面，確定推薦、比選壩軸線精確坐標。

(2)分別將兩壩軸線轉(zhuǎn)換為要素線，并將經(jīng)調(diào)洪演算計算的壩頂高程賦予兩壩軸線。

(3)確定各壩軸線放坡組名稱及放坡規(guī)則。

(4)通過放坡工具生成壩體曲面。

(5)依據(jù)規(guī)范選擇適宜本工程上壩路位置，并將其轉(zhuǎn)換為要素線，根據(jù)壩高選擇合適上壩坡度并賦予要素線。

(6)對上壩路進行放坡并粘貼至大壩放坡曲面，如圖1所示。

(7)對大壩及地形曲面求差，即可得壩體工程量。

圖1 按設(shè)計壩坡及上壩路坡度組建大壩模型

2.2 水工建筑物設(shè)計

水工建筑物往往具有結(jié)構(gòu)復雜、關(guān)聯(lián)性強等特點，通過Inventor進行參數(shù)化建模(見圖2)能在多方面把技術(shù)人員的想法通過立體圖形的形式形象表現(xiàn)出來，并且可通過裝配、計算、仿真等功能十分迅速有效地解決各類設(shè)計難題。

利用Inventor建模一般先對能夠較全面反映建筑物特征的工作平面進行概念草圖設(shè)計，再利用用戶自定義的尺寸或結(jié)構(gòu)計算得到的尺寸對草圖約束，使其自由度為零，在概念草圖的設(shè)計過程中，可使用草圖醫(yī)生檢查閉合后再進行下一步工作，接下來根據(jù)模型的特點做拉伸、放樣、掃掠等操作即可得到建筑物模型，最后還可根據(jù)項目的需要進行平、立、剖三維工程圖紙的繪制、剖面視圖下校核模型的準確性(見圖3)以及建筑物模型工程量的統(tǒng)計等。

2.3 施工總布置

Autodesk InfraWorks的三維設(shè)計與展示具有通用性強、高精度、易修改和三維可視化等優(yōu)點，通過其可以將Civil 3D中設(shè)計的曲面(IMX格式)以及Inventor中建立的建筑物模型(FBX、3DS格式)集成展示，并通過導入施工區(qū)域進行項目的臨建場地規(guī)劃、標準化建設(shè)、亮點策劃等，更加生動、全面、立體地反映整個工程，如圖4所示。

圖2 參數(shù)化驅(qū)動水工建筑物模型

圖3 使用剖面視圖校核模型

圖4 可視化進行施工臨建場地規(guī)劃

為了更生動地展示工程區(qū)開挖后及原始地貌，可以在Infraworks中將該區(qū)域的衛(wèi)星圖與地形信息通過坐標控制貼合在一起，起到更加真實的效果，其具體操作步驟如下：

(1)在Civil 3D 中通過“MAPCSASSING”命令賦予各設(shè)計曲面真實坐標系。

(2)通過“91位圖”等第三方地圖軟件下載帶坐標工程區(qū)衛(wèi)星圖片。

(3)在Infraworks中創(chuàng)建新模型，以IMX格式導入Civil 3D中設(shè)計曲面，以Raster格式導入第三方下載的衛(wèi)星圖片。

(4)以第一步中坐標系進行數(shù)據(jù)文件的配置，Infraworks將會自動根據(jù)兩者在坐標系中位置對其進行整合，如圖5所示。

三維地形地貌建立完成后即可利用軟件自帶功能進行道路、橋梁、場地的規(guī)劃設(shè)計，在設(shè)計路線及場地的選線過程中，可在Civil 3D中根據(jù)二維平面圖帶有高程屬性的線或多邊形以“Mapexport”命令導出為SDF格式，配置后即可得到其可視化后的場景，從而進行方案布置的最優(yōu)化，同時，在Infraworks中設(shè)計的道路及場地可準確、迅速、直觀地得到對應(yīng)的土方量，如圖6所示。此外，Infraworks還搭載了云平臺，包含了匯水分析、交通模擬、工作組間數(shù)據(jù)共享等功能，對設(shè)計、業(yè)主、施工方來說都是一場極大的變革。

圖5 按實際坐標系配置地形數(shù)據(jù)源

圖6 貼合地形準確進行道路設(shè)計及工程量計算

3 結(jié) 語

通過將BIM技術(shù)引入到土石壩仿真設(shè)計中，體現(xiàn)了其如下價值：

(1)利用三維可視化成果，可通過多視角審視和虛擬漫游等手段，實現(xiàn)工程問題前置，進而及早發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化設(shè)計。

(2)直觀可視化的三維模擬將以一種所見即所得的方式表達設(shè)計方案意圖，可有效地提高工程參建各方的溝通效率。

(3)通過參數(shù)化、關(guān)聯(lián)性及模板化設(shè)計，可以實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動下的模型適應(yīng)變形，并可在同類項目中實現(xiàn)設(shè)計成果的反復調(diào)用。

(4)通過精細化BIM模型設(shè)計，可準確對模型進行工程圖的繪制以及材料量清單的統(tǒng)計。

(5)三維可視化模型不僅可以模擬工程完建場景，還可提高設(shè)計方案的可讀性和項目校審核的精度，保證工程質(zhì)量。

水利工程BIM設(shè)計使設(shè)計方可以準確、及時、有效地表達設(shè)計意圖，加強了各專業(yè)間的協(xié)同合作能力，大大提高了工作效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了服務(wù)水平。