張洪波，王 麗，任加銳

（1.淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 淮安 223300；2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

BIM（Building Information Modeling），是建筑信息模型的簡(jiǎn)稱，通過(guò)對(duì)建筑信息的數(shù)據(jù)化、信息化、模型化整合，在工程決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)等階段進(jìn)行信息的共享和傳遞，在平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息共享和交流，使工程技術(shù)人員正確理解各種建筑信息，作出高效應(yīng)對(duì)，從而提高工作效率。目前，BIM技術(shù)由于具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、模擬性、可出圖等突出特點(diǎn)，在建筑行業(yè)運(yùn)用日益廣泛，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約工程成本、縮短工期等方面發(fā)揮了重要作用[1]。

水利工程通常是由國(guó)家主導(dǎo)建設(shè)、事關(guān)民生的大型基礎(chǔ)工程，具有工程類型復(fù)雜、涉及專業(yè)多、工程地點(diǎn)分散、工程周期長(zhǎng)、投資巨大等特點(diǎn)，給工程決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)等帶來(lái)較大的難度。因此，在水利工程項(xiàng)目的全壽命周期推廣BIM技術(shù)非常重要。水利工程全壽命周期少則幾十年，多則上百年，甚至更長(zhǎng)，而施工階段僅僅幾年，因此，BIM技術(shù)在全壽命周期內(nèi)的運(yùn)用應(yīng)重點(diǎn)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段[2]。本文以淮安市古鹽河西安路節(jié)制閘工程為研究對(duì)象，介紹BIM技術(shù)在水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)用，工程全壽命階段劃分見圖1。

圖1 工程全壽命期階段劃分圖

1 工程概況

古鹽河開通于明萬(wàn)歷十年，其路線自文華寺經(jīng)淮安武墩、楊廟入京杭大運(yùn)河?，F(xiàn)狀河道長(zhǎng)16.2 km，排澇面積124 km2。古鹽河西安路節(jié)制閘位于淮安市古鹽河上，主要作用為河道上游蓄水，保持河道景觀水位；汛期承擔(dān)泄洪任務(wù)，保證片區(qū)行洪安全；承擔(dān)分洪任務(wù)，為古鹽河上游分段排澇提供前提條件。節(jié)制閘采用單塊42 m 氣盾壩型式，兩側(cè)岸墻設(shè)控制樓、管理所，中間設(shè)懸索橋連接兩岸。

節(jié)制閘中心線與河道中心線一致，采用氣盾壩型式，閘門形式為雙主橫梁實(shí)腹式結(jié)構(gòu)，閘門門葉實(shí)際尺寸為寬42 m，高6 m，擋水高度4.56 m。閘室為開敞式平底板結(jié)構(gòu)，1 孔，單孔凈寬為42 m。底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)18m，閘室底板頂面高程3.22 m，閘墩頂高程9.00 m。閘上下游均設(shè)置擋墻與河岸相連接。閘身上游河底布置12 m 長(zhǎng)C25 鋼筋混凝土鋪蓋，河底高程3.22 m。

2 三維協(xié)同設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目準(zhǔn)備

項(xiàng)目組成立之初，編制了BIM正向設(shè)計(jì)工作大綱，通過(guò)Vault 服務(wù)端部署B(yǎng)IM 工作平臺(tái)（圖2），在平臺(tái)上進(jìn)行項(xiàng)目管理設(shè)置，包括統(tǒng)一的工作空間、工作環(huán)境，定義統(tǒng)一的定位坐標(biāo)系，建立各層次工作目錄，分配各專業(yè)工作任務(wù)，合理劃分模型；根據(jù)組織分工劃分管理人員組織與權(quán)限分配，并按質(zhì)量管理體系建立本項(xiàng)目文件管理結(jié)構(gòu)，通過(guò)Vault 項(xiàng)目管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘各專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同。

圖2 Vault 服務(wù)端部署B(yǎng)IM 工作平臺(tái)圖

2.2 設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用Revit 軟件，平臺(tái)基礎(chǔ)功能完善、專業(yè)模塊齊全、大模型處理能力強(qiáng)，是基礎(chǔ)設(shè)施工程領(lǐng)域優(yōu)秀的BIM軟件。

2.3 項(xiàng)目決策

在古鹽河西安路閘工程閘址比選階段，將Revit 生成的方案三維圖與傾斜攝影測(cè)量獲得的三維地形地貌圖進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)方案比選可視化、直觀化。在節(jié)制閘門型比選時(shí)，利用Inventor 建立精確的氣盾壩與鋼壩門體結(jié)構(gòu)三維裝配圖，并應(yīng)用iLogical 編制出圖程序，生成門體結(jié)構(gòu)材料明細(xì)表，方便進(jìn)行閘門選型經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。氣盾壩與鋼壩門體結(jié)構(gòu)見圖3。

通過(guò)BIM+ARCGIS+傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，在超圖GIS 平臺(tái)上集成節(jié)制閘BIM模型與三維實(shí)景模型，更加直觀的反映工程與周邊環(huán)境關(guān)系，輔助總體布置和方案比選，見圖4。從而有效的提升設(shè)計(jì)效率，輔助建設(shè)方快速?zèng)Q策，縮短設(shè)計(jì)周期，加快工程建設(shè)總進(jìn)度。

圖3 氣盾壩與鋼壩門體結(jié)構(gòu)圖

圖4 項(xiàng)目選址地形圖

2.4 主體協(xié)同設(shè)計(jì)運(yùn)用

1）為滿足節(jié)制閘水景觀及兩岸溝通的需要，采用懸索橋方案連接兩側(cè)人行交通。懸索橋設(shè)計(jì)采用單跨雙支點(diǎn)懸索結(jié)構(gòu)，橋梁跨徑56 m，矢跨比為1/10。節(jié)制閘控制樓設(shè)計(jì)為兩幢塔樓，在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)懸索橋相連通，形成一道美麗的天際線，突出建筑與水環(huán)境、水景觀、水文化的融合，見圖5。

圖5 項(xiàng)目全景三維模擬圖

2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用Revit 強(qiáng)大的建模能力，將Revit 建立三維模型導(dǎo)入有限元軟件邁達(dá)斯GTS 進(jìn)行三維仿真模擬，節(jié)制閘結(jié)構(gòu)分塊較多，利用GTS 結(jié)構(gòu)模塊，進(jìn)行施工分步三維有限元計(jì)算[3]。首先在系統(tǒng)中進(jìn)行位移清零，對(duì)地基上、中、下游底板進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算；然后分別對(duì)左側(cè)上游和下游底板和翼墻墻身進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算；再對(duì)右側(cè)上游、下游底板和翼墻墻身進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算；最后對(duì)左右兩側(cè)上游、下游的回填土等進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，得到施工每一個(gè)分塊的應(yīng)力沉降成果，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)，見圖6、圖7。

圖6 地基應(yīng)力沉降有限元計(jì)算示意圖

圖7 底板、墻身應(yīng)力沉降有限元計(jì)算示意圖

3）利用邁達(dá)斯GTS 滲流模塊，精確模擬節(jié)制閘的三維滲流，得到結(jié)構(gòu)整體任意一點(diǎn)的水頭壓力，通過(guò)仿真精細(xì)化模擬計(jì)算，得出節(jié)制閘上下游水面線、水流流速分布、閘門不同開啟方式時(shí)閘門下游水流流速分布，更進(jìn)一步的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖8。

圖8 水頭壓力模擬示意圖

4）利用邁達(dá)斯NFX 的CFD 模塊，對(duì)節(jié)制閘蓄水運(yùn)行工況、排澇工況及閘門瞬態(tài)運(yùn)行的水流流態(tài)進(jìn)行模擬分析，輔助工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)值模擬，得到不同運(yùn)行工況下節(jié)制閘下水流的流動(dòng)規(guī)律，可為節(jié)制閘的運(yùn)行管理、優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)[4]，見圖9。

圖9 閘門瞬態(tài)運(yùn)行的水流流態(tài)模擬圖

5）工程上下游連接段擋土墻結(jié)構(gòu)相似、規(guī)格眾多，手動(dòng)建模周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)中采用基于Dynamo 異型結(jié)構(gòu)的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中直接對(duì)尺寸、結(jié)構(gòu)形式、墻高、墻厚、前趾、底板厚等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)是否需要出坎、是否有踢腳、是否進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算作出選擇，從而直接生成異型結(jié)構(gòu)擋土墻，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，見圖10。

圖10 異型結(jié)構(gòu)擋土墻示意圖

2.5 施工組織設(shè)計(jì)運(yùn)用

1）在施工組織設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)測(cè)量地形圖，應(yīng)用Civil 3D，根據(jù)測(cè)量地形圖，生成閘址周邊地形曲面，完成地形土方量河計(jì)算，自動(dòng)生成土方施工圖，用不同的顏色和樣式來(lái)反映每個(gè)地塊的填挖方工作量。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)生成基坑開挖曲面、導(dǎo)流河設(shè)計(jì)曲面、上下游圍堰曲面并生成三維土方平衡計(jì)算體積曲面，指導(dǎo)工程總體土方平衡設(shè)計(jì)，為施工方案的確定、機(jī)械設(shè)備的選取提供依據(jù)，見圖11。

圖11 閘址周邊地形曲面圖

2）施工進(jìn)度模擬運(yùn)用。水利工程周期比較長(zhǎng)，事關(guān)民生，因此對(duì)工期要求比較嚴(yán)格。施工總布置圖規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引入時(shí)間軸參數(shù)，根據(jù)工期的推進(jìn)展示不同的時(shí)段工程面貌。傳統(tǒng)的工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)僅展示了二維平面圖形，而BIM模型展示了工程三維成像，在BIM模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)BIM5D 技術(shù)結(jié)合進(jìn)度信息參數(shù)，工程按照每天、每周、每旬或每月的進(jìn)度要求對(duì)模型進(jìn)行分塊、分段、分層切割處理，從而實(shí)現(xiàn)以時(shí)間軸為驅(qū)動(dòng)的工程施工全過(guò)程模擬，展示各個(gè)階段的工程施工面貌，對(duì)工程進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控，有效保證各階段工作能在進(jìn)度計(jì)劃中完成。

2.6 工程報(bào)表運(yùn)用

成本控制是工程管理的關(guān)鍵目標(biāo)之一，工程量計(jì)算是實(shí)現(xiàn)成本有效控制的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致工程量計(jì)算難度大、精度低。BIM三維設(shè)計(jì)中，應(yīng)用NavisWorks 中Quantification模型算量功能，實(shí)現(xiàn)了一鍵就可以導(dǎo)出三維模型工程量，同時(shí)可以根據(jù)不同工作需求導(dǎo)出相應(yīng)的工程量報(bào)表，如招標(biāo)控制價(jià)、投標(biāo)報(bào)價(jià)、項(xiàng)目審計(jì)報(bào)表等，大大提高了工程量計(jì)算的準(zhǔn)確性，提升了工作效率。即使在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生了設(shè)計(jì)變更，也可以及時(shí)地對(duì)變更部分進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行總體工程量的累加、匯總，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，便于造價(jià)工程師編制工程量清單，協(xié)助進(jìn)行招投標(biāo)控制報(bào)價(jià)編制。

2.7 BIM 設(shè)計(jì)成果

BIM設(shè)計(jì)的成果包括三維信息模型、三維效果圖、二維圖紙剖切圖、管線碰撞檢測(cè)報(bào)告、各類工程量報(bào)表以及項(xiàng)目過(guò)程中的形成的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等。

1）通過(guò)BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維、可視化技術(shù)交底，通過(guò)對(duì)施工程序進(jìn)行分析，使技術(shù)交底這一關(guān)鍵的工作變得生動(dòng)、直觀、容易接受，實(shí)現(xiàn)各工種、各專業(yè)之間的有效配合、協(xié)同合作，有利于保證工程質(zhì)量與安全。

2）二維剖切圖紙是在三維模型復(fù)雜的部位進(jìn)行剖切，生成動(dòng)態(tài)的二維圖紙，降低了傳統(tǒng)“三視圖”的閱讀難度，便于對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜部位的認(rèn)識(shí)理解，提高設(shè)計(jì)效率，提高出圖效率與質(zhì)量。

3）各專業(yè)建模完成后，進(jìn)行模型的碰撞檢測(cè)，通過(guò)設(shè)定合理的規(guī)則自動(dòng)篩選出設(shè)計(jì)中主體結(jié)構(gòu)部分、安裝部分等存在不合理的地方，系統(tǒng)會(huì)以紅色部分顯示，便于方案修改、優(yōu)化，有助于各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，BIM 設(shè)計(jì)的成果包括三維信息模型、二維圖紙剖切圖、管線碰撞檢測(cè)報(bào)告、各類工程量報(bào)表，以及項(xiàng)目過(guò)程中的形成的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等。對(duì)于工程項(xiàng)目而言，高質(zhì)量的信息模型是實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在全生命周期內(nèi)應(yīng)用的基礎(chǔ)[5]，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少工程變更、節(jié)約工程投資，見圖12、圖13。

圖12 主體結(jié)構(gòu)管線碰撞圖

圖13 三維信息模型安裝部分碰撞圖

3 BIM 技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)

1）BIM、ARCGIS 等技術(shù)的綜合應(yīng)用，方便設(shè)計(jì)前期方案比較，使得與業(yè)主的匯報(bào)、溝通更加直觀、順暢，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)品質(zhì)。

2）BIM模型結(jié)合CAE 軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，大大提高了工程設(shè)計(jì)效率。各種可視化表達(dá)方式優(yōu)化了各專業(yè)設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)周期。

3）Dynamo 可視化編程及設(shè)計(jì)協(xié)同工具的應(yīng)用，在提高工作效率的同時(shí)提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量。施工實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)的研發(fā)，有效提高施工水平。

4）項(xiàng)目BIM技術(shù)的拓展應(yīng)用革新了水利工程項(xiàng)目傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段，提高了規(guī)劃設(shè)計(jì)精細(xì)度，推動(dòng)項(xiàng)目盡快落地，盡早發(fā)揮項(xiàng)目功能，帶來(lái)社會(huì)效益。

5）數(shù)字化管理系統(tǒng)的研發(fā)，拓展了BIM的應(yīng)用，推進(jìn)項(xiàng)目全生命周期管控。通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，有利于建立水利工程BIM標(biāo)準(zhǔn)化流程，為其他工程項(xiàng)目的實(shí)施提供寶貴的正向設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著BIM技術(shù)的推廣和工程建設(shè)的需要，BIM技術(shù)在水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景會(huì)非常廣闊。既能提升工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性；又可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，節(jié)約工期，節(jié)省成本；通過(guò)利用三維信息模型還可實(shí)現(xiàn)建設(shè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)化管理，提高工程質(zhì)量。