郭 瑞， 王 麗， 徐鵬飛， 邢 杰

(淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 淮安 223005)

在水利工程可行性研究設(shè)計(jì)過程中，站址及總體布置的比選是必不可少且至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)往往以CAD作圖為基礎(chǔ)，繪制不同方案進(jìn)行比選，不同方案三視圖繪制工作量大且繁瑣，各種方案比選往往也是自說自話，各方案優(yōu)缺點(diǎn)無法有效表達(dá)與傳遞，業(yè)主方就不能完全領(lǐng)會(huì)意圖，造成方案反復(fù)。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，基于GIS數(shù)據(jù)，應(yīng)用Infraworks、Civil 3D、Revit等軟件建立不同方案的三維模型，可直觀表達(dá)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，BIM數(shù)據(jù)的傳遞也可為方案比選提供精確的數(shù)據(jù)支撐。在西河泵站工程可研設(shè)計(jì)中，采用上述設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)工作效率，提升設(shè)計(jì)成果質(zhì)量。通過本文的研究，希望對(duì)水利工程中的GIS與BIM協(xié)同應(yīng)用起到一定的探索和借鑒作用。

1 工程概況

西河泵站工程位于中順大圍西干堤岐江河西出口的西河水閘西側(cè)，外臨磨刀門水道，主要功能為排澇，同時(shí)兼顧反向引水，排澇設(shè)計(jì)流量400 m3/s，引水設(shè)計(jì)流量145 m3/s。站身采用堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，采用8臺(tái)套豎井貫流泵機(jī)組，中間4臺(tái)套為雙向泵，其余4臺(tái)套為單向泵。單機(jī)排澇流量50 m3/s，反向灌溉流量36.25 m3/s，水泵葉輪直徑3.9 m，單機(jī)配套電機(jī)功率2 300 kW，總裝機(jī)容量18 400 kW，水泵與電機(jī)采用齒輪箱連接。工程主要建設(shè)內(nèi)容包括：泵房(站身)、翼墻、上下游連接段、交通橋、清污機(jī)橋、檢修間、控制樓及管理房、站區(qū)景觀綠化等。

2 模型建立

2.1 場(chǎng)地模型

Civil 3D可以利用高程數(shù)據(jù)建立三維的原始地形曲面，但眾所周知工程測(cè)量數(shù)據(jù)有限，平面范圍狹小，僅用測(cè)量數(shù)據(jù)建立三維場(chǎng)地模型不能給人以沉浸式的體驗(yàn)，也就失去三維模型最顯著的優(yōu)勢(shì)。而增大測(cè)量范圍又需要增加更多的投資，也超出規(guī)范規(guī)定的工程測(cè)量范圍要求，往往也不可行。為此，可借助GIS公開數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)疊加建立既滿足大范圍要求又滿足局部精度要求的三維地形。具體步驟及技術(shù)路線詳見圖1。

圖1 技術(shù)路線

(1)借助GIS下載與工程測(cè)量圖相同坐標(biāo)系的高程及影像數(shù)據(jù)。

(2)應(yīng)用Civil 3D，通過“創(chuàng)建曲面”命令自定義一個(gè)“原始地形曲面”，以“點(diǎn)文件”及 “點(diǎn)”方式向“原始地形曲面”添加地形數(shù)據(jù)來自動(dòng)生成曲面，通過編輯曲面，對(duì)生成的曲面進(jìn)行符合性檢查，排除奇異點(diǎn)，最后對(duì)曲面進(jìn)行平滑及簡(jiǎn)化處理。

(3)在Infraworks中將該區(qū)域的衛(wèi)星地圖與地形信息貼合在一起，從而起到非常好的渲染效果[1]。具體步驟如下：首先在Infraworks中通過數(shù)據(jù)源導(dǎo)入“AutoCAD Civil 3D dwg”命令將上述原始地形曲面導(dǎo)入；其次將下載好的區(qū)域衛(wèi)星圖片通過“Raster”插入到Infraworks中，Infraworks軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)兩者在坐標(biāo)系中的位置對(duì)他們進(jìn)行整合[2]。

2.2 方案模型

西河泵站主體水工建筑物包括站身、清污機(jī)橋、交通橋、上下游翼墻等。三維模型創(chuàng)建復(fù)雜，Autodesk AECC套件集提供了一整套解決方案，設(shè)計(jì)過程中采用Revit建立水工建筑物、房建、輔機(jī)、電氣、景觀等三維模型。

(1)基于Revit建立各方案的模型。Revit是為建筑信息模型而設(shè)立的系列軟件，為建筑工程行業(yè)提供BIM解決方案，是建筑全生命周期的BIM解決方案的基礎(chǔ)[3]。在Revit項(xiàng)目文件中繪制構(gòu)件首先選擇構(gòu)件的類型，然后修改構(gòu)件所需的具體參數(shù)來創(chuàng)建模型。但就水利工程設(shè)計(jì)而言，項(xiàng)目文件大多數(shù)情況下缺少合適的構(gòu)件類型，此時(shí)通過Revit強(qiáng)大的族功能，根據(jù)需求創(chuàng)建所需要的族。

族是組成項(xiàng)目的構(gòu)件，同時(shí)也是信息的載體，是Revit進(jìn)行水工建筑物構(gòu)件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是一個(gè)開放的幾何圖形創(chuàng)建系統(tǒng)。設(shè)計(jì)師能夠自主地創(chuàng)建形狀、構(gòu)思設(shè)計(jì)，并能按自己的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)思想進(jìn)行表達(dá)和調(diào)整。創(chuàng)建族的一般步驟為：①通過新建族菜單選擇合適的族樣板，作為水利工程而言一般選公制常規(guī)模型或公制輪廓族；②定義族的子類別，若選擇常規(guī)模型后，類別可不設(shè)置，系統(tǒng)默認(rèn)為常規(guī)模型；③繪制構(gòu)件幾何圖形所需的參照平面或參照線；④選擇合適的工作平面繪制模型的輪廓線，然后通過拉伸、融合、放樣等命令創(chuàng)建實(shí)心或空心的幾何圖形；⑤添加尺寸標(biāo)注對(duì)指定幾何圖形進(jìn)行參數(shù)化；⑥全部標(biāo)注尺寸以創(chuàng)建類型或?qū)嵗齾?shù)；⑦調(diào)整新模型以核對(duì)構(gòu)件行為是否正確；⑧用子類別和實(shí)體可見性設(shè)置設(shè)定二維和三維幾何圖形的顯示特征，包括模型顯示精細(xì)度、顯示方式；⑨通過指定不同的參數(shù)定義族類型的變化，但在水利工程設(shè)計(jì)中水工建筑物此項(xiàng)工作往往意義不大；⑩保存新定義的族，然后將其載人新項(xiàng)目并且觀察運(yùn)行狀態(tài)[4]。不同布置方案的BIM模型詳見圖2。

圖2 不同布置方案的BIM模型

(2)三維模型碰撞檢測(cè)。在三維模型中布置的各水工構(gòu)件之間是否有碰撞，可通過軟件的碰撞檢查功能進(jìn)行測(cè)試，如果有碰撞發(fā)生，則可調(diào)整尺寸或位置，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，避免錯(cuò)、漏、碰、缺等低級(jí)錯(cuò)誤的發(fā)生。

2.3 模型整合

在Infraworks中將三維場(chǎng)地模型與BIM模型進(jìn)行整合。具體步驟如下：①在Infraworks中通過數(shù)據(jù)源導(dǎo)入“Raster”命令將BIM模型導(dǎo)入；②在Infraworks中通過模型移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等命令對(duì)BIM模型進(jìn)行調(diào)整；③在三維地形中對(duì)場(chǎng)地地塊、道路、水域、河道進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 方案比選

在對(duì)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較時(shí)，三維BIM模型不僅可以直觀的進(jìn)行水流條件、交通條件、運(yùn)行管理?xiàng)l件等定性分析；BIM模型自帶的屬性還可以統(tǒng)計(jì)征占地、土方開挖等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。2種站址方案定性定量比選如下：

(1)方案二船閘位于西河水閘和西河泵站之間，對(duì)船閘和泵站正常運(yùn)行影響大，不利于樞紐功能充分發(fā)揮；岐江河側(cè)位置局促，由于緊鄰船閘，受船閘上下游引航道影響，即使將上游引河進(jìn)行拓寬，其水力條件仍較差，易產(chǎn)生回流和旋渦區(qū)，不利于樞紐工程正常運(yùn)行。

(2)方案二較方案一需多征占地約41.33 hm2。

(3)方案一需新開引河約620 m，開挖土方量約50.84萬m3，方案二需新開挖引河長(zhǎng)約1 060 m，開挖方量約86.92萬m3，東側(cè)位置較西側(cè)位置開挖土方多約36.08萬m3。

(4)方案二泵站距離西河水閘管理所位置較遠(yuǎn)，不利于樞紐運(yùn)行管理。

綜上，通過定性定量分析結(jié)果，推薦方案一，即西河水閘西側(cè)方案。

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比較， BIM+GIS在西河泵站工程設(shè)計(jì)中的協(xié)同應(yīng)用有著以下優(yōu)勢(shì)：

(1)通用性強(qiáng)。隨著BIM發(fā)展及大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，BIM+GIS的協(xié)同設(shè)計(jì)不僅可以服務(wù)于水利工程設(shè)計(jì)，該方法也可以在交通、市政、房建等多領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。文章中涉及的BIM軟件均為Autodesk公司產(chǎn)品，各軟件之間不存在壁壘，協(xié)同程度高，可高效精確地建立三維模型。

(2)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。Infraworks軟件強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)能力可直觀、真實(shí)地反映征占地、場(chǎng)地布置、交通布置等信息，Civil 3D可精確獲得土方信息，包括開挖量的計(jì)算和開挖邊線的確定等，為方案比選提高精確的數(shù)據(jù)支撐。

(3)良好的三維展示效果。Infraworks平臺(tái)能提供美觀的三維展示效果，可以用任意角度觀察工程的整體面貌或局部特征，增強(qiáng)觀察者沉浸式的體驗(yàn)，從而促進(jìn)方案高效傳遞。