石慶安，王茂洋，劉 明

[1.黔東南水利投資（集團）有限責(zé)任公司，貴州 凱里 556000；2.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000]

引 言

水利水電工程是我國國民經(jīng)濟中的基礎(chǔ)性設(shè)施，具有規(guī)模大、布置復(fù)雜、投資大、開發(fā)建設(shè)周期長、參與方眾多以及對社會、生態(tài)環(huán)境影響大等特點，工程的建造過程是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)的水利水電工程建設(shè)存在以下幾個問題：

1）設(shè)計方案的可施工性存在問題，導(dǎo)致設(shè)計變更頻繁。

2）進度管理難度大，需要計劃和控制每月、每周甚至每天的施工操作，動態(tài)地分配所需要的各種資源和工作空間。

3）成本管理難度大。施工周期較長，施工過程中存在較多不確定因素，對施工進度和方案造成影響，會導(dǎo)致無法預(yù)見的成本費用增加。

5DBIM技術(shù)，是在三維模型的基礎(chǔ)上添加時間、成本信息，形成的具有5個維度的建筑信息模型[1]。5DBIM技術(shù)以其可視化的進度模擬分析、精細化的成本動態(tài)控制等方面的優(yōu)勢，受到越來越廣泛的關(guān)注[2～3]。

隨著BIM在建筑領(lǐng)域的興起，水利水電工程也逐步引入BIM技術(shù)，但是由于起步較晚，且BIM軟件多針對建筑領(lǐng)域開發(fā)，造成其應(yīng)用相對滯后。目前BIM技術(shù)在水利水電工程領(lǐng)域的應(yīng)用還主要集中在三維設(shè)計方面，BIM的價值還主要體現(xiàn)在設(shè)計階段。而水利水電工程具有建設(shè)周期長、進度及成本管理難度大的特點，因此有必要進一步開展5DBIM技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用研究。

1 工程概況

宰章水庫工程位于貴州省從江縣丙妹鎮(zhèn)宰章村境內(nèi)，壩址距從江縣城6.0 km，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型，樞紐布置由面板堆石壩、右岸溢洪道、左岸導(dǎo)流及取水兼放空隧洞組成。大壩壩高82.5 m，壩頂高程361.5 m，水庫總庫容1 200萬m3。

2 大壩B IM模型構(gòu)建

BIM模型是5DBIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。宰章水庫大壩為面板堆石壩，壩體填筑是分期、分區(qū)進行的。

三維建模軟件采用Autodesk Civil 3D，該軟件是一款在AutoCAD的基礎(chǔ)上開發(fā)的面向土木工程行業(yè)的建筑信息模型（BIM）軟件。

利用該軟件進行大壩三維建模流程為：

1）首先導(dǎo)入勘測數(shù)據(jù)，進行數(shù)字地面模型（DEM）的建模；

2）進行壩基開挖設(shè)計；

3）生成地形體三維模型；

4）創(chuàng)建初步壩體三維模型，并與地形體進行布爾運算，得到最終大壩三維模型；

5）對大壩三維模型進行分區(qū)分期。

圖1為Civil 3D中大壩三維建模流程。

圖1 Civil 3D中大壩三維建模流程

2.1 地形體建模

地形曲面是生成地形體的基礎(chǔ)。Autodesk Civil 3D中有四種曲面類型，分別為三角網(wǎng)曲面、柵格曲面、三角網(wǎng)體積曲面、柵格體積曲面。三角網(wǎng)曲面是由不規(guī)則三角形所組成的眾多平面構(gòu)成，軟件會連結(jié)最接近的曲面點形成三角形。三角網(wǎng)曲面與柵格曲面具有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，前者適用于高低起伏較大的地形，后者適用較為平坦的地形。三角網(wǎng)體積曲面和柵格體積曲面可以用來計算挖填方的體積[4]。水利水電工程多建在高原或山區(qū)，地形起伏較大，因此，地形曲面采用三角網(wǎng)曲面類型較為適宜。

使用Civil 3D創(chuàng)建地形曲面的方法為：創(chuàng)建1個三角網(wǎng)曲面對象，在曲面對象定義中添加數(shù)據(jù)源（勘測數(shù)據(jù)）即可。

圖2為等高線創(chuàng)建地形曲面圖。

圖2 等高線創(chuàng)建地形曲面

建立好地形曲面后還需根據(jù)開挖設(shè)計資料對地形曲面進行開挖。具體方法為：首先根據(jù)設(shè)計資料創(chuàng)建開挖設(shè)計曲面；之后使用“提取曲面間最小距離”命令獲取開挖設(shè)計曲面與地形曲面的交線，將此交線作為邊界對開挖設(shè)計曲面進行裁剪；最后將地形曲面作為主體，通過粘合曲面命令將開挖設(shè)計曲面與地形曲面融合，生成開挖后的地形曲面。其中對于規(guī)則的開挖設(shè)計曲面，如邊坡開挖可以通過軟件的放坡功能生成，對于不規(guī)則的開挖設(shè)計曲面，如壩基開挖則需繪制多個斷面的開挖設(shè)計曲線，通過放樣生成。

Civil 3D 2016版本新增了直接從曲面提取實體功能，大大提高了地形實體的創(chuàng)建速度。開挖后的曲面即可使用從曲面提取實體工具，指定實體深度或高程生成地形體。需要注意的是地形實體所占的內(nèi)存較大，在不需要的情況下可以先隱藏起來。

圖3為宰章水庫地形實體建模成果。

圖3 地形體建模示例

2.2 壩體建模

壩體三維建模首先需要根據(jù)設(shè)計資料在原始等高線圖或設(shè)計資料建立壩軸線，之后為方便壩體建模，可以以壩軸線中心為原點建立用戶自定義坐標(biāo)系，然后通過三維旋轉(zhuǎn)、對齊、拉伸等操作，將壩體標(biāo)準(zhǔn)橫斷面輪廓線沿著壩軸線拉伸，得到壩體三維模型，將壩體與開挖后的地形體進行布爾差集運算，選擇保留壩體，圖4為壩體模型。

圖4 壩體初步模型

3 填筑單元劃分

宰章水庫大壩為面板堆石壩，面板堆石壩填筑一般是分期進行的，在每一個分期（階段）按照填筑物料的不同將壩體分為若干個分區(qū)，在各個分區(qū)逐層進行填筑，每個填筑層壩面劃分若干工作段進行流水施工，所以填筑單元劃分應(yīng)在大壩模型上按照各個分區(qū)填筑層的厚度劃分填筑層，每層再沿著河流方向或垂直河流方向劃分工作段形成填筑單元。

填筑單元數(shù)量較多，如果僅僅使用軟件的剖切功能進行手工剖切工作量大、效率低，且如果施工方案發(fā)生變化無法及時更新填筑單元模型，如何動態(tài)快捷地劃分填筑單元模型是一個關(guān)鍵。

本文采用VBA編程技術(shù)，對Autodesk Civil 3D進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了填筑單元模型的自動精確劃分功能。程序壩體進行剖分工作主要通過調(diào)用三維實體（3D Solid）對象的剖分（SliceSolid）方法，其主要思想是：針對要剖分的實體對象，選擇SliceSolid命令，利用不共線的三個點確定一個平面，并將該平面作為切割命令的執(zhí)行對象，將被剖分對象從切割面處切割開，再針對切割面兩側(cè)的實體進行編輯。

切分結(jié)果如圖5所示。

圖5 大壩填筑單元劃分成果

4 應(yīng)用分析

本文基于WebGL技術(shù)，采用B/S架構(gòu)，開發(fā)黔東南水利工程三維地理信息云平臺管理平臺，依托BIM模型，以項目溝通、成本管理、進度監(jiān)控為主線，為業(yè)主方、設(shè)計方及施工方提供統(tǒng)一的協(xié)同管理平臺，達到共享工程管理信息、落實工程管理環(huán)節(jié)責(zé)任、協(xié)調(diào)工程整體進度的目的[5]。見圖6。

圖6 平臺應(yīng)用

5 結(jié) 語

本文以從江縣宰章水庫為依托，進行5DBIM技術(shù)的應(yīng)用研究。通過Autodesk Civil 3D軟件完成了宰章水庫大壩BIM模型的構(gòu)建；填筑單元作為大壩5DBIM模型的基礎(chǔ)，具有劃分繁雜的問題，本文通過二次開發(fā)實現(xiàn)了填筑單元的自動劃分，對類似土石壩工程5D BIM技術(shù)的應(yīng)用具有借鑒意義；最后將BIM模型應(yīng)用于宰章水庫5D BIM管理平臺中，實現(xiàn)了進度、成本可視化管理，為參建各方提供了統(tǒng)一的協(xié)調(diào)溝通平臺。