劉雪晴，田福文，劉 全，蔣俠宇，簡思彧

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072；2.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410007）

截流是水利水電工程建設(shè)中的關(guān)鍵步驟，是水利水電施工設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)［1］。隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，目前國內(nèi)外關(guān)于施工截流方面的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，但截流水力計(jì)算的效率還較低，還存在直觀性差、交互性低、截流計(jì)算結(jié)果的分享困難等難題［2］。本文旨在將水利工程截流水力計(jì)算系統(tǒng)通過BIM進(jìn)行可視化交互［3］，以水電站的BIM 3D模型作為基礎(chǔ)，通過與截流計(jì)算所需的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)輸出和導(dǎo)入，建立每個(gè)水力參數(shù)立體化、可視化的對應(yīng)關(guān)系。在研發(fā)的截流水力計(jì)算程序的基礎(chǔ)上，計(jì)算具體方案的截流水力參數(shù)，進(jìn)一步生成標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算成果算稿。為工程設(shè)計(jì)人員提供便利，提高工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)效率。

1 基于BIM的截流水力計(jì)算系統(tǒng)框架

1.1 水電工程截流BIM功能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)參數(shù)輸入方式專業(yè)名詞多、專業(yè)性較高，不具備對計(jì)算參數(shù)處理的直觀性，重復(fù)且單一的信息輸入容易出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤，出現(xiàn)錯(cuò)誤也較難發(fā)現(xiàn)［4］。為了解決截流計(jì)算參數(shù)輸入直觀性問題，針對一般性的截流系統(tǒng)的天然河槽、已有工程建筑、截流戧堤等對象建立相應(yīng)的BIM模型［5］；將截流計(jì)算的各工程計(jì)算參數(shù)與BIM圖形對象之間建立關(guān)聯(lián)。將工程參數(shù)所蘊(yùn)含的工程意義與實(shí)際工程圖形一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工程參數(shù)的可視化采集［6］。通過可視化實(shí)現(xiàn)直觀性與易檢查性，同時(shí)避免設(shè)計(jì)交流過程中概念理解問題導(dǎo)致的采集錯(cuò)誤。

目前專用計(jì)算系統(tǒng)的BIM實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案根據(jù)模型來源可以分為基于BIM平臺(tái)的方案和基于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）平臺(tái)的方案兩類［7］。兩類平臺(tái)都可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)的工程模型的可視化，也可以與專業(yè)計(jì)算平臺(tái)鏈接，構(gòu)建基于BIM的水電工程截流水力計(jì)算算稿系統(tǒng)。下面簡要說明二者的技術(shù)差異。

1）基于BIM平臺(tái)的技術(shù)方案?；贏utoCAD Revit、Dassault CATIA、Bently Microstation等產(chǎn)品進(jìn)行截流建筑物建模。由于它們都是建模和可視化集成平臺(tái)，因此建模完成后，即可使用這些平臺(tái)的二次開發(fā)工具將截流建筑物模型與截流參數(shù)和截流計(jì)算系統(tǒng)掛接起來成為截流計(jì)算系統(tǒng)［8］。計(jì)算完成后也可以使用BIM平臺(tái)完成計(jì)算結(jié)果的可視化。同時(shí)應(yīng)該看到，由于BIM平臺(tái)專注于工程技術(shù)特性，一般BIM平臺(tái)在模型的精細(xì)度和專業(yè)性方面十分強(qiáng)大，但是在模型的可視化效果和場景環(huán)境真實(shí)性方面要弱些。

2）基于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）平臺(tái)的方案。VR平臺(tái)的優(yōu)勢在于沉浸式可視化，一般需要使用3DSMAX、Rihno、Maya、AutoCAD等軟件建模后導(dǎo)入U(xiǎn)nity、Unreal、VRP等虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。使用3DS MAX、Rihno、Maya、AutoCAD等通用平臺(tái)進(jìn)行建模、模型處理、場景設(shè)計(jì)等功能，再將3DSMAX的模型導(dǎo)出到可視化平臺(tái)中，在VR平臺(tái)中進(jìn)一步的處理后發(fā)布。

考慮到設(shè)計(jì)銜接和行業(yè)易用性等，本文選擇基于BIM平臺(tái)的技術(shù)方案，基于BIM的截流水力計(jì)算可視化過程示意圖如圖1所示。

本文的BIM模型是通過在已經(jīng)建立的截流模型的基礎(chǔ)上，首先采集工程原始數(shù)據(jù)并將其寫入BIM模型，從而將模型按參數(shù)進(jìn)行更新。再導(dǎo)出截流計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，將其參與截流水力計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果參數(shù)再次導(dǎo)入BIM模型，直至完成截流計(jì)算，并導(dǎo)出。因此，主要步驟分為3個(gè)步驟。①建立壩區(qū)地形模型與截流建筑BIM模型。地形模型可通過DEM數(shù)據(jù)、等高線數(shù)據(jù)來構(gòu)建。截流BIM模型僅考慮截流建筑物與泄流建筑物，包括戧堤和分流泄水建筑物。具體的建?？捎肅ivil3D等三維建模工具實(shí)現(xiàn)。②采集BIM數(shù)據(jù)并將其寫入BIM模型。截流設(shè)計(jì)時(shí)一般包括了大量的方案，計(jì)算前需要將相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)寫入BIM模型，為計(jì)算做準(zhǔn)備。也可以保存BIM模型，為以后重用計(jì)算模型所用。③基于BIM提取截流水力計(jì)算參數(shù)。通過高級語言編程實(shí)現(xiàn)，訪問BIM模型提取截流水力計(jì)算參數(shù)。

1.2 水電工程截流水力計(jì)算算法研發(fā)

考慮到用戶的使用和算法的復(fù)雜度，本系統(tǒng)采用經(jīng)典水力學(xué)解算截流水力參數(shù)。一般的截流水力學(xué)計(jì)算模型采用水量平衡方程為基礎(chǔ)，計(jì)算龍口寬度與上游水位及下泄流量之間的關(guān)系。此外，本文的模型還考慮了河床的起伏變化和分流建筑物的巖坎對截流的影響。

針對河床的起伏問題，根據(jù)龍口寬度確定河床曲線計(jì)算范圍，計(jì)算得到河床過水面積、濕周等參數(shù)，利用平均高程計(jì)算龍口水力參數(shù)［9］。

針對分流建筑前的圍巖拆除不完整的情況，考慮巖坎對分流建筑泄漏能力的影響，計(jì)算分流建筑物的上游水位和下泄流量之間的關(guān)系［10］，用以計(jì)算和修正龍口水利參數(shù)。

在前述參數(shù)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，建立龍口寬度、分流建筑下泄流量、龍口水力參數(shù)和龍口泄量之間的關(guān)系，建立參數(shù)矩陣并通過對參數(shù)矩陣數(shù)據(jù)的比較求解截流水力參數(shù)［11］。經(jīng)典水力學(xué)方法計(jì)算截流水力參數(shù)的模型和討論已經(jīng)較為完善，本文不再累述。

1.3 截流水力計(jì)算自動(dòng)算稿研究

截流計(jì)算完成后，為了方便整理和審核計(jì)算結(jié)果，本系統(tǒng)還包括了算稿自動(dòng)生成功能。自動(dòng)選取、定位、導(dǎo)出截流水力計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，調(diào)整算稿格式并保存算稿文件，實(shí)現(xiàn)了截流水力計(jì)算算稿的智能化生成。

1.3.1 算稿模板的準(zhǔn)備

首先，通過分析多個(gè)工程截流的設(shè)計(jì)計(jì)算書文檔，提取和各工程截流計(jì)算書重用的內(nèi)容，建立截流計(jì)算算稿模板文檔，作為未來生成截流算稿的基礎(chǔ)［12］。算稿模板中根據(jù)工程變化的參數(shù)（如：工程名稱、截流流量等），將其中的參數(shù)所在位置以書簽標(biāo)注，方便計(jì)算機(jī)識別和替換，如圖2所示。

算稿輸出的具體步驟如圖3，包括：計(jì)算準(zhǔn)備（得到計(jì)算結(jié)果圖表及準(zhǔn)備算稿模板）、取得待導(dǎo)出水力參數(shù)數(shù)據(jù)、定位模板位置、輸出計(jì)算數(shù)據(jù)、調(diào)整數(shù)據(jù)格式等幾個(gè)主要部分組成。由于每個(gè)參數(shù)的參數(shù)類型、格式類型、導(dǎo)出方式、定位方式可能有所不同，通過逐個(gè)選取參數(shù)來建立算稿。

1.3.2 截流水力計(jì)算結(jié)果對象及其書簽約定

截流水力計(jì)算的結(jié)果可以分為數(shù)據(jù)、表格、圖檔等對象。其中，數(shù)據(jù)參數(shù)如表1；表格數(shù)據(jù)如表2；曲線圖檔如圖4。算稿生成系統(tǒng)的書簽位置約定針對數(shù)據(jù)對象稍有差異。對于文字，直接在文字所在部位添加書簽；對于表格，采用在表格標(biāo)題的末端添加書簽；對于圖片，采用在圖片名稱的上方換行一段以添加書簽。

表1 截流水力計(jì)算參數(shù)表

表2 截流水力參數(shù)解算矩陣表

1.3.3 導(dǎo)出數(shù)據(jù)和處理

前述手段導(dǎo)出的算稿已經(jīng)具備了基本的數(shù)據(jù)和圖表元素，但是與商用文檔要求還有一點(diǎn)距離。還需要進(jìn)一步對表格進(jìn)行格式處理，如添加表格線使之成為三線表格式；對長表格進(jìn)行拆分處理；對跨頁表格設(shè)置表頭重復(fù)；設(shè)置表格行距，圖表居中等。

2 工程應(yīng)用案例

大藤峽水利樞紐二期工程截流采用單戧立堵進(jìn)占，下游河床高程20 m，戧堤頂部高程0 m，戧堤頂部寬20 m，戧堤兩側(cè)平均邊坡系數(shù)1.75，河寬280 m，合龍時(shí)間預(yù)計(jì)36 h。計(jì)算工況截流設(shè)計(jì)流量取為2 380 m3／s，巖坎高度取0.5m，將相關(guān)參數(shù)代入即可完成截流計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)一步計(jì)算得到龍口寬度、龍口流速、單寬流量、上下游水位差、單寬功率等主要截流水力參數(shù)的變化過程，導(dǎo)出成為截流計(jì)算算稿的效果如圖5所示。

表3 龍口計(jì)算成果表（部分）

3 結(jié) 語

針對河道截流施工設(shè)計(jì)水力計(jì)算的直觀性差、標(biāo)準(zhǔn)化低、計(jì)算結(jié)果分享困難等問題，本研究提出了基于BIM模型的截流水力參數(shù)計(jì)算模型和算稿生成技術(shù)。其中，基于截流BIM將截流施工中的主要建筑物與其參數(shù)綁定，實(shí)現(xiàn)了截流參數(shù)的可視化；利用BIM進(jìn)行計(jì)算參數(shù)管理，利用經(jīng)典水力學(xué)模型進(jìn)行截流參數(shù)計(jì)算；在歸納截流算稿共通內(nèi)容的基礎(chǔ)上，利用算稿模板生成截流水力計(jì)算算稿。本研究成果一方面加強(qiáng)了計(jì)算參數(shù)化的可視化，降低了計(jì)算工作的抽象性；另一方面增加了計(jì)算結(jié)果的規(guī)范性和通用性，能減少設(shè)計(jì)人員的工作量、縮短設(shè)計(jì)周期，在工程領(lǐng)域擁有較大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。