舒裕仁,邱珍鋒*,王俊杰

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,BIM技術(shù)在建筑業(yè)施工生產(chǎn)管理過程中已經(jīng)被廣泛運(yùn)用。BIM技術(shù)在三維可視化和建筑信息傳遞與保存方面具有很大的優(yōu)勢。目前,BIM技術(shù)在水利工程建設(shè)領(lǐng)域的建模及應(yīng)用仍然較少,處于探索階段。李利劍[1]通過壩體變形數(shù)據(jù)運(yùn)用BIM技術(shù)建立了大數(shù)據(jù)處理模型實(shí)現(xiàn)壩體穩(wěn)定性監(jiān)測,較早期在壩體中埋入離層儀和應(yīng)力計(jì)的方式,監(jiān)測精度更高,數(shù)據(jù)更連續(xù),對壩體穩(wěn)定性問題預(yù)警更準(zhǔn)確。盧建華等[2]以物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算為核心信息技術(shù)建立基于BIM、GIS、傾斜攝影等組成的三維模型庫與儀器組件及水質(zhì)水文氣象等模型結(jié)合構(gòu)建了大壩安全數(shù)字管理平臺。具備全生命周期、實(shí)時動態(tài)、數(shù)據(jù)雙向流動的特點(diǎn),并應(yīng)用于梅山水庫項(xiàng)目中。石慶安等[3]通過Civil 3D軟件建立宰章水庫BIM模型,進(jìn)行2次開發(fā)解決了壩體填筑單元劃分困難的問題并將模型應(yīng)用于工程三維信息管理平臺。樊啟祥等[4]構(gòu)建了GIS+BIM+MIS技術(shù)的智能建造管理平臺具有實(shí)時動態(tài)分析和耦合仿真預(yù)測及交互協(xié)同調(diào)控等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)動態(tài)管理,解決復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境和人員設(shè)備流動變化,工程質(zhì)量施工安全和結(jié)構(gòu)安全控制問題。將其應(yīng)用于金沙江溪洛渡拱壩智能建設(shè)中使管理人員能迅速掌握一手?jǐn)?shù)據(jù)和現(xiàn)場生產(chǎn)情況。田會靜、曾寅等[5-6]利用BIM技術(shù)開展重力式大壩工程施工技術(shù)模擬研究,模擬優(yōu)化大壩混凝土施工技術(shù)參數(shù)并基于AHP評價(jià)方法分析BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用效果取得良好數(shù)據(jù)。本文對重慶市巫山縣廟堂水庫工程大壩樞紐工程項(xiàng)目相關(guān)結(jié)構(gòu)開展了三維信息模型搭建工作,分別采用Civil 3D及Revit 2種不同的BIM軟件進(jìn)行建模。對比2種建模方法在建模過程、建模效率、模型精度、工程量統(tǒng)計(jì)的不同,為類似工程BIM建模提供借鑒。

1 工程概況

重慶市巫山縣廟堂水庫工程位于重慶市巫山縣平河鄉(xiāng)后溪河上游河段。項(xiàng)目建成后總庫容1 064萬m3,有效庫容965萬m3,多年平均供水量1 881萬m3,灌溉面積4.425萬畝(1畝約等于666.67 m2)。廟堂水庫主體工程由水庫樞紐、借水工程、輸水線路三部分組成,其中水庫樞紐又由大壩擋水建筑物和泄水建筑物、取水建筑物組成。擋水建筑物壩型采用瀝青混凝土心墻堆石壩方案利用當(dāng)?shù)夭牧线M(jìn)行筑壩。壩頂高程1 121.00 m,壩頂寬9 m,壩頂長256.00 m。大壩上游邊坡采用二級坡,坡比為(1.0∶1.8)～(1.00∶1.24),折坡點(diǎn)高度1 055.00 m。下游壩坡設(shè)置有“之”字型上壩公路,坡比范圍為(1.00∶1.76)～(1.0∶1.3),下游高程1 052.00 m處設(shè)有寬60 m的平臺。心墻頂部高程1 118.50 m,最大高度103.50 m,頂寬0.6 m,底寬1.6 m,上下游設(shè)置有水平寬度3.0～3.5 m的過渡層。溢洪道位于左岸,為岸坡式正槽溢洪道,軸線順直布置與大壩軸線呈83.9°夾角。由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、消能段組成,全長1 111.50 m。

2 用Civil 3D建模方案

建模對象為大壩擋水建筑物及溢洪道,首先采用Civil 3D軟件進(jìn)行建模。將對象分為三部分:首先建立底部廊道及心墻模型;其次建大壩上下游部分模型;最后建立溢洪道部分模型。本文沒有采用部件編輯器進(jìn)行建模,而是用“要素線”“路線”“道路”等功能進(jìn)行建模。

2.1 底部廊道建模

在“要素線”選項(xiàng)中點(diǎn)選建立場地,選中相應(yīng)點(diǎn)后指定相應(yīng)高程或者距離、坡度,在放坡工具彈窗中創(chuàng)建放坡組對放坡面進(jìn)行放坡填充,最后生成壩基開挖面。選擇“路線”命令從對象創(chuàng)建路線并創(chuàng)建心墻中心線[7]。廊道通過多段線創(chuàng)建部件的方法建立,將廊道外截面二維多段線黏貼到Civil 3D中通過“創(chuàng)建設(shè)計(jì)”選項(xiàng)從多段線創(chuàng)建部件。選擇的廊道截面須由單一多段線圖元繪制。選中生成的部件修改好裝配原點(diǎn)后添加點(diǎn)代碼與線代碼及造型代碼。多個截面按上述方法依次生成部件添加到裝配最后提取實(shí)體。廊道隧洞同理,但是形成實(shí)心體后需要通過布爾運(yùn)算進(jìn)行多次剪切,最后得到有隧洞的廊道實(shí)體見圖1。

圖1 Civil 3D廊道實(shí)體模型

2.2 心墻建模

創(chuàng)建心墻裝配用連接代碼完成,需用到Civil 3D軟件內(nèi)部預(yù)設(shè)部件。首先確定心墻頂部高程并生成曲面。在左上角選項(xiàng)板中“常用部件”菜單中選擇“連接寬度與坡度”命令確定心墻底部的水平位置與長度。選擇“連接偏移與高程”命令確定心墻底部至頂面相對高程。選擇“指向曲面的連接坡度”命令建立心墻頂部并設(shè)立邏輯目標(biāo)使其連接相應(yīng)曲面。選擇“連接寬度與坡度”命令確定心墻頂部的位置與長度并將心墻頂部與底部相連。在操作過程中輸入的對應(yīng)寬度、高程、坡度等參數(shù)均來自心墻的二維CAD圖紙數(shù)據(jù)。最后給心墻頂部添加“指向標(biāo)記點(diǎn)的連接”命令,將心墻部件截面沿道路的方向上進(jìn)行連接。選擇心墻中心線,目標(biāo)曲面選擇心墻頂部曲面創(chuàng)建心墻道路。檢查代碼是否重復(fù)并刪除不需要的代碼,從曲面提取實(shí)體,心墻實(shí)體建立完成見圖2。

圖2 Civil 3D心墻實(shí)體模型

2.3 大壩上下游及溢洪道建模

選擇常用構(gòu)件“指向高程的連接坡度”選項(xiàng),指定目標(biāo)高程與相應(yīng)坡度建立大壩上游裝配。創(chuàng)建道路命名為“大壩壩面”。選擇常用構(gòu)件“連接寬度與坡度”選項(xiàng),在上游壩坡面上指定相應(yīng)寬度與坡度建立平臺。選擇“指向高程的連接坡度”選項(xiàng)建立第2個壩坡面。因大壩上游壩面在地形曲面之上,故需為壩面尋找邏輯目標(biāo)。選擇“大壩壩面”選項(xiàng)點(diǎn)選“特性”命令在彈窗中選擇“設(shè)定目標(biāo)映射”,在新彈窗中指定目標(biāo)曲面,選擇地形曲面為目標(biāo)曲面重新生成道路。在“分析”選項(xiàng)卡中選擇“曲面之間最小距離”選項(xiàng)依次選擇大壩曲面與地形曲面,在“是否縮放到點(diǎn)”選項(xiàng)中選擇“否”,在“是否將相交部分連線轉(zhuǎn)換成CAD多段線”選項(xiàng)中選擇“是”。因二維圖紙的不精確導(dǎo)致生成的交線有中斷,故將交線轉(zhuǎn)換成二維多段線進(jìn)行閉合。從曲面提取實(shí)體建立大壩上游壩體模型。因下游壩坡面有馬道,故采用繪制要素線的方法建立。首先新建立場地,在場地中根據(jù)馬道輪廓及壩面輪廓繪制相應(yīng)高程的要素線再生成曲面。將下游壩面曲面與地形曲面取交線進(jìn)行裁剪后通過曲面生成帶有馬道的下游壩坡面見圖3。

圖3 Civil 3D大壩實(shí)體模型

3 用Revit建模方案

3.1 模型拆分

用Revit進(jìn)行參數(shù)化建模需對模型進(jìn)行拆分。拆分的詳細(xì)程度越高可以提高族庫的重復(fù)利用性[8]。因廟堂水庫壩型為瀝青混凝土心墻壩,故在拆分模型時考慮橫向和縱向2個方向進(jìn)行拆分。本文根據(jù)實(shí)際需求用橫向和縱向結(jié)合的方法將瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行拆分?？v向上,將模型按壩頂、心墻及基座、灌漿廊道拆分;橫向上,按上游壩坡、心墻過渡層、心墻,拆分見圖4。

3.2 建模思路

將模型進(jìn)行拆分后再對各個部件進(jìn)行參數(shù)化建模。對各部件建立相應(yīng)的構(gòu)件族庫,通過標(biāo)高及軸網(wǎng)進(jìn)行定位,用搭積木的方式進(jìn)行裝配[9]。對于相似部件只需調(diào)整相應(yīng)參數(shù)值即可重復(fù)利用減少了工作量節(jié)省時間。具體思路如下:選擇合適的族樣板創(chuàng)建族文件;創(chuàng)建參照平面;通過拉伸、放樣、融合等命令定義族構(gòu)件尺寸創(chuàng)建構(gòu)件實(shí)體形狀;添加尺寸參數(shù)并進(jìn)行調(diào)試;添加材質(zhì)及其他屬性;按以上步驟建立各構(gòu)件族形成構(gòu)件族庫;選擇項(xiàng)目樣板創(chuàng)建項(xiàng)目文件;將構(gòu)件載入項(xiàng)目文件創(chuàng)建實(shí)例模型;建好軸網(wǎng)標(biāo)高定位構(gòu)件模型;最后拼接各構(gòu)件模型形成建筑物整體模型,見圖5。

圖5 Revit建模流程

3.3 上下游壩體建模

擋水壩段按材料進(jìn)行分區(qū)拆分。一共分為5個部分:上游開挖料利用區(qū)(灰?guī)r夾頁巖料)、上下游灰?guī)r壩殼區(qū)(灰?guī)r料)、下游壩殼區(qū)(頁巖石渣料)、下游蓋重區(qū)(土石混合料)和下游排水區(qū)(灰?guī)r大塊石料)。因每個部分形狀不同且大多不是規(guī)則形狀,故需選擇既滿足水利工程需求同時通用程度較高的族樣板文件進(jìn)行模型創(chuàng)建。具體建模步驟如下:①首先新建族樣板文件,在對話框中選擇“公制常規(guī)模型”選項(xiàng)。②因各個部件形狀不規(guī)則且截面不斷改變,故需要多次使用“放樣融合”創(chuàng)建命令。選擇“放樣融合”創(chuàng)建命令,確定好所建部件2個截面相對高程及距離,分別對2個截面輪廓進(jìn)行參數(shù)化繪制。因?yàn)椴考螤畈灰?guī)則,其截面也是不規(guī)則圖形。截面輪廓的繪制可將CAD截面圖導(dǎo)入Revit使用。CAD截面圖導(dǎo)入Revit中需設(shè)置導(dǎo)入單位與導(dǎo)入位置[10]。Revit默認(rèn)單位是“英尺”或“英寸”需根據(jù) CAD圖比例進(jìn)行調(diào)整。定位設(shè)置設(shè)為“原點(diǎn)到原點(diǎn)”使模型坐標(biāo)統(tǒng)一。③繪制部件模型時對參數(shù)進(jìn)行修改,將截面尺寸標(biāo)注與選項(xiàng)卡中“標(biāo)簽”選項(xiàng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完成后要對參數(shù)進(jìn)行試調(diào)確保參數(shù)改變驅(qū)動模型變化。④部件形狀建好后進(jìn)行材料設(shè)置,考慮外觀顯示及材料不同,對每個部件新建材質(zhì)并按原材料命名。通過Revit中自帶材質(zhì)庫,選擇具有相似外觀表現(xiàn)與物理屬性的材料,并對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行調(diào)整來滿足工程需要,見圖6。

圖6 Revit壩體部分結(jié)構(gòu)模型

3.4 心墻及過度層建模

瀝青混凝土心墻厚度依照SL 501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》確定為0.6～1.6 m。考慮CAD圖紙存在角度誤差及Revit建模時產(chǎn)生的部件數(shù)量較多,一旦出現(xiàn)角度偏差難以調(diào)整,故在Revit建模過程中將心墻頂部與底部寬度保持一致。心墻截面形狀較為規(guī)則,心墻與壩基混凝土基座接觸處設(shè)置為弧形,以增加心墻與壩基基座的接觸面積,弧形半徑為0.3 m。心墻采用混凝土C25。在心墻厚度變化處進(jìn)行分段,因此將心墻分為三部分?？紤]到心墻除了厚度不一樣,其材料及物理屬性完全相同,心墻參數(shù)化建模以心墻厚度為變量,導(dǎo)入各段心墻截面圖,使用“拉伸”創(chuàng)建命令,后面步驟與建立壩體過程一樣,繪制出各段心墻模型。心墻過渡層水平寬度為3.0～3.5 m,截面形狀規(guī)則,將截面導(dǎo)入Revit進(jìn)行放樣操作也可以在Revit里進(jìn)行心墻過渡層截面繪制然后進(jìn)行拉伸操作,見圖7。

圖7 Revit心墻實(shí)體模型

3.5 基座廊道建模

大壩左岸基座灌漿廊道坡比為1∶2,出口位于溢洪道旁高程113.50 m;右岸基座灌漿廊道坡比1∶1出口位于大壩壩頂?；攲?1.2 m底寬5.5 m高6.6 m,基座內(nèi)灌漿廊道凈空3.0 m×3.5 m。基座廊道截面形狀較為規(guī)則且內(nèi)有空心,所以在建模中要用到“空心形狀”里的“空心放樣”與“空心拉伸”命令。新建族文件選擇公制常規(guī)模型,依照 CAD圖紙?jiān)赗evit繪制出廊道的截面形狀。廊道截面形狀不同故對廊道進(jìn)行分段具有相同截面部分通過“空心拉伸”的命令進(jìn)行繪制,需確定好空心拉伸長度及整部分模型長度。截面形狀不同部分要用到“空心放樣”命令其操作同“空心拉伸”命令相似。需注意族屬性選項(xiàng)卡中勾選“加載剪切的空心”這樣在項(xiàng)目中才可以載入空心構(gòu)件,見圖8。

圖8 Revit廊道實(shí)體模型

3.6 模型裝配及導(dǎo)入地形曲面

在Revit中新建項(xiàng)目文件,主要進(jìn)行軸網(wǎng)標(biāo)高的布置,目的是定位單一構(gòu)件的空間坐標(biāo)及確定所有構(gòu)件的空間布局。標(biāo)高對應(yīng)高程信息,在之前創(chuàng)建族構(gòu)件的時候統(tǒng)一以壩頂高程為參照標(biāo)準(zhǔn),所以現(xiàn)只需創(chuàng)建4條標(biāo)高,分別是壩頂高程、壩底高程、心墻高程、廊道高程。因?yàn)槟Ｐ腕w積較大,所以“視圖范圍”屬性要設(shè)置成無限制視圖深度[11]。軸網(wǎng)對應(yīng)水平位置,其布置參照壩軸線、心墻、廊道的位置進(jìn)行布置。將各部分族構(gòu)件載入項(xiàng)目文件中通過建立的軸網(wǎng)標(biāo)高進(jìn)行定位安放最終裝配成完整的瀝青混凝土心墻壩BIM模型。

地形是影響工程項(xiàng)目施工的重要因素,為了建筑物模型的正確布置,建立精確的地形模型具有重要意義。Civil 3D軟件與Revit軟件具有良好的互通性。因此本文采用Civil 3D軟件建立地形[12]。從Civil 3D軟件建立的地形提取等高線、高程點(diǎn)等地形信息,將地形保存為DWG格式導(dǎo)入到Revit中選擇“體量和場地”菜單欄的“地形表面”的命令,通過導(dǎo)入實(shí)例創(chuàng)建Revit地形模型。再將瀝青混凝土心墻壩模型與地形模型通過空間點(diǎn)定位組合起來,見圖9。

圖9 Revit大壩實(shí)體及地形曲面模型

4 兩種方案建模對比

4.1 兩種軟件的適用性

Civil 3D是滿足土木工程專業(yè)需求而定制的設(shè)計(jì)軟件。在軟件中可以進(jìn)行流域分析、道路設(shè)計(jì)、場地測量等操作。對設(shè)計(jì)的平面、橫縱斷面、道路模型都是動態(tài)且相互關(guān)聯(lián)的。在創(chuàng)建地形模型的基礎(chǔ)上可進(jìn)行復(fù)雜道路設(shè)計(jì),所有構(gòu)件裝配的模型均包含參數(shù)化信息[13]。軟件的動態(tài)可視化在修改的同時能看到修改后的三維視圖使三維模型更加直觀。Revit則是偏向于建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析管線設(shè)計(jì)專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件。具有較強(qiáng)的兼容性,有豐富的接口可與多種格式文件進(jìn)行交互如DWG、DWF、IFC,與其他軟件進(jìn)行協(xié)同提供極大便利。所有的圖紙、平面圖、三維視圖及明細(xì)表都建立在建筑信息模型的同一個數(shù)據(jù)庫中,實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)化,修改與維護(hù)方便,模型與圖紙動態(tài)關(guān)聯(lián)。

4.2 建模效率及工程量對比

用Revit進(jìn)行放樣拉伸融合創(chuàng)建模型需要手動繪制路線并為路線兩端進(jìn)行斷面輪廓繪制。當(dāng)截面輪廓較為規(guī)則時,可以直接將CAD截面圖導(dǎo)入Revit使用。但大部分構(gòu)件在拆分時其截面輪廓并非規(guī)則圖形所以需要手動繪制,即使直接將CAD截面圖導(dǎo)入Revit也需要在變坡點(diǎn)或拐點(diǎn)處進(jìn)行處理或重新繪制。不同結(jié)構(gòu)層甚至需要多次繪制截面并進(jìn)行創(chuàng)建。這對二維圖紙的精確度要求較高,造成工作量大的高重復(fù)性操作。并且Revit建模機(jī)制無法處理空間曲線建模曲率控制等問題,容易造成模型出現(xiàn)偏差。建立的模型與地層地質(zhì)幾乎沒有關(guān)聯(lián),而實(shí)際工程中不同地層開挖會影響大壩的受力及穩(wěn)定性等問題。用Civil 3D建模方案,模型精度較Revit模型精度更高,同時大幅減少重復(fù)工作量,在建立部件時確定好路線及斷面軟件會自動生成構(gòu)件模型。Civil 3D建模高度結(jié)合地質(zhì)信息,模型與三維地質(zhì)緊密結(jié)合符合工程實(shí)際,且更加直觀方便后續(xù)將模型進(jìn)行力學(xué)分析,大幅提升模型應(yīng)用價(jià)值。以擋水壩段為例,用Revit建模方案建模過程耗時近6周投入人力4人,采用Civil 3D建模耗時3周投入人力2人,考慮人員及時間因素,Civil 3D建模效率對比Revit建模至少提升4倍。以廊道建模為例,見圖10、11和表1。

圖10 Revit廊道實(shí)體及細(xì)節(jié)部分

圖11 Civil 3D廊道實(shí)體及細(xì)節(jié)部分

表1 廊道建模對比

統(tǒng)計(jì)對比2種建模方案工程方量偏差達(dá)3 000余m3,見表2。

表2 壩體模型工程統(tǒng)計(jì) 單位:m3

根據(jù)表格數(shù)據(jù)分析Revit模型工程量小于Civil 3D模型,這是由于大壩的構(gòu)件大多是不規(guī)則形狀體,Revit對于這種結(jié)構(gòu)無法精確建模只能近似模擬其輪廓并以此建立模型。另外Revit默認(rèn)比例與CAD圖紙的比例不同且數(shù)據(jù)傳輸中存在部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失情況,導(dǎo)致此次建模中Revit圖形比例略小于CAD,而Civil 3D與CAD數(shù)據(jù)傳輸更加便捷,CAD圖紙能無需調(diào)整直接導(dǎo)入Civil 3D故不存在上述問題,且將CAD圖形導(dǎo)入Revit中需要手動調(diào)試圖形比例和原點(diǎn)位置。CAD圖形或線段導(dǎo)入Revit中有時會發(fā)生無法拾取的情況,需要手動繪制連接線。這些是導(dǎo)致Revit建立大壩模型出現(xiàn)誤差的主要原因。

4.3 兩種軟件建模優(yōu)缺點(diǎn)對比

分析建模優(yōu)點(diǎn)發(fā)現(xiàn):對于大型水利工程的建模,使用Civil 3D軟件建模較Revit軟件建模具有更大優(yōu)勢。Civil 3D建立的模型后續(xù)應(yīng)用也更加廣泛。將Civil 3D與Revit建模方案對比分析,能夠發(fā)現(xiàn)Civil 3D建模方法在建模效率和模型精度及斷面查詢方面較于Revit建模方法有明顯的優(yōu)勢,見表3。

表3 Civil 3D與Revit建模應(yīng)用對比

分析建模缺點(diǎn)發(fā)現(xiàn):Revit建立水工建筑模型時,在面對復(fù)雜截面構(gòu)件時無法精確建模,導(dǎo)入CAD圖形也存在數(shù)據(jù)丟失的問題,針對復(fù)雜截面構(gòu)件,可通過 Civil 3D建模再通過插件將模型導(dǎo)入 Revit中的方法解決,或者將復(fù)雜構(gòu)件細(xì)分成有多個簡單形狀的構(gòu)件后再將簡單部件模型進(jìn)行拼接組成復(fù)雜構(gòu)件模型。Civil 3D多段線方法建立水工建筑模型雖然精度比Revit高,但模型參數(shù)化程度較低,需重新生成實(shí)體模型。可通過Civil 3D附帶工具部件編輯器進(jìn)行可視化編程來建立模型。對于截面簡單的構(gòu)件用部件編輯器建模調(diào)整參數(shù)即可重復(fù)利用節(jié)省時間。復(fù)雜構(gòu)件仍按多段線方法建模即可。

5 結(jié)語

通過Civil 3D和Revit軟件對廟堂水庫上下游堆石區(qū)、心墻、基座廊道及溢洪道進(jìn)行了建模。并分析了2種軟件在水工大壩建模中的適用性。結(jié)果表明,采用Revit軟件建模的方法存在工作重復(fù)率高、工作量大、模型精度不高的問題。采用Civil 3D軟件建模的方法在水工建筑復(fù)雜截面的構(gòu)件建模中展現(xiàn)出高效率,優(yōu)勢明顯,且模型精度高于Revit建模。Civil 3D建的模型與地質(zhì)模型高度融合比Revit軟件處理地形問題更加方便。針對心墻土石壩大型水利工程項(xiàng)目建模,Civil 3D軟件建模方法更加符合工程實(shí)際。