朱信澤，劉融融，陳 哲，高玉娟，王志偉

（1.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城 224002；2.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210019；3.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127）

1 概述

水文監(jiān)測設(shè)施作為獲取水文數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)平臺，是確保水文專業(yè)工作正常開展的硬件基礎(chǔ)，對水文監(jiān)測設(shè)施標準化設(shè)計展開研究可為流域防洪抗旱、水資源調(diào)度、江河湖泊治理等各項工作提供決策依據(jù)［1］，對于流域規(guī)劃、水利開發(fā)、興利除害具有極為重要的意義［2］。水文監(jiān)測設(shè)施水位觀測是水文監(jiān)測重要組成部分，觀測數(shù)據(jù)是研究河流形態(tài)、河床演變、水沙運動、水資源開發(fā)利用等工作的重要依據(jù)。

江蘇省內(nèi)河流水網(wǎng)密集，水文設(shè)施眾多，建設(shè)任務(wù)繁重。據(jù)2022年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，江蘇省共有省級及以上水位自動化監(jiān)測站點366 個，其中省級30 個，國家級336個，主要分布在江蘇省平原區(qū)，覆蓋省內(nèi)13個地級市［3］。目前，江蘇省正全力推進《“十四五”水利發(fā)展規(guī)劃》《江蘇省“十四五”水文發(fā)展規(guī)劃》重點任務(wù)落地實施，加快推進水文基礎(chǔ)設(shè)施和信息化建設(shè)，提升水文監(jiān)測能力。

隨著江蘇省水文設(shè)施建設(shè)投資渠道逐漸增多，水文信息化要求不斷提高，水文設(shè)施建設(shè)的相關(guān)標準與現(xiàn)代工程建設(shè)要求存在較大的差距。水文設(shè)施建設(shè)如何適應(yīng)現(xiàn)代水利工程發(fā)展面臨著挑戰(zhàn)［4-6］。江蘇省水文設(shè)施位置偏僻分散、體量小，其設(shè)計與建設(shè)缺乏詳細可靠的規(guī)范標準，建設(shè)資金與時間成本難以控制，運維管理經(jīng)驗匱乏。在設(shè)計和施工過程中的難點主要表現(xiàn)為：①建設(shè)條件特殊，設(shè)計控制標準有待統(tǒng)一；②專業(yè)性設(shè)計缺乏，整體設(shè)計水平有待提高；③施工管理難度大，工程“轉(zhuǎn)分包”情況普遍，傳統(tǒng)施工方法及工藝亟待改進；④缺少標準統(tǒng)一的控制指標要求和工程驗收規(guī)范，工程質(zhì)量難以保證⑤改造維護困難較多，運行管理水平有待提高［7］。

標準化是國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的基礎(chǔ)制度和重要方法，在水文設(shè)施中的應(yīng)用研究也隨著實踐而愈加深入。如，國家地下水監(jiān)測一期工程建設(shè)中，根據(jù)地下水位監(jiān)測設(shè)備特點，以及使用環(huán)境和使用要求特殊性，建立了一套較完整的產(chǎn)品質(zhì)量控制標準化體系，為水位監(jiān)測設(shè)施建設(shè)標準化實施提供了模板［8］。

沒有技術(shù)標準統(tǒng)一規(guī)范的水文基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，就難以保證水文監(jiān)測成果的精確度和可靠性，更加難以基于水文數(shù)據(jù)做出精準的分析研究與規(guī)劃決策。因此，適應(yīng)水文現(xiàn)代化建設(shè)的新形勢，水文行業(yè)亟待繼續(xù)深化水文設(shè)施建設(shè)的規(guī)范化和標準化［6-10］管理，探索水文設(shè)施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的變革，實現(xiàn)新技術(shù)在水文設(shè)施設(shè)計、建設(shè)和運行全周期中的應(yīng)用［11-12］。

本文旨在針對江蘇省水文設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀，以《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標準》為基礎(chǔ)，著眼行業(yè)需求與發(fā)展前景，聚焦水位監(jiān)測設(shè)施，提出標準化設(shè)計原則與要求，分析標準化設(shè)計優(yōu)勢，結(jié)合工程設(shè)計實例，展望水文設(shè)施設(shè)計與建設(shè)的工程信息化發(fā)展前景，為在江蘇省內(nèi)普及水文設(shè)施標準化設(shè)計與裝配化施工打下基礎(chǔ)。

2 水位觀測設(shè)施

2.1 現(xiàn)狀分析

目前，江蘇省內(nèi)水位監(jiān)測方式可分為人工觀測和自動監(jiān)測，不同監(jiān)測方式需不同的水位監(jiān)測設(shè)施。人工觀測的水文設(shè)施為水尺，需建設(shè)水尺樁。自動監(jiān)測是當前水文發(fā)展的趨勢，需根據(jù)不同的自動監(jiān)測設(shè)備建設(shè)水位觀測平臺。目前比較成熟的水位自動監(jiān)測設(shè)備有全量編碼浮子式水位計、壓力式水位計和超聲波水位計（氣介質(zhì)、液介質(zhì)）、雷達水位計。對自動監(jiān)測需建設(shè)的水位觀測平臺，一般根據(jù)測站的地形條件、水位變幅、河道沖淤變化和采用的自記儀器等情況，因地制宜地建設(shè)浮子式水位計觀測平臺、水位計支架、水位計管道等觀測設(shè)施。其中，搭載浮子式水位計的水位自記臺是江蘇省內(nèi)應(yīng)用最多的水位自動監(jiān)測設(shè)施，總數(shù)超570 座，約占全部測站基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量的60%，其技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定可靠、故障少且容易處理、維護簡單方便，不易受外界條件影響，適用范圍廣，已成為當前存量最大、同時未來建設(shè)發(fā)展增量最廣闊的水文設(shè)施。

2.2 標準化設(shè)計原則

浮子式水位自記臺適合標準設(shè)計的部分包括測井、基礎(chǔ)、進水管、棧橋等，針對儀器室尺寸、測井尺寸、巡臺寬度、棧橋?qū)挾取⑦M水管直徑等設(shè)定標準。儀器室建筑風格在現(xiàn)代設(shè)計方案和仿古設(shè)計方案中按需選擇。棧橋按軸跨及棧橋?qū)挾冗M行系列化與標準化設(shè)計，拆分為柱墩、支柱、帽梁、棧橋板等結(jié)構(gòu)，分別進行尺寸的標準化處理，進而將自記臺單項構(gòu)件設(shè)計為通用型單元，形成模塊化拼裝結(jié)構(gòu)。依據(jù)不同的測驗河段特性，初步確定水位自記臺標準化指標，見表1，島式自記臺設(shè)計示意圖見圖1。

圖1 島式自記臺設(shè)計示意（單位：高程m；其余尺寸：cm）

表1 水位自記臺設(shè)計標準

以符合控制指標的標準化設(shè)計為基礎(chǔ)，結(jié)合測驗斷面選定預(yù)制構(gòu)件，采用模塊化裝配浮子式水位計的觀測平臺，相對于傳統(tǒng)設(shè)計施工方式，具有設(shè)計門檻低，節(jié)約采購、運輸成本，施工難度低，對周邊影響小，工期大大縮短，質(zhì)量控制有保障，降低對河道防洪、行船的影響，便于統(tǒng)一維護管理等優(yōu)勢。

3 標準化與BIM的結(jié)合

BIM 技術(shù)是一個軟件集合，通過數(shù)字化技術(shù)建立一個三維建筑工程計算機模型，數(shù)據(jù)來源于完整的、基于工程實物參數(shù)的建筑工程信息庫［13］。信息庫中包含各類構(gòu)件的幾何信息、屬性及位置、運動狀態(tài)，大大提高了工程的信息集成化程度。

隨著國內(nèi)BIM 在工程設(shè)計領(lǐng)域的普及，在設(shè)計與施工中積極結(jié)合BIM 標準化、可視化、數(shù)字化、動態(tài)性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點，將在工程設(shè)計、決策、實施、交付使用的工程全生命周期中發(fā)揮重要作用。實現(xiàn)三維可視化仿真，形象直觀地展示工程，實現(xiàn)精細設(shè)計、量算優(yōu)化、輔助決策、施工仿真、場地規(guī)劃［14-15］。同時成為多方協(xié)作的信息共享平臺，通過權(quán)限控制，讓工程多方高效地共同參與項目各階段技術(shù)問題的處理。

在實踐中，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)特點，追求將其深度融入標準化、規(guī)范化的水文工程全周期生命中。設(shè)計階段，通過BIM 平臺數(shù)字化并整合標準設(shè)計成果，完成參數(shù)化建模，快速確定位置布局、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與設(shè)計參數(shù)模數(shù)，自動統(tǒng)計工程量、計算造價［16］。實現(xiàn)在標準化設(shè)計的基礎(chǔ)上提升精細設(shè)計質(zhì)量和效率，便于布置方案比選論證與決策、快速調(diào)整優(yōu)化方案、提高方案合理性、減少設(shè)計變更、自動統(tǒng)計工程量與造價、快速獲取工程數(shù)據(jù)，可以進一步縮短設(shè)計周期與成本。

建設(shè)階段，基于BIM 實現(xiàn)三維可視化施工模擬、施工安全評價、優(yōu)化混凝土裝配構(gòu)件及其他物資材料的采購和管理，提高施工效率、保證安全生產(chǎn)、控制施工質(zhì)量與成本［17］。

水文設(shè)施使用階段，將BIM 融入管理體系，提升工程安全防護規(guī)劃、提高運維管理水平和效率、實時監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)，助力推進水文信息化建設(shè)。

當前BIM 多應(yīng)用于水位自記臺主體建筑物設(shè)計，測井、支架、儀器室和棧橋較為符合BIM 建筑設(shè)計模塊的內(nèi)容，將自記臺各主體建筑物設(shè)計于同一BIM 項目內(nèi)，不僅有利于水位自記臺各建筑物的協(xié)作設(shè)計，同時也可以增加水位自記臺與場地的聯(lián)系緊密程度，提供精確的場地測量和分析。在這個設(shè)計過程中，BIM 技術(shù)還可以同時進行工程量的初步統(tǒng)計。

目前市場上常用的BIM 核心建模軟件包含Bentley、Aichi CAD、CATIA、Revit 等。以應(yīng)用廣泛、功能強大的BIM-Revit 為例，其包含建筑設(shè)計模塊（Revit Architecture）、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊（Revit Structure）和機械設(shè)備設(shè)計模塊（Revit MEP）。模型基礎(chǔ)構(gòu)成稱為“族”，其可視為工程建筑的拆分模塊，可統(tǒng)一定義、修改屬性參數(shù)與水文設(shè)施的標準化設(shè)計、裝配化施工目標和要求具有內(nèi)在共性。

4 實例分析

4.1 項目概況

江蘇省市際河道斷面水文監(jiān)測工程，根據(jù)《江蘇省水文事業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中加強行政區(qū)界水質(zhì)水量監(jiān)測的要求，計劃在市際行政區(qū)界設(shè)立水量水質(zhì)監(jiān)測斷面，實施水質(zhì)水量同步監(jiān)測，達到控制行政區(qū)域內(nèi)80%的出入境水量并實現(xiàn)量質(zhì)同步監(jiān)測，共布設(shè)421處控制斷面。項目旨在為全省水資源管理及河湖長制管理服務(wù)，著力構(gòu)建全面服務(wù)“最嚴格水資源管理要求”的市際行政區(qū)界水資源監(jiān)測站網(wǎng)體系，加快實現(xiàn)“監(jiān)測要全面、數(shù)據(jù)要可靠、成果要應(yīng)用”和“監(jiān)測全覆蓋”的工作目標。

4.2 設(shè)計比選

本文以江蘇省市際河道斷面水文監(jiān)測工程中新建蘆涇港水文站水位自記臺為例。蘆涇港水位站作為南通百年潮位站天生港站的水位觀測站房的補充水位站，它的可靠穩(wěn)定運行，可準確及時提供南通城區(qū)段長江潮位的信息，為南通防汛防潮防臺提供第一手水情潮位資料，需在蘆涇港閘下游新建水位自記臺，按照南通長江段標志性水文站點設(shè)計建設(shè)。本站作為百年老站，需要大力進行保護和發(fā)展。擬于本工程中在天生港電廠外選址建設(shè)島式水位觀測平臺，經(jīng)南通分局對上下游河道水上水下地形反復(fù)比對，擬于蘆涇港閘站處建設(shè)蘆涇港水位站，用于逐步替代天生港水位站。新建蘆涇港水位站位于蘆涇港閘下入長江口處，位于天生港水位站下游約2.3 km處。

對蘆涇港水文站水位自記臺分別采用傳統(tǒng)二維圖紙設(shè)計與BIM 建模標準化設(shè)計，成果見圖2，BIM建模設(shè)計與傳統(tǒng)CAD平面設(shè)計對比見表2。

圖2 水位自記臺三維模型

表2 BIM建模設(shè)計與傳統(tǒng)CAD平面設(shè)計對比

應(yīng)用以BIM-Revit 為代表的BIM 建模軟件結(jié)合標準化設(shè)計可以大幅提升設(shè)計效率與成果展示效果，降低設(shè)計建設(shè)成本。但同時不能忽視CAD 平面設(shè)計前期準備工作量更小，單張圖紙繪制更便捷，相關(guān)人才與經(jīng)驗更加豐富的優(yōu)勢，發(fā)揮其在前期多方案比選等方面的作用，實現(xiàn)BIM 建模設(shè)計與CAD平面設(shè)計的靈活選擇與技術(shù)優(yōu)勢互補。

5 總結(jié)與展望

本研究初步展望了水文設(shè)施的標準化設(shè)計，填補了水文設(shè)施標準化研究的空白。研究提出了標準化設(shè)計的要求及優(yōu)勢，展望了在設(shè)計建設(shè)全周期與BIM 的深度結(jié)合，結(jié)合工程實例，分析了BIM 建模標準化設(shè)計相對于傳統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢，對水文設(shè)施標準化、信息化設(shè)計在江蘇省乃至全國推廣具有重要意義。

水文設(shè)施面廣量大，分類分項較多，目前，水文設(shè)施設(shè)計指標與參數(shù)研究成果尚不能全面覆蓋水文監(jiān)測設(shè)施，相關(guān)設(shè)計成果亟待細化定型，今后應(yīng)在積累建設(shè)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上逐步優(yōu)化并完善標準化設(shè)計方案。