李 騰, 黃高翔, 盧 鑫, 闞 飛, 劉旭東

(1.四川省水利科學(xué)研究院, 四川成都 610072; 2. 四川省壩導(dǎo)水利科技有限公司, 四川成都 617000)

0 引言

BIM技術(shù)主要應(yīng)用于建筑工程項(xiàng)目中[1],其中Autodesk Revit是應(yīng)用最廣泛的建模軟件之一,可以精確地實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模,同時(shí)基于三維實(shí)體模型完成高精度的工程量分析、計(jì)算和匯總工作,另外也可以生成常規(guī)的建筑平、立、剖面圖等,為設(shè)計(jì)施工以及后期運(yùn)維提供極大的便利[2]。Revit軟件的設(shè)計(jì)思路較好,其中“族”很重要,幾乎所有的設(shè)計(jì)都是通過(guò)新建族或者已有族來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3],而非使用程序語(yǔ)言創(chuàng)建參數(shù)化構(gòu)建,這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)成本,縮短工程周期。目前 BIM 軟件應(yīng)用最多的還是房建項(xiàng)目[4],對(duì)房建上的常用結(jié)構(gòu)(樓板、墻壁、柱)都進(jìn)行了內(nèi)置分類,方便用戶選取。另外,Revit建模生成的平、立圖可以完全對(duì)應(yīng),出圖質(zhì)量幾乎不受人為影響,而CAD出圖與設(shè)計(jì)者的水平有直接關(guān)系,很可能出現(xiàn)平、立面圖多處不交接的情況。而且Revit具有強(qiáng)大的聯(lián)動(dòng)功能,平、立、剖面、明細(xì)表雙向關(guān)聯(lián),一處修改,處處更新,自動(dòng)避免低級(jí)錯(cuò)誤,而且可以通過(guò)平鋪視圖來(lái)同時(shí)觀察多個(gè)視圖[5]。

基于BIM技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn),將其運(yùn)用到水利工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各階段,可為項(xiàng)目管理人員提供直觀的工程模型,改善傳統(tǒng)的運(yùn)作方式,有效解決“錯(cuò)、漏、碰、缺”問(wèn)題,提高工程建設(shè)效率,合理縮短工期。同時(shí)在設(shè)計(jì)施工階段,若將BIM技術(shù)與GIS等具有三維空間分析功能的軟件相結(jié)合,可獲得更優(yōu)化、更環(huán)保的解決方法[6]。此外BIM技術(shù)可以基于二維圖紙生成三維立體模型,在設(shè)計(jì)過(guò)程中時(shí)刻對(duì)比三維模型圖和立面視圖來(lái)修改參數(shù),令設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)便,大大提高出圖效率[3]。

但水利工程和建筑工程有較大差異[7],水工建筑體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超挖現(xiàn)象非常普遍,涵蓋專業(yè)較多,地形地貌也沒(méi)有規(guī)律可言,因此BIM技術(shù)無(wú)法完全適用于水利工程[8-9]。加之水利工程的市場(chǎng)份額遠(yuǎn)小于房建工程,同時(shí)因地形和環(huán)境的不同導(dǎo)致每個(gè)水利工程都有自己特殊的結(jié)構(gòu),異形結(jié)構(gòu)較多,工程重復(fù)率較低,所以現(xiàn)階段BIM技術(shù)在水利工程方面的研究較少,無(wú)法像房建工程一樣有許多成熟且完善的族庫(kù),因此 BIM 軟件針對(duì)水利工程進(jìn)行專業(yè)的適配有待進(jìn)一步研究[10]。

雖然BIM技術(shù)在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段,但應(yīng)用前景極為廣闊。近幾年大量的水利科研院所進(jìn)軍BIM應(yīng)用領(lǐng)域,高英[11]以“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維和BIM技術(shù)相結(jié)合,跨界開拓智慧水利的創(chuàng)新之路。蔡慶等[12]采用BIM正向設(shè)計(jì),利用三維模型直觀地表達(dá)水工建筑的結(jié)構(gòu)及配筋布置,有效地提高了工作效率;同時(shí)結(jié)合GIS系統(tǒng),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖情況動(dòng)態(tài)更新設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化塔體兩側(cè)回填混凝土工程量。值得注意的是水利水電行業(yè)內(nèi) BIM 應(yīng)用在不同地區(qū)、不同類型的工程中也表現(xiàn)出明顯的不均,中小型泵站、水閘的 BIM 應(yīng)用并不理想[13]。針對(duì)此種情況黃培志等[14]以深圳共和閘站運(yùn)行現(xiàn)狀資料為基礎(chǔ),開發(fā)BIM運(yùn)維系統(tǒng),提高工作效率。隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)的發(fā)展[15],智慧水務(wù)受到前所未有的重視,很多城市陸續(xù)開展智慧水務(wù)構(gòu)建方案[16]和應(yīng)用體系研究[17],以新信息技術(shù)應(yīng)用促進(jìn)管理精細(xì)化、智慧化,已成為新時(shí)期水務(wù)管理的趨勢(shì)[18]。作為重要的新信息技術(shù),BIM 已在提高水利水電工程建設(shè)現(xiàn)代化水平等方面發(fā)揮了重要作用[19]。但與此同時(shí),信息化和智慧水務(wù)并不能一蹴而就,而是一個(gè)隨著業(yè)務(wù)和技術(shù)變化不斷滾動(dòng)、更新、迭代的過(guò)程[20]。

我國(guó)西南地區(qū)水資源豐富且地勢(shì)險(xiǎn)峻,處于地震多發(fā)帶,由多次地質(zhì)、地震引發(fā)的崩塌,被天然堆石壩堰塞而成的堰塞湖較多,而基于堰塞湖改建成的中小型水庫(kù)在西南地區(qū)較為普遍。盡管中小型泵站、水閘承擔(dān)了最基礎(chǔ)最重要的防洪、防潮、排澇、供水等功能,但由于規(guī)模小、數(shù)量多、位置分散等原因,現(xiàn)有的中小型閘站工程運(yùn)維信息化程度普遍不高?？傮w上仍停留在以文字、二維圖表、簡(jiǎn)單臺(tái)賬等形式留存、使用工程運(yùn)維資料的狀態(tài),信息交互效率低。因此本文以堰塞湖改建的中小型水庫(kù)為研究對(duì)象,針對(duì)目前BIM技術(shù)在水利工程項(xiàng)目中應(yīng)用程度不高,族庫(kù)不健全的現(xiàn)狀,對(duì)中小型水庫(kù)的信息模型建設(shè)進(jìn)行探討,分析此種水庫(kù)BIM建模的技術(shù)特點(diǎn),并開發(fā)適合此種類型水庫(kù)的全新模型族庫(kù)。同時(shí)本文應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)閘室、涵管、消力池等常見的水工建筑進(jìn)行參數(shù)化建模,為提高中小型堰塞水庫(kù)信息化程度,實(shí)現(xiàn)中小型水庫(kù)精細(xì)化、智慧化管理奠定基礎(chǔ)。

1 BIM模型

1.1 進(jìn)水閘閘室段建模

本文以某中小型堰塞水庫(kù)為研究對(duì)象,該水庫(kù)的進(jìn)水閘閘室順?biāo)飨蜷L(zhǎng)7.0 m,閘墩厚1.5 m,閘頂高程1 104.80 m,底板厚度為1.0 m,上、下游各設(shè)0.5 m深齒墻,設(shè)置一檢修閘門和工作閘門。主要的建模思路有:

(1)閘室的底板與普通建筑的承臺(tái)類似(圖1),但承臺(tái)底部的受力面積大,上部的受力面積小,與閘室的底板結(jié)構(gòu)相反。因此無(wú)法直接應(yīng)用Revit中“板”功能實(shí)現(xiàn),只能通過(guò)新建族畫出異形輪廓,再根據(jù)閘室的縱深進(jìn)行拉長(zhǎng)。

圖1 進(jìn)水閘閘室縱剖面結(jié)構(gòu)

(2)中小型堰塞水庫(kù)的設(shè)計(jì)擋水位高于泄流控制水位,為了避免閘門過(guò)高,該閘室為胸墻式水閘。胸墻與閘墩融合,由于兩者結(jié)構(gòu)與材質(zhì)不同,因此需要分開建模。拾取閘墩一側(cè)的輪廓進(jìn)行拉伸,將實(shí)體鏡像到另一側(cè)即可完成閘墩的繪制。而胸墻內(nèi)部包含鋼筋,因此首先完成胸墻的結(jié)構(gòu)建模;然后載入對(duì)應(yīng)形狀的鋼筋族,修改鋼筋的材質(zhì)和顏色;接著設(shè)置交叉位置鋼筋的限制即可完成胸墻的繪制(圖2)。

(3)利用Revit中“墻”功能完成齒墻的建模,拾取齒墻一側(cè)的輪廓進(jìn)行拉伸即可。

(4)檢修閘門和工作閘門通過(guò)空心拉伸,然后載入閘門槽族,在機(jī)電樣板中插入閘門族即可(圖3)。

(5)在整個(gè)閘室建模中最為復(fù)雜的反而是啟閉機(jī)房的仿古門窗和屋頂,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且沒(méi)有相似的族,因此耗費(fèi)較多的時(shí)間創(chuàng)建門窗和屋頂?shù)淖?圖4)。而啟閉機(jī)房的主體部分繪制較快,通過(guò)Revit中梁、板、柱、墻等功能可以快速完成啟閉機(jī)房的建模,最后在機(jī)電樣板中插入2臺(tái)卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)即可(圖5)。

1.2 消力池段建模

消力池的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,可分成底板和擋土墻兩部分建模。底板可應(yīng)用Revit中原有的“板”族完成,設(shè)置樓板的厚度和材質(zhì)即可。而擋土墻可應(yīng)用“墻”族功能實(shí)現(xiàn),首先根據(jù)左側(cè)視圖進(jìn)行輪廓繪制,再根據(jù)消力池整體的寬度和長(zhǎng)度進(jìn)行拉伸,設(shè)置擋土墻材質(zhì)即可(圖6)。

圖6 消力池建模

消力池平面似砍刀形,左側(cè)邊墻順直,右側(cè)邊墻呈喇叭口形。消力池北側(cè)為直線擋土墻,應(yīng)用Revit中原有的“墻”族進(jìn)行輪廓勾勒拉伸建模即可。南側(cè)為折線擋土墻,基于“墻”族分段進(jìn)行拉伸建模(圖7)。

圖7 消力池折線翼墻

1.3 放水涵管建模

放水涵管段由護(hù)岸、護(hù)底和涵管3個(gè)部分組成,管徑為1.5 m,全長(zhǎng)208.35 m,其中前70 m為壩下埋管,之后為壩后明管。護(hù)岸通過(guò)勾勒梯形輪廓再進(jìn)行拉伸來(lái)實(shí)現(xiàn)主體的創(chuàng)建;而護(hù)底通過(guò)“板”族進(jìn)行厚度和材質(zhì)的設(shè)置;護(hù)坡延伸至壩基表面,與壩基表面接觸,可以利用Revit自帶的“裁剪”功能(圖8)。

圖8 放水涵管建模

1.4 南、北干渠取水閘室建模

取水閘與進(jìn)水閘相比,結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,規(guī)模更小。利用“板”“墻”“柱”等族功能,識(shí)別對(duì)稱線,經(jīng)過(guò)拉伸后形成取水閘主體,在繪制輪廓時(shí)要提前預(yù)留門槽空間(圖9)。同樣雖然水利工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,涉及多專業(yè),但在本次建模時(shí)耗費(fèi)時(shí)間較多的是六角重檐亭的仿古屋頂(圖10)。為了追求極致逼真,還原實(shí)際水閘,在整個(gè)建模過(guò)程中對(duì)不同材料的顏色進(jìn)行反復(fù)嘗試,仍然很難獲得無(wú)人機(jī)實(shí)景三維的效果。同樣雖然無(wú)人機(jī)實(shí)景三維建模效果逼真[21],還原程度高,但也無(wú)法實(shí)現(xiàn)Revit三維建模的協(xié)調(diào)性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、快速出量、現(xiàn)場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)等功能。

圖9 南、北干渠取水閘室建模

圖10 六角重檐亭建模

2 總結(jié)

本文以中小型堰塞水庫(kù)為研究對(duì)象,應(yīng)用Revit軟件創(chuàng)建了三維結(jié)構(gòu)模型,分析Revit建模的技術(shù)特點(diǎn),闡述了中小型水工建筑的建模方法,為BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用提供一定的參考。雖然水利工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,涉及專業(yè)較多,BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用還存在磨合期,但是通過(guò)本工程的展示可以看出將復(fù)雜工程根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行拆分仍然可行。另外雖然Revit三維建模不如無(wú)人機(jī)實(shí)景三維建模效果逼真,但其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)(協(xié)調(diào)性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、快速出量、現(xiàn)場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)等功能)也使得Revit三維建模具有廣闊的市場(chǎng)前景。