謝錦輝

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400041）

《水利改革發(fā)展“十四五”規(guī)劃》要求提升水利行業(yè)的現(xiàn)代化和信息化水平[1]。在水利工程項(xiàng)目建設(shè)中引入BIM 技術(shù)，可有效解決項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各環(huán)節(jié)的溝通問(wèn)題，提升各參建單位的工作效率[2]。

1 BIM核心理念及在水利工程中的應(yīng)用

1.1 BIM技術(shù)原理

BIM 即建筑信息模型，主要應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑、市政工程等領(lǐng)域，其核心是通過(guò)設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建建筑工程三維模型，并利用信息化技術(shù)為三維模型導(dǎo)入包括建筑材料及結(jié)構(gòu)、施工過(guò)程等工程信息在內(nèi)的建筑工程信息庫(kù)[3]。通過(guò)構(gòu)建的建筑工程三維模型，實(shí)現(xiàn)建筑工程信息的高度集成化，為建筑工程項(xiàng)目提供信息交換和共享平臺(tái)，解決多專業(yè)協(xié)同導(dǎo)致的不確定因素問(wèn)題，提高工程設(shè)計(jì)、施工和管理效率，并為后期的運(yùn)營(yíng)服務(wù)提供幫助[4]。

1.2 BIM在水利工程中的應(yīng)用

隨著B(niǎo)IM 技術(shù)在國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但在水利行業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段[5]。針對(duì)水利工程地形條件復(fù)雜、水工建筑構(gòu)造獨(dú)特等特點(diǎn)，孫少楠、張慧君[6]改進(jìn)構(gòu)建水利工程信息模型的方法，通過(guò)繪制水利工程地形及水工建筑物BIM 模型，實(shí)現(xiàn)水利工程仿真信息的數(shù)字化查詢，并結(jié)合多款BIM 軟件協(xié)同實(shí)現(xiàn)水利工程的樞紐布置、土方量計(jì)算。王寧等[7]將BIM 技術(shù)引入涵閘工程中，實(shí)現(xiàn)涵閘各水工部位的高精度和高效率三維建模，并結(jié)合Inventor 軟件實(shí)現(xiàn)閘室穩(wěn)定性驗(yàn)算和配筋驗(yàn)算，為BIM 技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和推廣提供工程經(jīng)驗(yàn)。趙繼偉等[8]在深入分析BIM 建模軟件和水利工程特殊性的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有BIM 建模設(shè)計(jì)軟件為工具，構(gòu)建參數(shù)化模板庫(kù)和構(gòu)件庫(kù)；以子模型裝配和構(gòu)件裝配為主要過(guò)程的快速建模理論方法體系為基礎(chǔ)，建立水利工程信息模型，并將此模型應(yīng)用于可視化仿真查詢系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工程各部位的精準(zhǔn)定位和信息實(shí)時(shí)查詢，為水利工程的運(yùn)營(yíng)管理提供便利。

2 廟堂水庫(kù)BIM建模方法

2.1 廟堂水庫(kù)簡(jiǎn)介

廟堂水庫(kù)位于巫山縣平河鄉(xiāng)廟堂村，是具有綜合功能的中型重點(diǎn)水源工程，由大壩樞紐工程、借水工程和灌溉工程組成。大壩擋水建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程為1 121 m，壩頂寬為9 m，壩高為107 m。借水工程包括1#借水壩、2#借水壩、連接明渠和借水隧洞。灌溉工程干渠總長(zhǎng)32.8 km。

2.2 BIM建模方法

水利工程中水工建筑物具有體積大、構(gòu)造復(fù)雜的特點(diǎn)，且模型相關(guān)族庫(kù)較少，導(dǎo)致BIM技術(shù)的運(yùn)用難度大。因此，首先應(yīng)將水利工程建筑按照專業(yè)和類型進(jìn)行劃分，確定其屬性信息并創(chuàng)建參數(shù)化族庫(kù)，然后構(gòu)建各專業(yè)子模型，最后整合各子模型構(gòu)建整個(gè)水利工程模型[9]。

水利工程建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)的關(guān)鍵步驟為創(chuàng)建高質(zhì)量的三維信息模型。目前主流的三維建模軟件主要有CAD、Revit、Maya 等，其中Revit 軟件具有建模速度快、模型兼容性好的優(yōu)勢(shì)，因此本文采用Revit軟件作為廟堂水庫(kù)BIM三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。

Revit 軟件建模流程為：①確定廟堂水庫(kù)大壩各部位的模型信息參數(shù)、材料參數(shù)等，根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)將大壩整體細(xì)分為不同的構(gòu)件，并利用軸網(wǎng)和標(biāo)高進(jìn)行空間布局定位。②選擇合適的族樣板創(chuàng)建族文件，本文選擇“公制輪廓”樣板創(chuàng)建族文件。導(dǎo)入CAD 結(jié)構(gòu)圖紙，完成“公制輪廓”圖形。③構(gòu)建族模型。首先確定族構(gòu)件插入點(diǎn)，創(chuàng)建參照平面和參照線；然后載入族構(gòu)件的輪廓族圖，并設(shè)置到相應(yīng)的參照面中；最后通過(guò)拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、放樣融合等操作命令創(chuàng)建族構(gòu)件模型。④添加模型參數(shù)。首先為模型輪廓添加尺寸參數(shù)并調(diào)試參數(shù)，然后為模型添加材質(zhì)參數(shù)、物理參數(shù)和項(xiàng)目參數(shù)等內(nèi)部參數(shù)，最后完成各個(gè)族構(gòu)件模型的創(chuàng)建。⑤創(chuàng)建項(xiàng)目文件、載入族構(gòu)件模型。在Revit中選擇建筑樣本建立項(xiàng)目文件，載入各族構(gòu)件模型，創(chuàng)建族實(shí)例，并根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分和歸類。⑥構(gòu)建大壩模型。根據(jù)廟堂水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)圖紙和空間布局建立大壩標(biāo)高和軸網(wǎng)布置，根據(jù)標(biāo)高、軸網(wǎng)、參照平面等參數(shù)，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)位置的構(gòu)件，完成廟堂水庫(kù)大壩建模。廟堂水庫(kù)大壩主體模型，如圖1所示。

圖1 廟堂水庫(kù)大壩主體模型

由于廟堂水庫(kù)大壩地形結(jié)構(gòu)具有特殊性和復(fù)雜性，因此BIM 模型中要加入地形結(jié)構(gòu)。地形建模的流程為：首先通過(guò)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)建立等高線；然后通過(guò)等高線創(chuàng)建地形三角網(wǎng)曲面，修改其中不合理的曲面數(shù)據(jù)，完成地形曲面建模；最后導(dǎo)入大壩模型完成廟堂水庫(kù)大壩建模。完整的廟堂水庫(kù)大壩和地形模型，如圖2所示。

圖2 廟堂水庫(kù)大壩和地形模型

3 BIM與數(shù)值模擬應(yīng)用于廟堂水庫(kù)安全穩(wěn)定性分析

目前，BIM技術(shù)在水利行業(yè)主要應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和施工，在運(yùn)營(yíng)管理方面應(yīng)用較少。BIM 技術(shù)與數(shù)值模擬應(yīng)用于水利工程安全穩(wěn)定性分析是水利行業(yè)的一個(gè)重要研究課題[10]。水利行業(yè)主要的數(shù)值模擬軟件有Midas、Abaqus、Ansys 等，其中Midas 軟件與三維模型具有高度兼容性[11]，因此本文選用Midas數(shù)值模擬軟件計(jì)算廟堂水庫(kù)大壩運(yùn)行期的安全穩(wěn)定性。

使用Midas 軟件對(duì)廟堂水庫(kù)瀝青混凝土心墻堆石壩進(jìn)行三維有限元分析，研究壩體在運(yùn)行期的應(yīng)力變形特性，尤其是心墻、基座的沉降分布[12]。建模方法為：①簡(jiǎn)化并導(dǎo)出BIM三維模型的結(jié)構(gòu)信息；②將模型結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)入Midas 中，通過(guò)網(wǎng)格工具繪制模型網(wǎng)格；③完成數(shù)值模擬的模型構(gòu)建并檢查其完整性。廟堂水庫(kù)大壩主體網(wǎng)格模型，如圖3所示。

圖3 廟堂水庫(kù)大壩主體網(wǎng)格模型

在完成數(shù)值模型建模后對(duì)廟堂水庫(kù)大壩主體進(jìn)行有限元分析，步驟為：①對(duì)壩體進(jìn)行分級(jí)加荷，激活模型約束邊界，對(duì)所有網(wǎng)格施加重力加速度；②激活節(jié)點(diǎn)水頭，將下游壩坡坡面設(shè)置為排水滲透面，進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合分析；③對(duì)應(yīng)力變形結(jié)果進(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行有限元分析，可以得出廟堂水庫(kù)大壩各方向的沉降、應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果：Z 方向（豎直方向）最大沉降出現(xiàn)在大壩中部心墻部位的頂部，如圖4所示，沉降值為60 cm，沉降值從中心向兩邊逐漸減小，壩邊緣部分出現(xiàn)細(xì)微上升，幅度為0.3 cm；Y 方向（水平方向）位移最大值集中在大壩心墻的兩端，最大值為+16.6 cm，最小值為-13.6 cm；X 方向（水平方向）位移表現(xiàn)為上游左陷、下游左突，上游數(shù)值為-14 cm，下游為+20 cm。廟堂水庫(kù)在蓄水后，大壩沉降和變形處于正常范圍內(nèi)。

圖4 廟堂水庫(kù)大壩豎直方向沉降

應(yīng)用BIM技術(shù)與Midas計(jì)算軟件相結(jié)合的三維有限元分析方法與傳統(tǒng)的二維有限元分析方法相比，建模精度、計(jì)算速度、計(jì)算準(zhǔn)確度明顯提升，此方法不僅能夠直觀地反映當(dāng)前大壩的安全狀況，而且可以幫助各參建單位掌握大壩的運(yùn)行狀況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了利用BIM軟件平臺(tái)進(jìn)行廟堂水庫(kù)三維建模的方法和步驟，以及將BIM 技術(shù)與Midas 有限元計(jì)算軟件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)廟堂水庫(kù)大壩安全穩(wěn)定性的快速分析，結(jié)果表明BIM 技術(shù)可以協(xié)助工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等單位更好地掌握廟堂水庫(kù)大壩的運(yùn)行狀態(tài)和安全穩(wěn)定性。