基于BIM技術(shù)的可視化水利工程設(shè)計(jì)仿真

王建山

基于BIM技術(shù)的可視化水利工程設(shè)計(jì)仿真

王建山

三維可視化技術(shù)是計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)與水利水電工程系統(tǒng)相結(jié)合產(chǎn)生的一種仿真體，它能有效顯示出數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)圖形、圖像的方式對(duì)仿真計(jì)算過(guò)程的追蹤與結(jié)果的處理。使用三維可視化技術(shù)不但可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短周期，更能為水利水電工程人員提供一個(gè)快捷的數(shù)字化平臺(tái)，提高工程建設(shè)的工作效率。

一、BIM技術(shù)發(fā)展歷程及模塊的主要構(gòu)成

至今，BIM技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，以較為常用的Autodesk公司出品的BIM系統(tǒng)為例，一般包含以下幾個(gè)模塊：CAD工程設(shè)計(jì)模塊、Civil3D地形處理模塊、Revit建筑結(jié)構(gòu)建模、AIM快速表現(xiàn)模塊、Navisworks施工動(dòng)畫(huà)模擬模塊。CAD模塊集成了以AutoCAD為代表的二維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件以及機(jī)電設(shè)備建模的各類(lèi)三維CAD軟件。其中二維模塊可以將AutoCAD格式的工程設(shè)計(jì)圖紙以超鏈接打開(kāi)進(jìn)行編輯與保存。二維模塊也可以說(shuō)是BIM系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品的出口，因?yàn)闊o(wú)論是參數(shù)化的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣布置，還是施工組織布置，最終還是要以二維工程圖的形式出具。三維模塊主要配置了Autodesk公司自行出品的Inventor等軟件，同時(shí)兼容igs等通用格式的三維模型文件。Civil3D軟件可以根據(jù)點(diǎn)、折線(xiàn)等傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行地形曲面建模。同時(shí)通過(guò)布局工具生成地塊模型，且生成的地塊模型之間有過(guò)渡關(guān)聯(lián)，即對(duì)某一地塊進(jìn)行變更，其相鄰地塊與之過(guò)渡區(qū)域也會(huì)相應(yīng)變化。而其道路建模與土方量計(jì)算功能則更為實(shí)用。Civil3D能將水平與垂直的幾何圖形與定制化截面組件進(jìn)行結(jié)合，建立公路和其他交通道路動(dòng)態(tài)三維模型。土方量計(jì)算則利用平均斷面積算法，實(shí)現(xiàn)曲面土方量的計(jì)算。Revit主要支持建筑工程方面的建模與應(yīng)用。其包含建筑設(shè)計(jì)、MEP工程設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)工程3個(gè)模塊。建筑設(shè)計(jì)模塊能夠提供強(qiáng)大的概念設(shè)計(jì)與外觀設(shè)計(jì)功能。MEP則給暖通、電氣和管道工程師提供了用于復(fù)雜建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具。結(jié)構(gòu)工程主要提供建筑結(jié)構(gòu)工程的強(qiáng)度校核、配筋等功能。BIM可以將CAD、Civil與Revit建立的模型導(dǎo)入進(jìn)行布置，以展示施工不同時(shí)間點(diǎn)的狀況與施工布置。

二、信息模型概述

BIM技術(shù)的核心是通過(guò)建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)，該信息庫(kù)不僅包括描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專(zhuān)業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對(duì)象（例如空間、運(yùn)動(dòng)行為）的狀態(tài)信息。借助這個(gè)包括建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項(xiàng)目的相關(guān)利益方提供了一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。結(jié)合更多的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)，BIM模型中包含的工程信息還可以被用于模擬建筑物在真實(shí)世界中的狀態(tài)和變化，使得建筑在建成之前，相關(guān)利益方就能對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的成敗作出完整的分析和評(píng)估。

三、基于BIM技術(shù)的可視化水利工程設(shè)計(jì)仿真分析

1.基于BIM技術(shù)的CAD在水利工程建模中的應(yīng)用

BIM中的仿真設(shè)計(jì)中，首先是建立水利工程的可視化工程模型。水利工程的BIM三維建模主要包括以下幾個(gè)方面：大壩總體結(jié)構(gòu)的建模，壩體與廠房細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)建模，水利機(jī)電設(shè)備的建模，在水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工組織設(shè)計(jì)中，3D建模都十分重要。在BIM中的主要用途有3個(gè)方面：①將2D工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D可視化模型，便于工程人員與施工管理人員消化熟悉工程的具體結(jié)構(gòu)與布置；②可賦予3D模型材料屬性與邊界條件后，用于工程力學(xué)仿真分析；③為后續(xù)的地形仿真、施工布置、施工進(jìn)度仿真、施工動(dòng)畫(huà)模擬提供實(shí)體模型。

2.BIM技術(shù)在水利工程施工方案布置中的仿真應(yīng)用

BIM系統(tǒng)一般還配置有AIM軟件，可用于在虛擬環(huán)境中快速布置建筑、設(shè)備、地形等模型?？梢詫⒁陨蠋讉€(gè)模塊建立的模型快速導(dǎo)入其中進(jìn)行虛擬布置，其中由Revit模塊建立不同時(shí)段的施工混凝土結(jié)構(gòu)模型，也可以進(jìn)行時(shí)序化布置，以進(jìn)行工程各階段的施工展示，在應(yīng)用AIM模塊進(jìn)行施工方案快速布置展示時(shí)，應(yīng)注意不同施工場(chǎng)景文件的分類(lèi)與時(shí)序化管理。BIM的4D施工管理除了3D之外的第4個(gè)參數(shù)就是時(shí)間，對(duì)于施工進(jìn)度的體現(xiàn)，是BIM的一個(gè)非常重要的特色功能，因此時(shí)序化在AIM設(shè)計(jì)中要認(rèn)真處理。

3.BIM技術(shù)在水利工程導(dǎo)流三維動(dòng)態(tài)可視化仿真應(yīng)用

水利水電工程在對(duì)導(dǎo)流進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理的施工過(guò)程中，一般需要使用大量的數(shù)據(jù)和圖形信息。譬如水壩地區(qū)的水文、地形、地貌、地質(zhì)資料和樞紐設(shè)計(jì)、施工場(chǎng)地布置和施工導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)等各式各樣的數(shù)據(jù)和圖紙。如何對(duì)這些錯(cuò)綜復(fù)雜、數(shù)量繁多的信息進(jìn)行高效、快速的取用、管理，是提高設(shè)計(jì)效率和施工管理水平的關(guān)鍵。施工導(dǎo)流的方案設(shè)計(jì)作為施工組織設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)過(guò)程極其復(fù)雜，并且設(shè)計(jì)出來(lái)的導(dǎo)流方案沒(méi)辦法做出實(shí)際的、直觀的比較。所以在水利水電工程導(dǎo)流設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)BIM水利水電工程施工過(guò)程可視化仿真技術(shù)可以形象直觀地表達(dá)出導(dǎo)流設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

4.BIM技術(shù)在混凝土壩施工的動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用

由于需要注意施工現(xiàn)場(chǎng)溫度、應(yīng)力、澆筑機(jī)械設(shè)備布置和澆筑能力等因素的作用，在對(duì)混凝土壩進(jìn)行施工時(shí)，需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)溫度、應(yīng)力、澆筑機(jī)械設(shè)備布置和澆筑能力將混凝土壩按照一定原則進(jìn)行分縫分塊澆筑?；炷翂螡仓臄?shù)量大，通常需要澆筑成千上萬(wàn)塊混凝土，并且由于混凝土壩澆筑的施工約束條件過(guò)于復(fù)雜，就造成在人工安排澆筑順序和進(jìn)度上難度較高?，F(xiàn)在通常在一般水利水電工程中使用的是憑經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比的方法，按照每月升高的澆筑層數(shù)和混凝土澆筑強(qiáng)度的指標(biāo)來(lái)作為施工計(jì)劃的參照指標(biāo)。但是這種方法沒(méi)有系統(tǒng)的定量技術(shù)分析，在施工過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確判斷施工各階段進(jìn)度和混凝土壩升高過(guò)程是否能達(dá)到大壩施工的要求。

由于計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的出現(xiàn)，特別是系統(tǒng)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上將混凝土上壩施工的動(dòng)態(tài)過(guò)程真實(shí)地模擬出來(lái)。通過(guò)對(duì)不同混凝土施工方案進(jìn)行模擬，觀察產(chǎn)生的施工動(dòng)態(tài)過(guò)程，然后根據(jù)不同施工方案下混凝土施工進(jìn)程的模擬的各項(xiàng)定量指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，制定出科學(xué)合理的施工進(jìn)度計(jì)劃。通過(guò)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上輸入各種可影響澆筑施工的變量，建立一個(gè)混凝土壩的施工系統(tǒng)模型，在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上建立一個(gè)可模擬水利水電工程的仿真計(jì)算軟件。然后使用軟件對(duì)水利水電工程進(jìn)行模擬建設(shè)，通過(guò)輸入可實(shí)行的機(jī)械配套方案和相應(yīng)的施工技術(shù)參數(shù)，可以計(jì)算出機(jī)械配套的數(shù)量最優(yōu)比、機(jī)械的最優(yōu)利用率、每月的混凝土澆筑強(qiáng)度，并且還能獲取對(duì)應(yīng)的施工方案下對(duì)大壩進(jìn)行澆筑施工的詳細(xì)規(guī)劃進(jìn)度表。

5.BIM技術(shù)在水利施工結(jié)構(gòu)仿真中的應(yīng)用

BIM中還集成了建筑施工結(jié)構(gòu)工藝仿真模塊，常見(jiàn)的有Revit軟件等，主要包括建筑結(jié)構(gòu)配筋、施工設(shè)備建模、施工布置等。Revit軟件可以賦予三維模型多種建筑材料特性，比如結(jié)構(gòu)鋼、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土、磚砌等多個(gè)種類(lèi)。進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接利用現(xiàn)有三維模型，選取不同類(lèi)型的配筋形式轉(zhuǎn)化成施工配筋模型，供后續(xù)施工進(jìn)度模擬。另外，還可以建立施工設(shè)備模型，并且進(jìn)行布置，使用Revit進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該注意材料特性設(shè)置以及載荷的定義。相比PKPM等專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，Revit的功能更多的體現(xiàn)在MEP與建筑設(shè)計(jì)方面，因此用于正式評(píng)審的強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告，應(yīng)該用專(zhuān)業(yè)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算軟件分析后與計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上，通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)的發(fā)展分析，了解其模塊化結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，然后具體探討在水利工程結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)布置、三維動(dòng)態(tài)中的應(yīng)用，期望BIM技術(shù)在水利工程施工設(shè)計(jì)中得到推廣，提高水利工程的經(jīng)濟(jì)效益■

（作者單位：安徽省碭山市水務(wù)局235300）