復合壩設計BIM通用模型的研究及應用

陳 勤，周雪梅，賈 超

（黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003）

BIM技術近幾年來發展迅猛，廣泛應用于建筑設計［1］、水利設計［2］、可視化仿真［3］、模型建立及應用［4］、三維協同設計［5］等。

參數化建模是BIM設計的關鍵因素，它不僅提供了可靠的數字建筑信息，提高業務流程的效率，還可以捕捉真正的設計本質——設計師的意圖。越來越多的設計人員已經認識到BIM的參數化建模在提高設計效率上的優越性，在BIM模型的建立過程中利用參數來提高模型能力及模型更新意識，但這還只是針對某個具體的工程而言，其建立的數字模型在同類工程中的通用性不強。本文的復合壩BIM模型通過定義模型中各個建筑物之間的所有可能關聯性，實現了在同類工程中的通用性。

復合壩BIM模型更進一步將設計經驗轉化為數據，將數據轉化為知識，將知識融入到BIM模型中，即將知識融入到工程設計中，實現知識自動化［6］。

1 應用背景

經過近幾十年來水利水電工程的開發，大壩建壩的地形地質條件愈加復雜多樣，采用傳統單一壩型建壩受到制約或在經濟上不合理。復合壩結合了重力壩及土石壩的優點，使其成為復雜地形地質條件下建壩的一種高效解決方案。

復合壩通常包含泄水建筑物（底孔、表孔）、擋水建筑物（重力壩、土石壩）、連接建筑物（刺墻、擋土墻、裹頭）等。筆者統計了國內外部分已建（6座）和在建（6座）的復合壩工程及其典型布置，見表1。

表1 復合壩建筑物布置統計表

基于混合壩在工程設計中的普遍應用，若每個復合壩工程分別建立BIM模型，將會費時費力。正是為避免重復建模、反復建模，本文建立了復合壩的BIM通用模型。

復合壩的布置組合靈活多變，涉及的建筑物類型多，各建筑物需要滿足泄流規模、筑壩材料等工程需要，要實現建立BIM通用模型的目標存在諸多技術難點。

通過分析國內外復合壩布置特點，總結設計經驗，從工程設計需要出發，結合三維應用技術，建立了復合壩BIM模型，如圖1所示。模型主要包含泄洪底孔、泄洪表孔、重力壩、刺墻、擋土墻、土石壩、裹頭等建筑物。

圖1 復合壩設計BIM通用模型簡圖

2 BIM幾何模型構建

BIM模型實現參數化設計，從本質上講是構建多個建筑物之間的“組合”設計，主要包括兩個方面：一是建筑物自身的參數化設計，二是建筑物之間的關聯性參數化設計。

本設計BIM通用模型基于CATIA三維設計平臺進行開發。在BIM幾何模型構架建立中，探索了新的建模思路和方法，實現了幾何模型的全參數化設計。其關鍵點如下：

（1）設置建筑物頂級控制平面

通過將建筑物與唯一的頂級控制平面進行關聯，實現建筑物布置的開與關，在需要取消建筑物時，只需刪除其控制平面就能把與該建筑物有關的子集元素全部刪除，操作簡單方便，并且保證了模型樹的結構清晰。

（2）通過體型參數控制實現構件間的關聯

利用構件的體型參數來控制構件間的關聯性，簡化構件間的參數設置問題，利用一套體型參數解決兩套參數化設計問題，建筑物體型參數的調整不僅能更新建筑物本身，也同時保證了整體模型的更新。

（3）變換建筑物草圖的約束方法

常規建模時，建筑物體型草圖通常采用幾何標注的約束方法，但是幾何標注約束對尺寸的正負值無法識別，一旦建筑物的布置方向發生改變，草圖會出現更新錯誤而導致實體無法生成。通過引入與幾何標注參數相關聯的外部參考元素對草圖進行約束，實現建筑物在變換任何位置情況下均能實現模型的自動更新。

（4）突破開挖參數化的技術難點

三維設計的開挖建模因為不同的建筑物開挖建模方法不同、耗時長、更新易出錯等特點，使得其成為提高建模速度的一個制約因素。而參數化建模的開挖不僅涉及到建基面的參數化確定，更涉及到建筑物之間的參數化關聯，實現開挖參數化是建立BIM通用模型的技術難點之一。但要滿足復合壩BIM通用模型的實際功能，就必須突破這一技術難點。本文的BIM通用模型在開挖參數化方面采取了如下的建模方法：通過建筑物開挖參數定義建基面；利用體型參數對開挖草圖進行約束來定義建筑物之間的相互關聯。以此突破了開挖的難點，實現了開挖的參數化，該BIM通用模型的開挖面如圖2所示。

圖2 復合壩設計BIM通用模型開挖面簡圖

（5）充分利用知識工程

建立包括定位控制、體型控制、開挖及工程量四部分的參數集，實現高度的參數化。用設計表將控制某一類布置或體型的參數進行關聯整合，建立工程布置數據庫方便調用；利用法則曲線和規則實現復雜曲線的體型控制；利用模板簡化建模過程。

3 BIM數據模型構建

（1）滿足規范要求體現設計意圖

參數化建模使用參數（特性數值）來確定圖元的行為并定義模型組件之間的關系。這意味著設計標準或意圖可以在建模過程中加以捕捉。模型編輯工作變得更加簡單，還可以保留原始的設計意圖。通過將設計規范內嵌于參數之中，并對參數的取值范圍設置規則，如果參數取值符合設計規范，將得到正確的體型，否則會給出警告，以此指導設計。

為模型添加注釋是為了融入模型設計及工程設計經驗。通過這些注釋，可以對參數的取值、模型的操作進行說明，并對參數的取值提供建議，為設計提供指導意見，更有利于BIM通用模型的應用推廣。

（2）數據自動化提取和復用

對于水利設計人員來說，對參數定義屬性的重大意義之一在于可以進行各種統計和分析，而在BIM通用模型中完全是自動化的，通過建立主要建筑物及開挖的工程量參數，并通過工程量表對這些參數進行關聯，實現工程量在任何模型信息修改后均能自動更新。然后在三維模型中導入常用的三維算量軟件，套用清單后得到工程投資［7］。在工程布置修改后，工程量及投資均能自動更新。避免二次建模、提高專業協作效率。

（3）輔助設計

樹木在視覺環境上是繁雜的，因此你最好靈活選擇一支變焦鏡頭，比如70-200mm來簡化畫面，壓縮樹木的透視，創造一個緊密的視野。沿用傳統的構圖三等分原則，即地平線在下1/3處，讓枝葉填滿畫幅的上半部分。整體畫面充分體現森林的繁茂，帶給觀眾最直觀的沖擊。

抗滑穩定計算是水工設計的重要計算，常規設計是把建筑物體型劃分成為底板、胸墻、閘墩等不同部位，分別計算重量及測量型心位置，一旦體型變化，需要重新測量。為此推導出模型與計算表格之間的坐標換算關系，這樣可以在三維中進行一次測量，方便快捷地獲得結構整體自重荷載及其型心，提高穩定計算的效率。

4 應用簡介

通過調整復合壩BIM通用模型參數，應用于不同工程、不同壩址、不同的建筑物布置組合、不同的建筑物型式、不同壩高，實現模型的快速更新。應用特點如下：

（1）不同工程

復合壩BIM通用模型在不同工程中的應用步驟主要為：首先導入地形面形成新的工程地形體，再修改壩軸線控制點坐標，然后修改主要的布置定位控制元素，最后修改開挖控制參數，至此完成了復合壩BIM通用模型應用于不同工程的操作，在此基礎上進行后續的其它設計。

（2）不同壩址

水利水電工程在可研等前期設計階段，根據SL618-2013《水利水電工程可行性研究報告編制規程》要求需要對壩址進行綜合論證比較，設計工作重復繁瑣，復合壩BIM通用模型正是通過修改壩軸線控制點坐標實現快速調整壩址，極大地提高了設計效率。

（3）不同的建筑物布置組合

總結表1的復合壩布置，由于地形及河床地質條件或工程布置的制約，泄水建筑物常存在底孔和表孔分別布置在左右兩岸的情況，為實現快速更新模型，實現模型中泄水建筑物位置調換問題，本BIM通用模型利用設計表將相關的布置參數進行關聯整合，從而實現一鍵切換泄水建筑物布置。同時不同的地形地質條件或不同的布置，通過調整建筑物的頂級控制平面，快速增減建筑物，實現不同建筑物的快速組合。

（4）不同建筑物體型

本BIM通用模型中所包含的所有建筑物的體型均可以根據設計需要進行修改，舉例如下：

①在工程設計中，泄流規模的確定是后續工作開展的基礎，本BIM通用模型可以通過調整泄水建筑物的體型參數，快速實現不同泄流規模下的模型更新。

②擋土墻提供了扶壁式與重力式兩種型式，擋土墻的體型可以根據穩定計算結果修改相應的參數即可得到。

③土石壩段根據不同的筑壩材料壩坡是不一樣的，通過修改上、下游壩坡坡比參數即可快速得到土石壩的體型。

（5）不同壩高

在前期設計階段，為了確定水利水電工程的規模，需要對正常蓄水位進行比選，不同的正常蓄水位對應不同的壩頂高程，而復合壩BIM通用模型可以通過修改壩頂高程參數即能快速地調整壩頂高程，同時保證基礎不變。

5 結語

基于CATIA三維設計平臺，通過參數集驅動設計幾何信息，實現復雜水工建筑物的積木式組合布置；通過內嵌設計規范及經驗知識，初步實現了設計過程的智能化；利用BIM技術整合幾何模型和數據模型，搭建了模塊化的專業設計平臺。

BIM以數字建模信息為基礎，集成各種工業信息，以提高業務流程的效率。BIM使用參數化建筑建模生成可靠的數字建筑信息，并應用到這些業務流程中。利用本BIM通用模型，最大程度的發揮出BIM的功能和價值，為BIM的參數化建模提供參考價值。

［1］張建平，余芳強，李丁.面向建筑全生命期的集成BIM建模技術研究［J］.土木建筑工程信息技術，2012（03）：6-14.

［2］孫少楠，張慧君.BIM技術在水利工程中的應用研究［J］.工程管理學報，2016（04）：103-108.

［3］李敏.基于BIM技術的可視化水利工程設計仿真［J］.水利技術監督，2016（03）：13-16.

［4］劉增強，郭莉莉，董甲甲，等.厄瓜多爾CCS水電站沉砂池BIM應用［J］.河南水利，2016（10）：21-25.

［5］宋明佳.水利水電行業三維協同設計中三維可視化的應用與研究 ［J］.水利規劃與設計，2013（12）：57-60.

［6］劉輝.水利工程智慧之路探討——從通用IT到知識自動化到數據智能［J］.水利規劃與設計，2017（12）：81-84.

［7］袁榮麗，朱記偉，楊黨鋒，等.基于BIM技術的建筑工程三維算量應用研究［J］.工程管理學報，2017（04）：106-110.