BIM技術在新疆拱拜孜水庫工程中的運用

李佳雨桐

(水利部新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

拱拜孜水庫工程位于新疆維吾爾自治區阿克蘇地區溫宿縣境內，是柯克亞河上的控制性水利樞紐工程，工程主要任務為灌溉、防洪及城市工業供水。水庫總庫容5214萬m3，控制灌區灌溉面積14 000 hm2。工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，由瀝青混凝心墻砂礫石壩、表孔溢洪洞、泄洪沖沙兼導流洞和引水洞組成。

1 研究背景

自2002年BIM被提出以來，已席卷全球整個工程建設行業。BIM的核心是協同，通過協同設計，實現效率的提升和設計手段的變革，讓設計人員從繁重的低技術含量、重復性勞動中解放出來，是一次重大的飛躍。

數字技術是當代設計企業煥發新活力的推動器，也是新環境下設計人員應該為業主提供服務的一種手段和方法。由于BIM項目的可視化程度高，某種程度上是實際工程的具體展現，可以根據BIM項目的進度實時觀看、檢查、糾偏，并進行實際施工現場的場地布置，優化工程設計及施工組織設計等，同時能夠提高工程設計的準確性、合理性，工程量的統計及項目的成本分析具有更高的可控性。將BIM技術應用到水利工程勘察、設計、建造和管理中，已成為當前和今后發展的大趨勢。

雖然目前市面上沒有任何一款BIM軟件平臺是針對水利行業開發的，但同類設計軟件品類較多，功能較全，用戶只需根據自身需要及工程設計需求合理選擇即可出色完成各類工程設計。

本文主要根據土石壩設計的特點及設計成本的控制，采用歐特克(Autodesk)公司旗下產品(Autodesk Civil 3D、Autodesk Inventor、Autodesk Infraworks)開展前期規劃設計的探討。

2 模型創建

工程在應用BIM技術的過程中，有以下難點問題：

(1)對天然地形地貌高精度還原難度大、數據量大。

(2)水工建筑物依地形地質條件設計，多為非標準異形結構。

(3)施工總布置建立在大尺寸工程區地形上，涵蓋所有專業建筑物，數據量也十分龐大。

根據軟件自身特色，將項目分為壩體設計、水工建筑物設計及施工總布置三個模塊。壩體設計模塊主要以Autodesk Civil 3D為主，建立測量專業地形地貌三維模型，進行各專業開挖、填筑設計；水工建筑物模塊主要以Autodesk Inventor為主，建立樞紐布置中各專業建筑物模型，進行結構體型設計、驗算；施工總布置模塊主要以Autodesk InfraWorks為主，建立和集成施工總布置中各種建筑物、施工道路、臨建場地、設施模型，全局開展施工階段場地規劃設計。項目后期，最終成果均可在統一的Vault協同平臺上進行數據交互，在Autodesk Navisworks軟件中進行項目整體模型整合，進行三維可視化校審、碰撞檢查、進度模擬等工作。借助Autodesk BIM 360云平臺，開展項目參見各方的信息共享與協同工作。

2.1 壩體設計

由于項目全專業均是基于工程區地形、地質開展設計，因此設計初期精確、可靠的勘測數據對后期模型的精準化建立尤為關鍵。通過本項目的方法研究，可將建模過程歸為以下幾步：

(1)根據地形圖資料及測量點、地物點建立地形曲面，確定推薦、比選壩軸線精確坐標。

(2)分別將兩壩軸線轉換為要素線，并將經調洪演算計算的壩頂高程賦予兩壩軸線。

(3)確定各壩軸線放坡組名稱及放坡規則。

(4)通過放坡工具生成壩體曲面。

(5)依據規范選擇適宜本工程上壩路位置，并將其轉換為要素線，根據壩高選擇合適上壩坡度并賦予要素線。

(6)對上壩路進行放坡并粘貼至大壩放坡曲面，如圖1所示。

(7)對大壩及地形曲面求差，即可得壩體工程量。

圖1 按設計壩坡及上壩路坡度組建大壩模型

2.2 水工建筑物設計

水工建筑物往往具有結構復雜、關聯性強等特點，通過Inventor進行參數化建模(見圖2)能在多方面把技術人員的想法通過立體圖形的形式形象表現出來，并且可通過裝配、計算、仿真等功能十分迅速有效地解決各類設計難題。

利用Inventor建模一般先對能夠較全面反映建筑物特征的工作平面進行概念草圖設計，再利用用戶自定義的尺寸或結構計算得到的尺寸對草圖約束，使其自由度為零，在概念草圖的設計過程中，可使用草圖醫生檢查閉合后再進行下一步工作，接下來根據模型的特點做拉伸、放樣、掃掠等操作即可得到建筑物模型，最后還可根據項目的需要進行平、立、剖三維工程圖紙的繪制、剖面視圖下校核模型的準確性(見圖3)以及建筑物模型工程量的統計等。

2.3 施工總布置

Autodesk InfraWorks的三維設計與展示具有通用性強、高精度、易修改和三維可視化等優點，通過其可以將Civil 3D中設計的曲面(IMX格式)以及Inventor中建立的建筑物模型(FBX、3DS格式)集成展示，并通過導入施工區域進行項目的臨建場地規劃、標準化建設、亮點策劃等，更加生動、全面、立體地反映整個工程，如圖4所示。

圖2 參數化驅動水工建筑物模型

圖3 使用剖面視圖校核模型

圖4 可視化進行施工臨建場地規劃

為了更生動地展示工程區開挖后及原始地貌，可以在Infraworks中將該區域的衛星圖與地形信息通過坐標控制貼合在一起，起到更加真實的效果，其具體操作步驟如下：

(1)在Civil 3D 中通過“MAPCSASSING”命令賦予各設計曲面真實坐標系。

(2)通過“91位圖”等第三方地圖軟件下載帶坐標工程區衛星圖片。

(3)在Infraworks中創建新模型，以IMX格式導入Civil 3D中設計曲面，以Raster格式導入第三方下載的衛星圖片。

(4)以第一步中坐標系進行數據文件的配置，Infraworks將會自動根據兩者在坐標系中位置對其進行整合，如圖5所示。

三維地形地貌建立完成后即可利用軟件自帶功能進行道路、橋梁、場地的規劃設計，在設計路線及場地的選線過程中，可在Civil 3D中根據二維平面圖帶有高程屬性的線或多邊形以“Mapexport”命令導出為SDF格式，配置后即可得到其可視化后的場景，從而進行方案布置的最優化，同時，在Infraworks中設計的道路及場地可準確、迅速、直觀地得到對應的土方量，如圖6所示。此外，Infraworks還搭載了云平臺，包含了匯水分析、交通模擬、工作組間數據共享等功能，對設計、業主、施工方來說都是一場極大的變革。

圖5 按實際坐標系配置地形數據源

圖6 貼合地形準確進行道路設計及工程量計算

3 結 語

通過將BIM技術引入到土石壩仿真設計中，體現了其如下價值：

(1)利用三維可視化成果，可通過多視角審視和虛擬漫游等手段，實現工程問題前置，進而及早發現問題，優化設計。

(2)直觀可視化的三維模擬將以一種所見即所得的方式表達設計方案意圖，可有效地提高工程參建各方的溝通效率。

(3)通過參數化、關聯性及模板化設計，可以實現參數驅動下的模型適應變形，并可在同類項目中實現設計成果的反復調用。

(4)通過精細化BIM模型設計，可準確對模型進行工程圖的繪制以及材料量清單的統計。

(5)三維可視化模型不僅可以模擬工程完建場景，還可提高設計方案的可讀性和項目校審核的精度，保證工程質量。

水利工程BIM設計使設計方可以準確、及時、有效地表達設計意圖，加強了各專業間的協同合作能力，大大提高了工作效率，保證了產品質量，提高了服務水平。