用BIM設計水閘

楊榮海 李芬花 趙萌萌 李 壯

（ 華北電力大學可再生能源學院，北京 102206）

BiM是一個設施物理和功能特性的數字表達；是一個共享的知識資源，它可以分享有關這個設施的信息，為該設施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據的過程；并在設施的不同階段，不同利益相關方通過在BiM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協同作業。文獻[1]介紹了用BiM對農田項目的灌溉以及排水工程進行優化，建立各個構件的參數化族，完成信息關聯和驗證，研究BiM對水利工程帶來的價值；文獻[2]介紹了運用BiM制作水閘虛擬現實系統，對水閘進行調度管理和仿真實驗，達到控制、調度和管理水閘的目的；文獻[3]是基于BiM族和數字圖形介質理論，總結水閘工程中的族構件的種類，并制作成參數化的族以及族文件；文獻[4]則提出用C語言對Revit進行二次開發，將水閘工程量與概預算匹配，形成動態工程造價調整模型；文獻[5]通過對碾盤山水電站樞紐部分的三維設計，介紹了BiM的設計平臺、流程和專業設計成果，為優化和推廣BiM提供經驗；文獻[6]利用BiM在設計實際工作時的時效性和集約化，提出全參數自分析模型的概念，取得了初步的成果；文獻[7]采用了BiM與VB技術來對水閘進行族參數的建模，最終得出BiM與VB技術相結合，有利于提高水利工程施工進度管理；文獻[8]分析了BiM技術在水閘規劃、建設、施工和運行管理階段中的優勢，并對其發展進行了探討；文獻[9]利用三維數字模型對項目進行設計、建造、運營管理，使項目在設計、施工和使用等階段都能夠節約成本、提高效率；文獻[10]通過海河口泵站工程項目管理過程中BiM技術的成功應用闡述了BiM技術必將引領水利領域新方向；文獻[11]結合實例給予系統化的說明BiM技術在水利工程中的應用方式。

1 研究背景

隨著經濟發展迅速，建筑業蓬勃發展。近年來，人們消費水平提高，對居住環境有了更高的要求，相應的建筑公司對建筑項目工程的設計、施工和運行等過程也要求嚴格。為了更加高效率、高標準、高質量地完成項目，就要引進先進的技術或者在以前掌握的技術的基礎上做進一步改善，而BiM技術無疑是最好的選擇，也因此BiM技術在之后的建筑工程中得到了廣泛的應用。相應的水利工程和建筑工程卻有很大的不同，需要從全局考慮，系統地、全面地設計，有著規模大、工作條件復雜、技術復雜、工期長、各個專業的人需協同作業等特點[1]。因而，BiM技術在水利工程中應用緩慢，要想得到普及，還需要經過很長的一段時間。由于BiM技術在水利水電行業是一種先進的設計理念，全新的設計方式，最終必然會在設計行業中推廣開來，為水利工程的建設做出巨大的貢獻。

BiM技術在國外發達國家中普及程度很高，如歐美國家中美國是率先使用BiM技術的國家，使得BiM技術在美國建筑業中的使用率達到了80%以上，同時還發布了各種BiM標準[12]；韓國多部門制訂規范化的BiM標準，在建筑開發公司廣泛應用BiM并進行BiM的相關科研項目，最重要的是在高校中普及和推廣BiM教育[13]；英國是BiM技術應用程度最快的國家，在5年的時間內從剛開始的13%到50%再到最終的95%，都得益于英國政府政策的支持、民間團體BiM活動的繁多、設計公司的先天優勢以及對學習BiM的高度重視[3]。目前，我國越來越多的基礎設施類工程中也開始逐漸應用BiM技術，取得了很好的成績，如北京奧運會、上海世博會場館、上海迪士尼樂園、南京青奧會議中心等都引用了BiM技術。在水利工程方面相對于建筑業來說更為滯后，但也做出了一定的成績。如，長江勘測規劃設計研究院將BiM技術應用到南水北調工程中，中水顧問集團昆明勘測設計研究院將BiM技術應用到水電設計中[14]；天津大學在水利水電工程可視化仿真中應用了BiM技術，中水顧問集團北京勘測設計研究院將BiM技術應用到地質處理上[15]。

2 BIM介紹

建筑信息模型 （Building information Modeling，BiM）是以三維數字信息為媒介來仿真模擬建筑工程的各項相關信息而建立起來的建筑模型，通過該模型實現了項目從策劃、運行直至完結的全壽命周期的共享和傳遞。BiM技術的特點表現在以下三個方面[9]：（1） 設計的最終模型是以系統族、可載入族和內建族為基本元素，將建筑項目的各相關信息以數字化的形式存入模型，組成協同數據庫，最終將真實世界的建筑以模擬的形式呈現；（2） 模型構件間數據相互關聯，對于建筑師、工程師、繪圖人員以及項目的其他相關人員能夠即時共享數據和協調數據，提高了項目精確度和質量；（3） 除了可以出立面圖、平面圖、剖面圖等普通的二維圖紙外，在對建筑模型進行了可視化、協調、優化后，可以出經過碰撞檢查和修改后的綜合管線圖、預埋套管圖，還有檢查報告跟修改意見方案，更進一步完善模型。這三方面中最重要的就是建筑項目的“信息”，信息的準確，信息的實時溝通共享，在提高生產效率、降低造價、縮短工期等方面發揮著十分重要的作用。

3 水閘建模

3.1 閘室段

閘室段是通過內建族來完成的。首先，通過內建構建中的拉伸選項來繪制邊墩和中墩平面圖，然后在立面視圖中將其拉伸到所需要的高度 （提前設定好的標高），這樣中墩和邊墩就拉伸出來了；第二步，通過內建族來分別繪制支墩族和支座族族并載入到項目中，放好它們的位置，可以通過對齊選項，將它們對齊；第三步，繪制閘室的底板，這一步驟可以通過Revit中結構基礎的板功能實現，而且通過編輯類型可以編輯出自己想要的樓板厚度；第四步，繪制齒墻，用revit中墻功能實現，同樣可以通過編輯類型設定自己想要的參數；第五步，繪制閘門槽族，閘門槽族是用空心拉伸來完成的，載入到閘墩中后需要剪切掉門槽族；第六步，用revit中樓板和梁的功能分別繪制交通橋和梁，然后將它們分別連接到閘墩中，通過切換連接順序切掉多余部分；第七步，通過revit中墻、欄桿扶手和樓梯功能繪制防浪墻、欄桿和樓梯；第八步，繪制啟閉機房，首先確定啟閉機房的頂部標高以及底部標高，然后通過revit中梁、板、柱、墻、門、窗、屋頂等直接實現啟閉機房的各部分繪制，這樣就完成了閘室段的設計。圖1～9為設計步驟圖。

圖1 邊墩

圖2 中墩

圖3 支墩族

圖4 支座族

圖5 閘門槽族

圖6 閘墩三維圖

圖7 交通橋

圖8 啟閉機房

圖9 閘室段

3.2 內消力池

首先確定擋土墻的底部和頂部標高；然后通過revit中的墻族來繪制擋土墻，擋土墻的數據依然可以通過編輯類型自己定義，底板用Revit中板族實現；最后，消力池的異形底板可以用內質構建中的拉伸來繪制并載入到項目中。圖10～13為設計步驟圖。

圖10 擋土墻

圖11 異形底板

圖12 內消力池平面圖

圖13 內消力池三維圖

3.3 內引港

首先繪制左右岸擋墻中心線，然后創建埋石砼擋墻輪廓族并載入到項目中，通過放樣功能拾取擋墻中心線來繪制左右岸擋墻輪廓。注意到左右岸擋墻不同，可以通過修改族來改變左右岸的擋墻。最后，用Revit中的板族來繪制內引港的底板。圖14～17為設計步驟圖。

圖14 埋石砼擋墻輪廓

圖15 擋墻左岸

圖16 擋墻右岸

圖17 內引港

3.4 外消力池

首先繪制軸網用來控制消力池的尺寸，然后用Revit中板族繪制擋墻底板，用墻族繪制扶壁，最后通過內建族來繪制異形底板，再通過空心拉伸去掉兩側多余的部分。圖18～20為設計步驟圖。

圖18 擋墻底板和扶壁

圖19 異形底板

圖20 外消力池

4 水閘三維模型圖

完成水閘各個部件之后，通過鏈接Revit將它們分別導入新建的項目文件，將它們的位置對齊，然后通過共享位置來修正項目文件中的定位，修正之后就可以根據閘室的尺寸位置來對其他部位進行修改。打需要修改的文件，通過鏈接Revit載入閘室，載入閘室時候選擇通過共享坐標，這樣就可以保證它們是對齊的狀態，方便修改尺寸。內引港的標高與其他部件的標高是不統一的，修改時可以將其基點標高修改為零，然后調整其他標高的數值。都修改完成后，水閘的設計完成。圖21為水閘三維模型圖。

圖21 水閘三維模型圖

5 結語

本文利用BiM軟件中的Revit來設計水閘，詳細闡述了水閘各個部件的建模過程，通過上面的設計可以得出以下結論：

（1） Revit軟件中“族”很重要，幾乎所有的設計都需要通過創建族或者利用軟件中已有的族來完成；

（2） 在精確建模的基礎上，Revit建模生成的平面圖與立圖完全對得起來，圖面的質量受人為影響的因素影響很小，而利用CAD繪圖或其他繪圖工具畫出的平面圖和立圖受人為因素影響較大，很可能有很多地方不交接；

（3） Revit具有強大的聯動功能，平、立、剖面、明細表雙向關聯，一處修改，處處更新，自動避免低級錯誤，而且可以通過平鋪視圖來同時觀察多個視圖，本文中最后三維模型圖，就是根據共享位置來實現水閘各個部件的聯動；

（4） Revit是使用一個圖形化的“族群編輯器”創建參數化構件，而非使用程序語言的方式，設計會節省成本，節省設計變更，加快工程周期。