基于BIM正向設計的某公園溝道治理方案比選

王 兵，解 豪，楊 礫

（1.陜西省渭河生態區管理局,陜西 西安710001;2.陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

BIM技術簡單來說，狹義上指的就是三維建模。近年來，隨著計算機技術和工程設計的大力發展，BIM技術在各行業尤其建筑行業得到迅猛發展。水利行業由于其工程特點的特殊性，尤其是地質地形的復雜性，一定程度上阻礙了BIM技術的發展和應用。但隨著科技發展和提升設計技術水平的需要，國家也開始在水利行業大力推廣BIM技術，其中以大型設計院為代表的設計單位走在了水利行業的前列。而水利行業BIM技術在走過10年左右的發展道路，于近兩年正式進入正向設計階段。

BIM正向設計是直接在三維環境下進行設計，完成參數化設計、方案比選、設計優化、工程算量、造價、出圖完成設計的全過程[1]，保證設計的完成度和精細度，減少二維的設計盲區，并讓模型服務后期施工和管理運行成為可能，達到工程建設全生命周期的BIM應用，這也是BIM正向設計的最終目標[2]。這是完全區別于以前從二維CAD到三維BIM逆向建模為主要方法的BIM設計理念。

文章采用CATIA三維軟件以項建階段花園溝溝道為例，以地質測量數據為基礎，采用參數化設計，通過地質建模、設計方案建模、設計方案優化等過程，完成從地質數據到設計方案選定的BIM正向設計過程。

1 溝道綜合治理的BIM正向設計

公園位于秦嶺北麓淺山區丘陵地帶，北鄰S107省道，南至北麓淺山山區，西臨田峪河，東接赤峪河，南北寬約1.85 km，東西長約2.63 km，總用地面積4.87 km2。花園溝是公園內較大一條溝道，溝道總長約1.3 km，溝道前900 m平均坡降約5%,后400 m平均坡降約17%。溝道最大深度90 m，溝底平均寬度25 m，兩岸山體較為雄厚，兩岸自然坡比較緩，左岸坡比約1∶1.8，右岸坡比約1∶2.3。溝道上部為殘坡積粉土根孔十分發育，厚一般1.0 m～1.5 m；其下部為中更新統洪積離石黃土，其厚度為大于10.0 m，堅硬致密；其底部為中元古界基巖。

1.1 地質建模

地質建模包括地形模型和地質模型。以原始資料包括地形數據、鉆孔數據、地質測繪數據為基礎資料建立合理準確的地質模型[3]。由于設計階段深度限制，地質資料缺乏，設計模型僅地形數據進行地形建模。

模型采用地形數據為測繪專業提供地形圖，采用1980西安坐標系統和1985國家高程基準，測量精度1∶1000。通過地形圖提取三維地形點云，由地形點云設定擬合精度，形成地形曲面，擬合地形面誤差平均小0.2 m。花園溝地形建模結果見圖1～圖3。

圖1 三維地形點云圖

圖2 三維地形圖

圖3 溝道地形縱剖面圖

1.2 正向設計思路

以地質模型為設計基礎，建立溝道主要建筑物三維參數化模型，根據設計方案要求，分別建立大壩軸線參數，大壩剖面參數，擋墻及谷坊斷面及位置參數，利用參數驅動，布置出不同的設計方案，并得到其主要工程量、建筑物主要參數、水庫庫容、匯水面積、回水長度等主要工程特性。

溝道綜合治理的設計任務為溝道治理（防止溝道下切，溝岸擴展，防止泥石流）和溝道防洪，保護下游某村莊人民群眾生命財產安全為為主，兼估公園生態治理，形成一定水域的觀景水面，美化和提升公園環境。根據地形，花園溝前段坡度較緩、后段坡度較陡，為達到溝道治理要求同時滿足公園生態環境提升要求，溝道總體設計方案為溝進口采用大壩擋水蓄洪，后段采用多級谷坊或擋墻防止溝道下切破壞。正向設計思路見流程圖4。

圖4 溝道治理正向設計流程圖

2 治理方案

2.1 方案1：混凝土重力大壩+2級谷坊

為與周圍生態環境相協調，及保證建筑物可靠性及耐久性，采用大壩攔洪（全攔全蓄）+2級谷坊的布置型式。大壩為重力式混凝土大壩，采用表孔溢流；2級谷坊為漿砌石重力擋墻型式，三維設計模型見圖5。

圖5 方案1三維設計模型

方案1充分利用地形地貌，根據溝岸雄厚程度及溝岸高程，修建單庫，2級谷坊方案。大壩可修筑最大壩高為50 m的重力壩。

大壩為混凝土重力壩，大壩壩頂高程560 m，最大壩高50m。壩頂長度326 m，最大回水長度約600 m，庫容約167萬m3。大壩壩體混凝土量約14.8萬m3。大壩及2級谷坊造價約6000萬元，考慮基礎開挖，壩基防滲處理等，工程造價約7000萬元。

此方案能充分利用溝道地形地貌，形成較大有效庫容和較大水域面積，形成良好的水面景觀，但投資較大，同時壩體較高，庫水位較高，對溝岸穩定不利。

2.2 方案2：混凝土重力大壩+3級谷坊

方案2修建單庫、多級谷坊方案。修筑高度較低重力壩，大壩最大壩高25 m，三維設計模型見圖6。

圖6 方案2三維設計模型

大壩為混凝土重力壩，大壩壩頂高程540 m，最大壩高25 m。壩頂長度202 m，最大回水長度約440 m，庫容約31.7萬m3。大壩壩體混凝土量約2.1萬m3。大壩及3級谷坊造價約800萬元，考慮基礎開挖，壩基防滲處理等，工程造價約1000萬元。

此方案能充分利用溝道地形，形成一定有效庫容和有效水域面積，形成一定的水面景觀，投資較小。

2.3 方案3：土石壩+3級谷坊

本方案布置型式和規模與方案二相同，區別為大壩考慮采用土石壩。

土石壩填筑方量約12.7萬m3，土石壩及3級谷坊造價約500萬元，考慮基礎開挖，壩基防滲處理等，工程造價約700萬元。同時由于土壩壩頂不能過水，須增修排水設施，溢洪道及排洪臥管等，此方案總造價約950萬元。

2.4 方案比選

上述3個方案雖均能滿足花園溝溝道治理任務及形成有效水面景觀兼顧公園生態治理的要求，但方案1投資巨大，顯然不夠合理，方案2及方案3投資均接近1000萬元，相對投資較小，具體對比見表1。

表1 花園溝治理方案主要工程量成果對比表

花園溝坡降較陡，欲通過水庫攔蓄形成有效水域面積，壩址宜選擇距溝口向內300 m溝道收窄處，壩頂高程宜在540 m高程，壩高宜在20 m左右。考慮攔洪蓄水，保證相應群眾安全及適應周邊景觀環境，推薦大壩為混凝土重力壩型式。即推薦方案2。

但對于溝道治理而言，方案2投資仍較大，若不考慮形成水面景觀、僅考慮溝道治理，建議取消大壩建筑物，沿溝道根據坡降布置多級谷坊，雖不能形成較大水域，但可形成多級較小觀景水面，亦可成為溝道景觀，同時可較大程度降低工程量，節省投資。

3 結論及建議

通過花園溝溝道治理方案比選對BIM正向設計進行初步探究，根據設計成果可見BIM技術在項目前期方案比選中體現了較大的優勢。但BIM正向設計是BIM設計的最終目標，本文僅對項目前期方案比選做了粗淺研究。BIM正向設計應用于項目設計的全過程，仍需要設計人員做出更多努力和研究實踐。