BIM技術在雙曲拱壩建模中的應用

宋丹

摘 要：雙曲拱壩屬于一種復雜結構的壩型，用傳統的三維建模軟件建立雙曲拱壩模型耗時長，且需要大量的人力和物力;而Dynamo參數化建模板塊通過一系列預定義節點，按照一定的邏輯串聯起來，并將大批量與機械化工作交付給軟件自動計算，能快速準確地建立雙曲拱壩模型，提高設計質量和效率，實現了從手工繪圖向程序自動設計的重大飛躍，對水利工程施工有著極大現實意義。Civil 3D是一款專門用于創建三維數字地形模型的軟件，可以利用數字化的地形模型，計算土石方開挖、多級邊坡放坡、斷面設計等。本文對Civil 3D地形處理和用Dynamo參數化編程建立雙曲拱壩模型展開研究。

關鍵詞：雙曲拱壩;Dynamo;Civil 3D;BIM技術

Abstract： The double-curved arch dam belongs to a dam type with a complex structure. It takes a long time to build a hyperbolic arch dam model with traditional three-dimensional modeling software， and it needs a lot of manpower and material resources. Dynamo parametric modeling plate， through a series of predefined nodes， is connected in series according to certain logic， and delivers large quantities and mechanization work to the software for automatic calculation， which can quickly and accurately build a hyperbolic arch dam The model can improve the quality and efficiency of design and realize the great leap from manual drawing to automatic program design， which is of great practical significance to the construction of water conservancy projects. Civil 3D is a software specially used to create 3D digital terrain model， which can be used to calculate earthwork excavation， multi-level slope grading， section design， etc. In this paper， the civil 3D terrain processing and the establishment of double-curved arch dam model by dynamo parametric programming are studied.

Keywords： double-curved arch dam;Dynamo;Civil 3D;BIM technology

雙曲拱壩是一種在水平斷面上和豎直斷面上同時向上游彎曲的連續光滑的三維空間曲面殼體[1]。由于這種特殊壩體結構的力學性能，使大部分水平荷載傳給了兩岸的邊坡，利用兩岸堅固的邊坡反作用支撐整個大壩的安全穩定。因此，在我國西南地區的高山峽谷中修建了大量的拱壩。比如，四川省壩高240 m的二灘拋物線雙曲拱壩、壩高285.5 m的溪洛渡拱壩;云南省壩高292 m的小灣拋物線雙曲拱壩;世界上最大的在建水電站壩高289 m的白鶴灘雙曲拱壩。據相關資料統計，建國之后，我國共修建了拱壩800余座，在設計和施工技術方面積累了較多經驗，在全球處于世界領先水平。

但是，一個拱壩工程的完成往往需要在設計階段花費大量的人工、時間進行壩體的繪制、調整，以及施工階段進行工程放樣和工程量計算。因此，根據拱壩設計計算的困難性和施工技術的復雜性，拱壩的參數化快速精準建模勢在必行。

1 軟件介紹

1.1 Civil 3D軟件

Civil 3D是歐特克公司推出的主要用于道路設計、市政管廊、曲面設計的三維設計軟件，其可以根據地勘數據、等高線等快速生成三維數字地形曲面[2]。

本課題主要根據原始地形數據，利用Civil 3D創建大壩區域三維數字地形模型，按照設計圖紙進行開挖放坡，最后與雙曲拱壩模型相結合，精準計算混凝土工程量。

1.2 Dynamo軟件

Dynamo是一款歐特克公司研發的可視化、參數化的編程軟件，是應用在Revit上的開源插件。可視化編程是指設計師通過圖形化界面創建程序，不必從白紙開始一行行地寫程序代碼，用戶可以簡單地連接預定義功能模塊，輕松創建自己的算法和工具，把冗長煩瑣的建模過程自動化起來，創造一個用表達式生成三維形體的工具（見圖1）。如果發現Dynamo自帶的結點無法滿足需求，Dynamo還允許研究者用Python腳本直接調用所有的Revit API，這使其可以更加輕松地定制自己想要的Revit模型。此外，Dynamo程序與Revit模型能夠即時聯動，無須輸出與導入，使建模過程更加快捷方便。

本課題利用Dynamo根據雙曲拱壩相關參數方程快速準確地建立拱壩模型。由于計算機硬件設備受限，精度為0.5 m×0.5 m。編制程序創建自定義節點，對拱壩形體的復核、測量放樣、模板制作、分層分塊、工程量計算等進行計算機模擬，實現拱壩建設中所有計算、分析計算機化。

2 項目應用

2.1 項目簡介

精河二級樞紐調蓄水庫兼有發電功能。工程位于新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內的精河上，壩址至精河縣城55 km，距博樂市147 km，距奎屯市244 km，距烏魯木齊484 km。樞紐壩址位于精河支流上，樞紐由混凝土拱壩、水墊塘及二道壩、發電引水系統和電站、生態放水洞、過魚設施等建筑物組成，水庫總庫容3.68億m3。

混凝土拱壩為拋物線型雙曲拱壩，壩頂高程880.5 m，最大壩高167.5 m，壩頂全長288.4 m。壩頂設置凈寬為2 m×10 m的自由溢流表孔，壩體中部設置壩內埋管式放水底孔，鋼管直徑2.4 m，出口設錐閥控制流量;工程總投資約11.9億元。

2.2 硬件配置

本項目BIM團隊配備5臺移動工作站：1臺DELL M6800筆記本電腦、4臺DELL 5520筆記本電腦（見表1）。

2.3 項目具體應用

本項目為中國水利水電第八工程局有限公司參與的投標項目。眾所周知，投標報價是根據招標文件中工程量清單計算而來的，而實際工程結算金額是前方監理工程師簽證的工程量，投標時清楚了解項目的理論工程量對投標方采取何種報價策略至關重要。本項目主要采用Civil 3D對項目的開挖工程量進行精確計算，利用Dynamo分層分塊統計拱壩工程量。具體應用流程如圖2所示。

步驟一：原始地形處理，生成地形曲面。由于招標文件中的地形圖存在很多干擾因素，比如，工程部位的一些結構線和輪廓線，其會影響后期的開挖放坡。因此，除了等高線，其他的圖元都應該去除。處理流程如下：①處理地形，去掉除等高線以外的其他元素;②Civil 3D以Excel格式導出原始地形點;③Civil 3D利用導出的地形點重新新建地形曲面。

Civil 3D有多種方式建立三角網地形曲面，包括點文件、邊界、等高線、特征線、圖形對象等方式。一般情況下，在招標階段，研究者只有含有一系列高程點或等高線的招標圖紙，因此其通常采用選擇“高程點”或“等高線”的方法來創建原始地形曲面。三維地形曲面創建完成后，鼠標右鍵選擇“對象查看器”功能，可以查看剛剛建立三維地形曲面，如果發現三維地形曲面中出現異常點，可通過菜單欄中“編輯特性”中的“刪除點”或者“刪除線”的命令對該曲面進行修正，確保數據的準確性。

步驟二：對新曲面進行開挖放坡，計算開挖工程量。三維地形曲面創建完成后，就可以利用放坡工具在地形曲面上進行開挖放坡。Civil 3D中的放坡是本軟件最強大的工具，它可以根據擬定的坡比沿著設定好的坡度和坡腳線，自動生成開挖后的地形曲面，并計算開挖與回填工程量。

Civil 3D開挖放坡工具有4種，包括放坡到固定距離、放坡到固定高程、放坡到相對高程、放坡到曲面。本課題采用的是放坡到相對高程的放坡方法。

首先采用多段線的命令繪制出雙曲拱壩壩基的開挖輪廓線，并在特征屬性中的“標高”賦予設計底部高程，在放坡開挖工具中選擇“放坡到相對高程”;然后，在地形曲面上選擇將要放坡的輪廓，生成開挖后的地形曲面;最后新建一個三角網體積曲面，“基準曲面”設置為原始地形曲面，“對照曲面”設置成開挖后的地形曲面，松散系數和壓實系數默認為1，設置好點擊“確定”，Civil 3D會自動計算兩個曲面之間的填方和挖方體積（見圖3）。

步驟三：導出開挖后地形點數據。后期為了方便建立雙曲拱壩模型，左邊原點定在拱壩壩頂中軸線的中點上，而地形圖坐標系則采用大地坐標系。因此，必須將地形圖原點進行調整，視其與拱壩原點一致。

步驟四：Dynamo建立雙曲拱壩模型。通常，雙曲拱壩有以下幾種曲線方程：幾何系數插值方程、拱圈中心線參數方程、拱圈厚度參數方程。拱壩建模思路一般是利用幾何系數插值方程確定每一個高程處的拱壩基本參數，然后利用已確定的參數和拱圈中心線參數方程繪制出拱壩各個高程的拱圈中心線，最后利用拱圈厚度參數方程確定上下游曲線，并生成實體。

根據圖4的節點計算拱壩的壩軸線，該節點給定某一高程，利用拱圈中心線參數方程繪制出拱壩中心線，并利用循環命令，高程每隔0.5 m執行一次運算。結果如圖5所示。

由于地形是由一系列細小的三角網格組成的，其并不是一個完整的曲面，在Dynamo內置節點中也沒有合適節點，因此需要自定義一個使地形生成完整曲面的節點。自定義節點輸入的是地形三角網格，輸出的是網格曲面。

步驟六：拱壩模型與地形網格曲面以原點對原點的方式相結合（見圖9），用地形網格曲面切割拱壩模型，去掉拱壩超出開挖地形之外的多余部分。

步驟七：按照要求分層或者分壩段進行工程量統計。工程量統計結果見圖10。

3 項目應用

本文以水利水電工程中大壩體型較為復雜的雙曲拱壩為例，依托新疆精河拱壩工程介紹了Civil 3D從原始地形曲面創建、開挖放坡、自動計算挖填方量以及Dynamo參數化建立拱壩模型等，在水利工程中拱壩壩體建模方面的應用，得到了較好的分析、計算和展示效果。基于以上軟件的使用，總結了Civil 3D以及Dynamo在水利水電工程中應用的優勢。

第一，在大規模土石方工程施工中，采用Civil 3D軟件與采用傳統手工計算方法計算工程量相比，效率明顯提高。采用傳統的手工計算，每個項目結算的時間至少要幾個星期，而且計算過程復雜，中間的計算步驟煩瑣，誤差積累較大，且出現錯誤的概率較大，計算結果精確度較低。而采用Civil 3D軟件計算，所有分項工程都用該軟件生成三維數字模型，可以快速計算出工程量，效率成倍提高，勞動強度大大降低，且計算結果準確、直觀、明了。

第二，Dynamo是利用一系列的節點按照一定的邏輯和算法創建模型，因此可以動態修改模型及其屬性。對于類似工程，只要修改拱壩左右中心角、半徑、拱冠梁參數方程等基礎數據，就能快速建好拱壩模型，節約建模者大量時間成本。同時，在Dynamo中，每一個模型對應一個節點，每一個節點對應一個程序代碼，代碼使用計算機語言運行，這樣既保證了模型的精度，又避免復雜模型丟失細部結構。

第三，Dynamo模型就是一個數據庫，設計師可以根據程序導出想要的任何數據，有利于工程坐標復核、放樣檢查以及后期運行維護管理，且Dynamo模型文件較小，便于保存。

第四，Dynamo與Revit可以實現即時聯動、無縫對接，避免了中間文件的轉換，同時Dynamo能夠隨時調用Revit中的數據。

參考文獻：

[1]歐陽建國.拱壩CADC的理論與實踐[M].武漢：武漢大學出版社，2003.

[2]羅嘉祥，宋珊，田宏鈞.Autodesk Revit 煉金術;Dynamo基礎實戰教程[M].上海：同濟大學出版社，2017.