基于BIM的水電站三維結構模型可視化設計研究

楊彬

（廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣州 510640）

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，國家對環境保護和可再生能源越來越重視。由于水電工程在防洪、發電、灌溉等方面具有重要作用，水電站的建設規模也日益擴大。水電站工程模型十分復雜，往往參建單位多、施工技術復雜、施工工期長，傳統的二維平面圖紙方案已經難以滿足目前的水利水電工程的需求。同時，往往難以直觀地看到模型運行的實際情況，可能造成一定程度的資源浪費，甚至發生嚴重的安全事故，造成一定的直接經濟損失和人員傷亡[1]。隨著計算機技術的進步，越來越多的專家和工程技術人員開始重視BIM 三維建模技術在水電站建設中的應用。但目前沒有形成系統性的理論和規范來指導水電站的設計與施工。因此，研究BIM 技術在水電站三維可視化模型設計中的應用具有十分重要的意義。

2 BIM技術的特點、優勢及應用現狀

2.1 BIM技術的特點

BIM 技術又被稱為建筑信息模型，在該模型中既包含了水電站工程構件幾何參數，又包含構件材料、價格等信息。這些信息可以被整合成一個整體，從而形成一個全方面的數據庫，且數據庫中的各項參數不完全獨立，而是相互影響，保持一定的邏輯關系。水電站工程的各參建方可以根據自身的實際需求提取數據庫中的信息，共同完成工程建設。

BIM 技術應用于水電站工程時，離不開先進的軟件，但是，BIM 技術又不僅僅是一個或幾個軟件，而是一種全新的設計理念。根據功能不同，BIM 軟件可劃分為建模軟件、方案設計軟件、結構分析軟件、造價管理軟件、運營管理軟件、模型碰撞檢測軟件等。其中，建模軟件是BIM 技術的核心軟件，BIM技術中不同建模軟件的使用領域見表1[2]。

表1 BIM技術中不同建模軟件的使用領域

2.2 BIM技術的優勢

2.3 BIM技術在水電工程中的應用現狀

BIM 技術最早在國內水利水電工程中的應用是在南水北調中線項目的勘察設計中。長江勘測規劃設計研究院利用AutoCAD Civil 3D 軟件建立了勘察測繪、土方開挖、場地規劃等的三維模型，從而以可視化的方式幫助南水北調項目的工程師看到整個水利水電項目施工過程，能有效地避免設計、施工、業主之間的矛盾。另外，中國水電昆明勘測院在設計金沙江阿海水電站期間也引進了BIM 技術，利用Revit 軟件建立了大壩三維模型和完整的機電設備三維族庫，并提交了施工圖和用Navisworks 軟件制作的漫游視頻。

3 水電站工程三維建模方法

3.1 水電站三維建模流程

要實現水電站工程的三維可視化設計，首先，可以利用Navisworks 軟件建立一個能反映項目基本信息（如幾何參數、地形地貌、施工設施等）的三維數字模型，然后，再進行渲染，得到真實的工程場景。水電站工程三維建模流程如圖1 所示。

圖1 水電站工程三維建模流程

3.2 水電站三維模型構造方法

3.2.1 規則物體模型構造

如果要建立的模型的形狀比較規則，如大壩，可選擇能表達實體特征的面域構建基本實體模型，再對模型進行移動、旋轉、鏡像等操作，最后，利用幾何布爾運算求模型的差集、并集、交集等，得到水電站項目的三維實體模型[4]。

3.2.2 不規則物體模型構造

如果要建立的模型形狀比較不規則，比如，水電站所處位置的地形圖，可選擇曲面建模法。曲面是由網格構成的，可將其分解成若干個四邊形或三角形網格（網格越多，精度越高），再利用微平面逼近曲面的方法完成水電站三維實體模型。

3.3 水電站三維建模技術

3.3.1 CAD 建模技術

這段記載，明明白白告訴我們兩個事實：一是瑯琊王氏由王導南遷江左是尊王覽為其世祖的，王羲之為王覽曾孫，不出“五服”，應是王覽之裔，并不錯，這是前四代世祖。二是迪功郎王壽由達溪徙余姚后，一直傳至王陽明的高祖王與準，曾祖王世杰，祖父王天敘，父親王華，包括王陽明出生在余姚的龍泉山北麓武勝門內壽山堂里(改名瑞云樓是后事)，這是后四代世祖，應是余姚人。

CAD 建模技術就是利用CAD 軟件先直接繪制水電站的二維平面線條模型，然后，再將其導入Rhino、3D Max 等三維軟件，并在計算機中對二維平面線條模型進行布爾運算或基本變形操作來完成模型的可視化。

3.3.2 參數化建模技術

參數化建模技術是用參數來控制構件的幾何形狀及組合，建模過程可視作水電站不同部位組件的拼裝過程。水電站每個構件所涉及的參數眾多，在設計時可根據構件的重要程度決定是否全部輸入，有些不重要的構件只輸入其主要參數即可，否則，會延長設計周期。

參數化建模技術和CAD 建模技術的不同點：CAD 建模技術重視設計人員的實體操作，建模過程比較復雜，如果模型有變動可能需要整體修改；參數化建模技術只需修改相應參數，模型就會直接變化，大大提高了建模效率。

3.3.3 特征建模技術

水電站的特征建模技術主要用在水電站的洞室建模中，如導流洞、泄洪洞、引水洞等，它是基于其若干個預定義特征來完成建模的一項技術，其主要工作內容包括[5]：（1）定義水電站模型的幾何參數，如幾何尺寸、精度等；（2）搜索數據庫，將該模型的幾何參數與模型中的預定義水電站特征進行對比，并確定水電站的特征參數；（3）將水電站特征參數進行位置約束；（4）完成水電站的三維可視化模型。

4 水電站工程三維模型建立過程

為了分析水電站工程的建模重點和難點，筆者以某水電站工程為研究對象展示其建模過程。該水電站是以發電為主，兼顧防洪、灌溉等功能，正常蓄水位986 m，正常蓄水位以下庫容為2.072×109m3，電站裝機容量3 000（5×600)MW。

4.1 數字地形模型

數字地形模型，又稱DTM，主要作用是在實測地形比較困難的階段來表達工程場所的地形特征，是水電站三維建模的基礎和前提條件[6]。

4.1.1 數據源

用來描述地形表面的有規則柵格模型與不規則三角網模型，前者數據結構簡單，是采用大小相同的柵格來表達地形，適用于地形平坦地區；后者數據結構復雜，是用若干個分散的地形點構成不相交的三角網格來描述地形，適用于地形起伏較大的地區。水電站工程大多位于山區，地勢復雜，通常采用不規則三角網模型來構建DTM。

在建立數字地形模型之前，設計人員首先要收集施工場地的等高線數據（帶有高程屬性），并將其轉化成.dwg 格式的文件。需要注意的是，地形等高線需要進行預先處理，等高線的高程點不宜過多或過少。高程點過多對模型的準確度提升作用不明顯，還會降低建模速度；等高線高程點過少會導致地形出現錯誤，不利于提高設計的精確性。因此，筆者認為，水電站等高線的高程間隔宜根據場地特征采用不同的間隔，比如，河床部位高程點就可以適當加密，取1 m，而遠離水電站主體建筑物的區域，高程點就可以間隔20～25 m。

4.1.2 DTM 的建立

DTM 的建立可采用Civil 3D 軟件，該軟件具有強大的地理空間功能。在軟件中需要先創建一個新的曲面，然后，為曲面添加數據，再建立多條等高線對象就可以生成的數字地形模型，如圖2 所示。

圖2 水電站數字地形模型

4.2 地形填挖技術

地形填挖是水電站工程設計的關鍵環節，設計時要考慮基坑、料場等的開挖，還要考慮施工平臺、渣場的開挖。相關研究成果表明，水電站地形填挖實際就是對數字地形模型的動態修改。具體操作流程如下：（1）確定開挖填挖曲面；（2）設定放坡坡率，將填挖曲面延伸到原始地面，以得到填挖曲面與地面線的交線；（3）在數字地形模型上沿著交線切去填挖設計曲面所包含的區域，形成一個經填筑開挖后新的地形曲面；（4）將填挖處理后的模型導入Navisworks 軟件進行材質渲染。

4.3 水電站地物建模

水電站地物工程包括大壩、臨時擋水建筑物、臨時/永久隧洞等，本文主要研究大壩的模型建立。

混凝土大壩選擇CAD 實體建模技術，首先將大壩的二維平面圖劃分成若干個相互獨立的段落（如非溢流壩段、導流底孔壩段、岸邊溢流壩段等），并賦予每個壩段相應的空間形體信息。在劃分壩體段落時盡量形狀規則，如長方體、棱柱體、圓柱體，不規則的部分還要進一步細化細分。隨后將不同的壩體段落進行布爾運算就可以得到水電站壩體的三維可視化模型，如圖3 所示。

5 結語

本文詳細探討了BIM 技術特點、在水電站工程中的應用優勢、三維模型可視化建模方法和建模流程等內容。主要得到以下幾方面結論：

1）BIM 技術既包含了水電站工程構件幾何參數，又包含構件材料、價格等信息，各參建方可以根據自身的實際需求來提取數據庫中的信息；

2）水電站三維建模技術包括CAD 建模技術、參數化建模技術、特征建模技術等；

3）水電站工程地勢起伏大，一般采用不規則三角網模型來構建DTM，但等高線的高程點不宜過多或過少；

4）水電站大壩建?？蛇x擇CAD 實體建模技術，在劃分壩體段落時盡量劃分成長方體、棱柱體、圓柱體等規則形狀，不規則的部分還要進一步細化細分。