5DBIM技術在宰章水庫工程中的應用研究

石慶安，王茂洋，劉 明

[1.黔東南水利投資（集團）有限責任公司，貴州 凱里 556000；2.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000]

引 言

水利水電工程是我國國民經濟中的基礎性設施，具有規模大、布置復雜、投資大、開發建設周期長、參與方眾多以及對社會、生態環境影響大等特點，工程的建造過程是一個龐大而復雜的系統工程。傳統的水利水電工程建設存在以下幾個問題：

1）設計方案的可施工性存在問題，導致設計變更頻繁。

2）進度管理難度大，需要計劃和控制每月、每周甚至每天的施工操作，動態地分配所需要的各種資源和工作空間。

3）成本管理難度大。施工周期較長，施工過程中存在較多不確定因素，對施工進度和方案造成影響，會導致無法預見的成本費用增加。

5DBIM技術，是在三維模型的基礎上添加時間、成本信息，形成的具有5個維度的建筑信息模型[1]。5DBIM技術以其可視化的進度模擬分析、精細化的成本動態控制等方面的優勢，受到越來越廣泛的關注[2～3]。

隨著BIM在建筑領域的興起，水利水電工程也逐步引入BIM技術，但是由于起步較晚，且BIM軟件多針對建筑領域開發，造成其應用相對滯后。目前BIM技術在水利水電工程領域的應用還主要集中在三維設計方面，BIM的價值還主要體現在設計階段。而水利水電工程具有建設周期長、進度及成本管理難度大的特點，因此有必要進一步開展5DBIM技術在水利水電工程中的應用研究。

1 工程概況

宰章水庫工程位于貴州省從江縣丙妹鎮宰章村境內，壩址距從江縣城6.0 km，工程等別為Ⅲ等，工程規模屬中型，樞紐布置由面板堆石壩、右岸溢洪道、左岸導流及取水兼放空隧洞組成。大壩壩高82.5 m，壩頂高程361.5 m，水庫總庫容1 200萬m3。

2 大壩B IM模型構建

BIM模型是5DBIM技術應用的基礎。宰章水庫大壩為面板堆石壩，壩體填筑是分期、分區進行的。

三維建模軟件采用Autodesk Civil 3D，該軟件是一款在AutoCAD的基礎上開發的面向土木工程行業的建筑信息模型（BIM）軟件。

利用該軟件進行大壩三維建模流程為：

1）首先導入勘測數據，進行數字地面模型（DEM）的建模；

2）進行壩基開挖設計；

3）生成地形體三維模型；

4）創建初步壩體三維模型，并與地形體進行布爾運算，得到最終大壩三維模型；

5）對大壩三維模型進行分區分期。

圖1為Civil 3D中大壩三維建模流程。

圖1 Civil 3D中大壩三維建模流程

2.1 地形體建模

地形曲面是生成地形體的基礎。Autodesk Civil 3D中有四種曲面類型，分別為三角網曲面、柵格曲面、三角網體積曲面、柵格體積曲面。三角網曲面是由不規則三角形所組成的眾多平面構成，軟件會連結最接近的曲面點形成三角形。三角網曲面與柵格曲面具有不同的數據結構算法，前者適用于高低起伏較大的地形，后者適用較為平坦的地形。三角網體積曲面和柵格體積曲面可以用來計算挖填方的體積[4]。水利水電工程多建在高原或山區，地形起伏較大，因此，地形曲面采用三角網曲面類型較為適宜。

使用Civil 3D創建地形曲面的方法為：創建1個三角網曲面對象，在曲面對象定義中添加數據源（勘測數據）即可。

圖2為等高線創建地形曲面圖。

圖2 等高線創建地形曲面

建立好地形曲面后還需根據開挖設計資料對地形曲面進行開挖。具體方法為：首先根據設計資料創建開挖設計曲面；之后使用“提取曲面間最小距離”命令獲取開挖設計曲面與地形曲面的交線，將此交線作為邊界對開挖設計曲面進行裁剪；最后將地形曲面作為主體，通過粘合曲面命令將開挖設計曲面與地形曲面融合，生成開挖后的地形曲面。其中對于規則的開挖設計曲面，如邊坡開挖可以通過軟件的放坡功能生成，對于不規則的開挖設計曲面，如壩基開挖則需繪制多個斷面的開挖設計曲線，通過放樣生成。

Civil 3D 2016版本新增了直接從曲面提取實體功能，大大提高了地形實體的創建速度。開挖后的曲面即可使用從曲面提取實體工具，指定實體深度或高程生成地形體。需要注意的是地形實體所占的內存較大，在不需要的情況下可以先隱藏起來。

圖3為宰章水庫地形實體建模成果。

圖3 地形體建模示例

2.2 壩體建模

壩體三維建模首先需要根據設計資料在原始等高線圖或設計資料建立壩軸線，之后為方便壩體建模，可以以壩軸線中心為原點建立用戶自定義坐標系，然后通過三維旋轉、對齊、拉伸等操作，將壩體標準橫斷面輪廓線沿著壩軸線拉伸，得到壩體三維模型，將壩體與開挖后的地形體進行布爾差集運算，選擇保留壩體，圖4為壩體模型。

圖4 壩體初步模型

3 填筑單元劃分

宰章水庫大壩為面板堆石壩，面板堆石壩填筑一般是分期進行的，在每一個分期（階段）按照填筑物料的不同將壩體分為若干個分區，在各個分區逐層進行填筑，每個填筑層壩面劃分若干工作段進行流水施工，所以填筑單元劃分應在大壩模型上按照各個分區填筑層的厚度劃分填筑層，每層再沿著河流方向或垂直河流方向劃分工作段形成填筑單元。

填筑單元數量較多，如果僅僅使用軟件的剖切功能進行手工剖切工作量大、效率低，且如果施工方案發生變化無法及時更新填筑單元模型，如何動態快捷地劃分填筑單元模型是一個關鍵。

本文采用VBA編程技術，對Autodesk Civil 3D進行二次開發，實現了填筑單元模型的自動精確劃分功能。程序壩體進行剖分工作主要通過調用三維實體（3D Solid）對象的剖分（SliceSolid）方法，其主要思想是：針對要剖分的實體對象，選擇SliceSolid命令，利用不共線的三個點確定一個平面，并將該平面作為切割命令的執行對象，將被剖分對象從切割面處切割開，再針對切割面兩側的實體進行編輯。

切分結果如圖5所示。

圖5 大壩填筑單元劃分成果

4 應用分析

本文基于WebGL技術，采用B/S架構，開發黔東南水利工程三維地理信息云平臺管理平臺，依托BIM模型，以項目溝通、成本管理、進度監控為主線，為業主方、設計方及施工方提供統一的協同管理平臺，達到共享工程管理信息、落實工程管理環節責任、協調工程整體進度的目的[5]。見圖6。

圖6 平臺應用

5 結 語

本文以從江縣宰章水庫為依托，進行5DBIM技術的應用研究。通過Autodesk Civil 3D軟件完成了宰章水庫大壩BIM模型的構建；填筑單元作為大壩5DBIM模型的基礎，具有劃分繁雜的問題，本文通過二次開發實現了填筑單元的自動劃分，對類似土石壩工程5D BIM技術的應用具有借鑒意義；最后將BIM模型應用于宰章水庫5D BIM管理平臺中，實現了進度、成本可視化管理，為參建各方提供了統一的協調溝通平臺。