數字化技術賦能基建工程轉型升級

文|于敬舟 劉曉彬

數字化、信息化已經成為新時代各行各業發展的主流，立足新發展階段、新發展理念，傳統基礎設施建設技術難以適應新發展格局、高質量發展需要，迫切需要轉型升級。堤防工程關乎國民經濟和社會發展，是水利工程建設中的重要基礎設施，發揮著加固河道堤岸、保障航運安全、提升防洪治理的作用，能夠有效促進航運的安全性。目前堤防工程設計仍然停留在傳統二維設計階段，重復性斷面繪制導致設計效率低下，且與地形融合處理不準確，導致工程量統計困難。

在我公司承擔的某堤防防洪治理工程項目設計過程中，遇到普遍存在的堤防工程區域廣、斷面尺寸多變、地形交界復雜的難題，嚴重影響設計效率和成果質量。

實際我公司已在三維協同設計技術方面深耕十余年，在各種工程項目中不斷突破傳統設計方式和思維，探索數字化技術、信息化手段，具有比較豐富、成熟的三維設計技術力量。為解決堤防工程設計中的各種問題，以此堤防工程項目為研究對象，按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，融合在工程設計行業蓬勃發展的BIM 技術，探索更加直觀、精確的堤防三維設計技術，致力于更明晰的表達設計意圖，指導施工建設。

下面結合本堤防工程項目，詳細介紹運用OpenRoads Designer 進行堤防三維設計的流程，尤其對參數化快速創建三維堤防模型技術要點進行詳細介紹，并將其應用于工程量統計、二維出圖、實景漫游等。

堤防工程項目概況

本文依托的項目為堤防防洪治理工程，規劃堤線長約8.1km。按照200年一遇洪水標準治理，主要工程內容包括：堤防加高倍厚、堤頂硬化、迎水坡防護、堤身加固處理、水土保持、生態護坡及堤身景觀綠化等。現狀堤頂寬度約4 ～10m，左堤堤頂高程為9.5 ～13.2m，堤防內、外邊坡1:2 ～1:3。現狀堤高為1.5m 至2.5m之間。

三維設計軟件選擇

Bentley 系列軟件中的OpenRoads Designer（以下簡稱ORD）是一款功能完善、全面詳細的道路設計BIM 軟件，適用于勘測、排水、地下設施和道路設計等，適合長距離線性工程的三維建模，基于此特點本項目將ORD 軟件應用于水利設計中的堤防工程設計。

堤防工程設計難點

本項目具有以下技術難點：

一是堤防斷面尺寸多變，繪制工作量大。此堤防項目為8.1km 長距離線性工程，涉及工程區域廣，地形起伏不定，導致工程設計斷面尺寸多變，傳統的二維設計和常規的三維建模軟件，都需要重復性斷面繪制，繁瑣且工作量大。

二是工程方案調整頻繁。整個工程建設階段會面臨頻繁的方案調整工作，實現斷面反復調整、模型聯動更改，是提高堤防三維設計實用性的關鍵技術。

三是堤防模型與數字地形模型融合復雜。在此項目堤防區域內，地形起伏不定，堤防邊坡需要與地形完全貼合，且工測斷面間的過渡段也要保證石籠護岸底板高程適應原地形變化。

四是三維堤頂中心線繪制精確性。工程測量得到的堤頂中心線數據通常是單獨的二維平面線和縱斷面線，實現堤防三維建模，需要得到平縱線的三維幾何信息。

ORD 技術解決方案

一是使用ORD 軟件的“模板”工具，創建堤防典型斷面，實現三維快速建模。

二是在ORD 軟件已創建的堤防橫斷面模板上設置參數標簽，通過制作參數文件，實現斷面參數化，減小斷面重復繪制工作量，結合“同步模板”功能，一鍵實現工程方案聯動調整。

三是采用ORD 軟件的“廊道”功能進行堤防建模，堤防橫斷面沿樁號自動變化，堤防放坡自動尋找與數字地形模型的交線，兩者緊密貼合。

四是ORD 軟件通過“視圖聯動”，結合激活的數字地形文件，得到精確的平縱線幾何信息，且平縱線設計功能強大，能進行緩和曲線、直線和圓曲線的任意銜接。

ORD 堤防設計流程

通過ORD 技術能有效解決堤防三維設計中面臨的技術難點，在此總結基于ORD 技術的堤防三維設計流程如圖1。

圖1 基于ORD 技術的堤防三維設計流程圖

基于ORD 技術的堤防三維設計，是在激活生成的數字地形模型的基礎上，設計堤頂中心線（包括平、縱線），然后使用堤防橫斷面參數化模板，結合模板對應的參數文件，直接生成堤防模型。其中，堤防橫斷面參數化模板設計是堤防三維設計的關鍵步驟，其設計精確性、參數合理性，直接關系到后期線性堤防模型的優劣及制作參數文件的工作量大小。可在堤防模型的基礎上考慮地面清基處理，使堤防模型工程量統計更加精確。最后通過“參考”組裝堤防模型和附屬設施建筑物模型，得到獨立的堤防項目整體三維模型文件，服務于工程全生命周期應用。

ORD 關鍵技術點

數字地形模型創建。數字地形模型以坐標X、Y、Z 表達地面形態，帶有空間位置特征和地形屬性特征。ORD 軟件采用狄洛尼（Delaunay）三角網構建原理進行地形擬合，可通過導入.dtm、.tin、.dat、.txt 等地形數據文件創建數字地形模型。也可先參考.dwg 格式的地形數據文件，然后通過圖形過濾器的方式，使用相關圖層數據包創建數字地形模型。此堤防項目的數字地形模型如圖2所示，通過設置數字地形模型屬性，選擇不同的顯示模式，便于建模查看。

堤頂中心平縱線設計。地形模型創建后需設置為激活地形，才能有效進行平縱線設計。項目堤防橫斷面模板是以堤頂中心線為基準，首先參考此項目堤頂中心平面線，并賦予土木特征，添加了土木特征的堤頂中心平面線，可方便查詢構成平面線的緩和曲線、直線和圓曲線對應的幾何信息，且平面線自帶樁號信息，并可修改編輯起始點樁號，掌握堤頂中心線任意位置及走向。然后通過視圖聯動打開縱斷面設計窗口，為堤頂中心平面線添加Z 向高程信息，也可通過參考二維斷面線的方式設置激活縱斷面。

圖2 項目數字地形模型

圖3 堤防典型橫斷面參數化模板

圖4 模板參數文件及導入ORD 界面

堤防橫斷面參數化模板設計。堤防橫斷面模板是采用ORD 技術進行堤防設計的關鍵步驟，組件詳細、尺寸精確、參數合理等因素，決定了后期生成模型的質量，也關系到模板參數文件制作的工作量大小。在本項目中，建立了單獨的“XX 項目.til”模板庫文件，并存放于在WorkSpace 中，方便后期項目的存儲、管理、遷移等工作。項目的堤防斷面包括堤頂路、生態護坡、格賓石籠、砂礫墊層等結構，由模板的簡單組件（Simple）、受約束組件（Constrained）、空點（Null Point）、末端條件組件（End Condition）、重疊/剝離組件（Overlay/Stripping）等創建如圖3所示堤防典型橫斷面參數化模板，并賦予相應材質。

模板斷面上的點通過相互間的約束關系精確控制位置，依據堤防斷面設計的原則：堤頂中心依附堤頂中心線，生態護坡和格賓石籠貼合地面，確定出沿程變化的控制點，并定義參數標簽，實現模板參數化。

模板參數文件制作。模板參數文件為txt格式，模型生成時導入ORD 軟件，模型自動更新。此堤防項目每間隔100m 確定一個工測斷面，堤防橫斷面模板尺寸參數據此設置。模板參數文件及導入ORD 界面示例如圖4所示。

圖5 二三維聯動堤防模型

圖6 清基處理模板及模型

圖7 模型組裝實景圖

堤防模型生成。數字地形模型、平縱線、堤防橫斷面參數化模板、模板參數文件四類資料設計、制作完畢后，可由ORD“廊道功能”“新建三維路面”“編輯廊道”等工具直接生成堤防模型，并更新模板參數得到最終的堤防廊道，如圖5所示，二三維聯動查看模型，可以看出堤防護坡能與地形自動融合。

地面清基處理。地面清基處理是堤防設計中不可忽視的安全問題，在ORD 軟件中清基處理屬于斷面模板制作的內容，創建與否可視項目需求而定。通過重疊/剝離組件（Overlay/Stripping）創建兩條填方線，如圖6所示，粗實線頂部貼合堤防組件、底部貼合地面；粗虛線頂部、底部均設置為貼合地面，表面深度為0.3m 的清基厚度。生成的堤防模型中，填方底部即為0.3m 后的清基處理。

附屬設施建模及整體組裝。此項目在樁號3+817 處有一座節制閘，ORD 具有MicroStation 所有基礎建模功能，可直接創建節制閘模型。

各專業完成之后，在ORD 內完成全專業模型組裝，通過統一坐標系的建立，以項目模型參考的方式實現各類建筑物的無縫對接，模型對接完成之后，進行三維碰撞分析，有效實現各項目間的協調，提高設計質量，減少后期設計變更。

參數化設計為工程提供有效技術支撐

項目工程量統計結合現場地形地貌情況進行分析，利用ORD 軟件“廊道報表”功能實現包括開挖回填、堤頂路、生態護坡、格賓石籠、砂礫墊層等結構各類材料在內的工程量精確統計，再結合材料單價能較為準確地計算出工程部分總造價。

附屬建筑物建立完成之后，結合工程實際，可實現各個水工建筑物的平縱橫批量出圖，并輸出圖紙。

后期可將建好的模型與實景模型、正射影像結合進行模型調整、匹配環境、模型渲染、漫游飛行等操作形成最后的三維效果圖與漫游視頻進行成果展示輸出，如圖7所示。

本項目依托某堤防防洪治理工程，基于ORD 技術有效解決了堤防工程三維建模中涉及的區域廣、地形起伏大、線路長、沿線斷面尺寸多變的難題。

創新性地利用ORD 軟件節點和樁號驅動的方式，實現參數化模板建模，堤防模型邊坡與地形自動融合，堤線、堤防斷面和三維模型的聯動修改，實現了高效的參數化設計，為水利堤防工程提供了有效的技術支撐，具有良好的推廣應用價值，可供同類型項目借鑒。