BIM 技術在雙曲拱壩建模中的應用

張 明

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 520002）

0 引 言

雙曲拱壩是一種依托科學設計，巧妙將大部分水平荷載向兩岸邊坡傳遞，從而提升壩體結構安全、穩定的復雜壩型，整體可以看作是一個水平斷面、豎直斷面同時向上游彎曲的三維曲面殼體，基于該種壩型的優勢，雖然建設工藝較為復雜，但工程數量也在不斷提升，尤其是高山峽谷等復雜地形中，雙曲拱壩更為常見。但雙曲拱壩施工難度較大，想要保證工程順利完成，科學設計是前提，隨著現代化技術的持續發展，模擬仿真的應用，為直觀、三維了解工程設計和工程量等信息提供支持，而模擬仿真的關鍵是精確建模，因此在此領域進行研究探討具有實際意義。

1 研究案例闡述

1.1 工程信息闡述

貴州省的都勻大河水庫壩位于都勻市的大河村，水庫控制流域面積174.5km2，總庫容4376 萬m3，最大壩高105m。該工程主要職能是為周圍區域供水，預期供水量達到6438 萬m3，負責滿足都勻經濟開發區供水需求以及輸水線路沿線村落的灌溉需求和民眾日常生活用水需求。工程分為大壩樞紐和供水工程兩部分，其中部分工程采用雙曲拱壩類型進行建設。主要建設項目包括碾壓混凝土雙曲拱壩、壩頂自由溢流表孔、放空底孔、供水取水口、供水干管及灌區支管、泵站修建等。

1.2 工程特點闡述

大河水庫河床寬 38m，河床高程為 811.20m，谷口寬 200m，河谷寬高比為2.5～2.9，呈不完全對稱的寬 “V”形河谷。壩址河段為峽谷地形，河流流向整 體上呈“M”形。左岸為凸岸，地形坡度30°～50°，岸坡多為崩塌堆積，沖 溝切割淺，近岸山頂高程 1060m。右岸凹岸地形坡度 45°～60°，岸坡上游為 崩塌堆積，下游基巖裸露，河彎段 910m高程以上為陡崖。壩頂以上有 40～80m 的高邊坡，邊坡開挖高達 150～190m。

2 BIM 技術在雙曲拱壩建模中的應用

2.1 軟件介紹

本工程由貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司負責設計，在進行工程設計時，從該區域地質條件、氣候因素、水文條件、成本及生態環境等多個角度進行思考，為了保證設計的科學性和可行性，成立專業的BIM 技術小組，從組織層面、計劃層面、操作層面和總結層面四個方面入手，助推企業持續化發展。公司在進行都勻大河水庫壩設計建設時，應用如Bigemap、ArcGIS、華創三維地質、Geopak、MS、ABD、Navigator、Projectwise、Lumion9.0、Fortran 語言、 試用版 Synchro-4D、Soildworks、華創三維配筋軟件、 二維碼、無人機航拍、720 云全景信息鏈接、信息化系統、視頻監控及砂盤模型等軟件系統進行雙曲拱壩建模，系統化分析設計可行性。

2.2 項目具體應用

結合BIM 技術特點和雙曲拱壩特點，在應用該技術進行建模時，重點工序包括7 部分，分別是地形處理，生成曲面；計算開挖土方量；導出開挖之后地形點數據；基于數據構建拱壩模型；導入開挖之后地形數據；將構建的模型和數據結合及最后導入工程量及位置信息等數據模型，科學落實上述7 個部分，可以最大限度發揮BIM 技術優勢，保證雙曲拱壩建模具有可行性。

2.2.1 原始地形處理，生成地形曲面

由于招標文件中提供相關信息過于籠統，且給予的地形圖不夠完善具體，存在一定的干擾因素，例如地形圖中存在的結構線和輪廓線等，會對后續的土方開挖產生干擾，因此，在施工之前，需要對原始地形圖進行處理，然后利用軟件導出處理之后的地形圖，確定原始地形點，最后以地形點為依據，利用軟件重新畫出地形曲面，為工程施工提供指引。利用軟件和信息化系統完成地形曲面創建之后，借助系統軟件的智能化功能，對三維地形進行全方位審視，確保整體科學合理，如果發現存在異常點需要進行修正，只有確保所有數據正確才能投入使用[1]。

2.2.2 放坡生成開挖區域，計算開挖土量

依據新建的地形曲面進行放坡開挖工作，并科學計算工程需要開挖土方量。當前有多種軟件可以完成此項操作，例如Civil 3D 及試用版 Synchro-4D等，文章以試用版 Synchro-4D 軟件為基礎，充分發揮軟件功能優勢，依據擬定的坡比設置坡度和坡腳線，然后圍繞各限定條件形成完成開挖之后的地形曲面，同時可以依據前后地形曲面，自動計算工程開挖量和回填量。 軟件中可以包含多種放坡工具，在選用時應依據具體需求進行取舍。本次工程采用放坡到相對高程的放坡方法進行建模分析，首先繪制雙曲拱壩壩基開挖輪廓線，并以此為基礎確定底部高程，依據現用的放坡方法進行選擇，然后在形成的地形曲面中選擇放坡的輪廓，確定開挖后的地形曲面，最后新建三角網體積曲面，科學對構建的多個曲面進行標簽設定，并設置松散系數和壓實系數，可得到本次工程開挖和填方所需工程量。

2.2.3 導出開挖后地形點數據

為了確保構建的雙曲拱壩模型科學合理，需要確定拱壩壩頂中軸線中點位置，并應用大地坐標系作為地形圖坐標系，但需要注意，建模之后需要確保地形圖原點與拱壩原地保持一致。

2.2.4 建立雙曲拱壩模型

利用軟件系統建立雙曲拱壩模型時，常用的曲線方程有3 種，分別是幾何系數插值方程、拱圈中心線參數方程及拱圈厚度參數方程。在構建模型時，需要利用幾何系數插值方程確保拱壩基本參數，然后以確定的參數等為依據，確定各高程拱圈中心線，最后以拱圈厚度參數為依據，確定上下游曲線，并形成完整的工程實體模型[2]。

建立拱壩模型需要確定方程中涉及的各項參數定義，本工程研究中采用集合系數插值方程為基礎，方程表示公式如下：

在進行建模時，確定壩頂為左邊原點，方向鉛質向下。Rl為拱冠處左半拱曲率半徑；Rr為拱冠處右半拱曲率半徑；B為拱冠梁中心線的y坐標其中拱圈中心線參數方程分別用如下公式進行表示：

除此之外，還需要確定拱圈厚度參數方程，其中該部分也按照左右方向分為兩部分，用Tc代表拱端厚度；Tl代表左拱端厚度；Tr代表右拱端厚度，S表示某一點到拱壩中心線的弧長；Sl代表左半拱弧長；SR代表右半拱弧長，用如下公式所示：

圍繞上述5 個公式，可以充分了解拱圈相關參數，進而得出通過系統性計算，確定雙曲拱壩上下游曲線，為整體工程實體模型建構提供依據。

2.2.5 導入開挖后的地形數據

本次模型建構所用軟件以細小的三角網絡組成地形，因此，觀看到的圖像并不是完整的曲面，但由于軟件存在的局限性，為了更為直觀保證建構的模型充分表現地形實體結構，需要自定義設置節點，然后以節點為基準確保地形形成完整曲面，此時導入開挖后的地形數據是關鍵，是確保構建的完整曲面科學的依據[3]。

2.2.6 構建的模型與地形數據結合分析

用地形網格曲面對構建的拱壩模型進行切割，確保多余的部分徹底去除，例如拱壩開挖地形之外的部分是關注重點。

2.2.7 導出工程量及位置等數據模型

結合上述幾點的計算和分析，利用軟件和公式等，按照拱壩工程整體規模，分層進行工程量計算，并將計算的工程量和位置等信息數據模型導出，作為施工的參考。

3 應用效果

通過對大河水庫壩利用BIM 技術進行建模分析，可得出BIM 技術在雙曲拱壩建模中應用具有可行性。研究過程中，通過分析應用的軟件和信息化系統，從原始地形曲面創建、放坡開挖、自動化計算挖土方量和填方量等3 個方向進行思考，最終構建出完整的雙曲拱壩模型。

通過本次研究可知，在雙曲拱壩建模中應用BIM 技術具有以下優勢：

1）雙曲拱壩多為大中型工程，其在施工建設過程中會涉及大量的土石方施工，利用傳統的三維建模方式進行計算，不僅耗費時間和人力，還存在精確度不足的問題，而利用BIM 技術之后，整體效率顯著提升，同時耗費時間大幅度縮減，很多計算步驟由先進設備代勞，使得結果精確度和準確度大幅度提升。

2）在建模中應用BIM 技術軟件，提升建模的容錯率，由于該種建模方式將工程信息轉化為多個節點，然后通過一定的邏輯將節點組合，在算法等限定下形成模型，具備更強的靈活性，便于在發現錯誤時及時進行修改。同時，修改時無需整體調整，只需要修改相關參數，便可以在軟件支持下快速完整拱壩模型自動化創建，可顯著提升效率[4]。

3）應用BIM 技術相關軟件之后，可將該類型軟件看作一個數據庫，可以實現信息自動化采集和查詢，此時在構建模型時，可以更為靈活利用“數據庫”功能，實現工程坐標復核、后期檢查等，且該類型軟件具有良好的對外通信渠道，可以實現多軟件和系統的無縫對接、信息實時共享，在進行模型及相關數據轉換、傳遞等過程中，可降低安全風險。

4 結 語

綜上所示，文章結合實際情況，圍繞貴州省大河水庫壩工程相關信息，探究BIM 技術在雙曲拱壩建模中的具體應用和應用優勢，通過系統性梳理，該技術具有可行性，可助力工程設計方更為全面了解拱壩放坡挖土方量和填土方量，并通過系統性梳理計算得出各項參數，助力工程施工建設，通過文章的研究，可為我國雙曲拱壩建模發展優化提供更多借鑒。