BIM技術在廟堂水庫中的應用

謝錦輝

（重慶交通大學河海學院，重慶 400041）

《水利改革發展“十四五”規劃》要求提升水利行業的現代化和信息化水平[1]。在水利工程項目建設中引入BIM 技術，可有效解決項目設計、施工、運營等各環節的溝通問題，提升各參建單位的工作效率[2]。

1 BIM核心理念及在水利工程中的應用

1.1 BIM技術原理

BIM 即建筑信息模型，主要應用于工業和民用建筑、市政工程等領域，其核心是通過設計軟件構建建筑工程三維模型，并利用信息化技術為三維模型導入包括建筑材料及結構、施工過程等工程信息在內的建筑工程信息庫[3]。通過構建的建筑工程三維模型，實現建筑工程信息的高度集成化，為建筑工程項目提供信息交換和共享平臺，解決多專業協同導致的不確定因素問題，提高工程設計、施工和管理效率，并為后期的運營服務提供幫助[4]。

1.2 BIM在水利工程中的應用

隨著BIM 技術在國內建筑行業的快速發展，其應用范圍不斷擴大，但在水利行業的應用還處于起步階段[5]。針對水利工程地形條件復雜、水工建筑構造獨特等特點，孫少楠、張慧君[6]改進構建水利工程信息模型的方法，通過繪制水利工程地形及水工建筑物BIM 模型，實現水利工程仿真信息的數字化查詢，并結合多款BIM 軟件協同實現水利工程的樞紐布置、土方量計算。王寧等[7]將BIM 技術引入涵閘工程中，實現涵閘各水工部位的高精度和高效率三維建模，并結合Inventor 軟件實現閘室穩定性驗算和配筋驗算，為BIM 技術在水利工程設計中的應用和推廣提供工程經驗。趙繼偉等[8]在深入分析BIM 建模軟件和水利工程特殊性的基礎上，以現有BIM 建模設計軟件為工具，構建參數化模板庫和構件庫；以子模型裝配和構件裝配為主要過程的快速建模理論方法體系為基礎，建立水利工程信息模型，并將此模型應用于可視化仿真查詢系統中，實現工程各部位的精準定位和信息實時查詢，為水利工程的運營管理提供便利。

2 廟堂水庫BIM建模方法

2.1 廟堂水庫簡介

廟堂水庫位于巫山縣平河鄉廟堂村，是具有綜合功能的中型重點水源工程，由大壩樞紐工程、借水工程和灌溉工程組成。大壩擋水建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程為1 121 m，壩頂寬為9 m，壩高為107 m。借水工程包括1#借水壩、2#借水壩、連接明渠和借水隧洞。灌溉工程干渠總長32.8 km。

2.2 BIM建模方法

水利工程中水工建筑物具有體積大、構造復雜的特點，且模型相關族庫較少，導致BIM技術的運用難度大。因此，首先應將水利工程建筑按照專業和類型進行劃分，確定其屬性信息并創建參數化族庫，然后構建各專業子模型，最后整合各子模型構建整個水利工程模型[9]。

水利工程建設項目應用BIM技術的關鍵步驟為創建高質量的三維信息模型。目前主流的三維建模軟件主要有CAD、Revit、Maya 等，其中Revit 軟件具有建模速度快、模型兼容性好的優勢，因此本文采用Revit軟件作為廟堂水庫BIM三維設計平臺。

Revit 軟件建模流程為：①確定廟堂水庫大壩各部位的模型信息參數、材料參數等，根據大壩結構將大壩整體細分為不同的構件，并利用軸網和標高進行空間布局定位。②選擇合適的族樣板創建族文件，本文選擇“公制輪廓”樣板創建族文件。導入CAD 結構圖紙，完成“公制輪廓”圖形。③構建族模型。首先確定族構件插入點，創建參照平面和參照線；然后載入族構件的輪廓族圖，并設置到相應的參照面中；最后通過拉伸、融合、旋轉、放樣、放樣融合等操作命令創建族構件模型。④添加模型參數。首先為模型輪廓添加尺寸參數并調試參數，然后為模型添加材質參數、物理參數和項目參數等內部參數，最后完成各個族構件模型的創建。⑤創建項目文件、載入族構件模型。在Revit中選擇建筑樣本建立項目文件，載入各族構件模型，創建族實例，并根據結構進行劃分和歸類。⑥構建大壩模型。根據廟堂水庫大壩設計圖紙和空間布局建立大壩標高和軸網布置，根據標高、軸網、參照平面等參數，創建對應位置的構件，完成廟堂水庫大壩建模。廟堂水庫大壩主體模型，如圖1所示。

圖1 廟堂水庫大壩主體模型

由于廟堂水庫大壩地形結構具有特殊性和復雜性，因此BIM 模型中要加入地形結構。地形建模的流程為：首先通過高程點數據建立等高線；然后通過等高線創建地形三角網曲面，修改其中不合理的曲面數據，完成地形曲面建模；最后導入大壩模型完成廟堂水庫大壩建模。完整的廟堂水庫大壩和地形模型，如圖2所示。

圖2 廟堂水庫大壩和地形模型

3 BIM與數值模擬應用于廟堂水庫安全穩定性分析

目前，BIM技術在水利行業主要應用于工程設計和施工，在運營管理方面應用較少。BIM 技術與數值模擬應用于水利工程安全穩定性分析是水利行業的一個重要研究課題[10]。水利行業主要的數值模擬軟件有Midas、Abaqus、Ansys 等，其中Midas 軟件與三維模型具有高度兼容性[11]，因此本文選用Midas數值模擬軟件計算廟堂水庫大壩運行期的安全穩定性。

使用Midas 軟件對廟堂水庫瀝青混凝土心墻堆石壩進行三維有限元分析，研究壩體在運行期的應力變形特性，尤其是心墻、基座的沉降分布[12]。建模方法為：①簡化并導出BIM三維模型的結構信息；②將模型結構信息導入Midas 中，通過網格工具繪制模型網格；③完成數值模擬的模型構建并檢查其完整性。廟堂水庫大壩主體網格模型，如圖3所示。

圖3 廟堂水庫大壩主體網格模型

在完成數值模型建模后對廟堂水庫大壩主體進行有限元分析，步驟為：①對壩體進行分級加荷，激活模型約束邊界，對所有網格施加重力加速度；②激活節點水頭，將下游壩坡坡面設置為排水滲透面，進行滲流-應力耦合分析；③對應力變形結果進行分析。

通過對數值模型進行有限元分析，可以得出廟堂水庫大壩各方向的沉降、應力、應變結果：Z 方向（豎直方向）最大沉降出現在大壩中部心墻部位的頂部，如圖4所示，沉降值為60 cm，沉降值從中心向兩邊逐漸減小，壩邊緣部分出現細微上升，幅度為0.3 cm；Y 方向（水平方向）位移最大值集中在大壩心墻的兩端，最大值為+16.6 cm，最小值為-13.6 cm；X 方向（水平方向）位移表現為上游左陷、下游左突，上游數值為-14 cm，下游為+20 cm。廟堂水庫在蓄水后，大壩沉降和變形處于正常范圍內。

圖4 廟堂水庫大壩豎直方向沉降

應用BIM技術與Midas計算軟件相結合的三維有限元分析方法與傳統的二維有限元分析方法相比，建模精度、計算速度、計算準確度明顯提升，此方法不僅能夠直觀地反映當前大壩的安全狀況，而且可以幫助各參建單位掌握大壩的運行狀況。

4 結語

本文介紹了利用BIM軟件平臺進行廟堂水庫三維建模的方法和步驟，以及將BIM 技術與Midas 有限元計算軟件相結合實現對廟堂水庫大壩安全穩定性的快速分析，結果表明BIM 技術可以協助工程設計、施工和運營等單位更好地掌握廟堂水庫大壩的運行狀態和安全穩定性。