基于BIM技术的漆水河倒虹改建工程设计与研究

白勇，赵蕾蕾，张金辉，张玉明，申鲁

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016）

基于BIM技术的漆水河倒虹改建工程设计与研究

白勇，赵蕾蕾，张金辉，张玉明，申鲁

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016）

依托漆水河倒虹改建工程，基于project wise（简称PW）协同平台，应用BIM技术完成工程的方案比选、模型创建、二维出图、工程量统计工作。针对工程局部复杂地形应用无人机获取三维实景地形，方案布置直接在实景地形上完成；基于BIM软件，应用VBA语言二次开发了图纸标注工具集，大幅缩短了图纸的标注时间。BIM技术提高了本工程设计质量、缩短了设计周期，可为类似工程提供借鉴。

BIM；漆水河；协同设计；三维设计

目前水利行业正处于设计手段第二次重大变革的发展阶段，即从传统的二维CAD设计向BIM设计转变[1-2]。BIM设计相比传统的二维设计，设计表达更加形象直观、信息更加全面完整，对设计质量和设计效率的提升具有显著效果，为水利行业设计领域打开了更广阔的发展空间。本文依托漆水河倒虹改建工程，应用全球先进的Bentley公司系列BIM软件，将BIM技术应用到工程的设计和施工过程，总体效果较好。

1 工程概况

漆水河倒虹改建工程位于国家杨凌农业高新技术产业示范区东北3.5 km处，控制灌溉面积77.7万亩（15亩=1 hm2），设计流量25.3 m3/s，加大流量29.0 m3/s，工程地震设防烈度为Ⅶ度，工程为Ⅲ等中型工程。

工程改建前为双管浅埋式倒虹吸，倒虹吸经过50多年的运行，管道破损老化、淤积堵塞严重、过流能力下降，严重制约宝鸡峡灌区整体效益的发挥，急需对倒虹吸进行改建。结合地形地质、水力条件、结构受力、投资造价等因素，经多种方案比选，改建工程由原倒虹吸方案优化为渡槽方案，改建工程总体三维布置如图1所示。

图1 改建工程三维布置图Fig.1 3D layout of the reconstruction project

改建工程总干渠由进口明渠段、渡槽段、出口明渠段3部分组成。渡槽段上部槽身为单跨30 m承重与挡水一体U形简支结构（共13跨），槽身采用现浇造槽机法施工；渡槽支撑结构边跨采用桩式槽台，中间跨采用重力实体墩；渡槽基础采用承台下接钻孔灌注桩。

2 BIM技术应用

BIM设计的核心是设计人员在基于同一个环境，应用同一套标准，共同完成同一个项目[3-4]。工程基于project wise（简称PW）协同平台进行BIM设计；应用BIM软件进行方案布置与模型创建，局部复杂地形应用实景建模技术完成方案布置，出口明渠段在三维可视化条件下完成开挖；从BIM模型抽取大量二维结构图纸，并借助自主开发工具完成图纸标注，利用创建好的BIM实体模型进行三维钢筋出图及工程量统计，最大程度地实现了BIM正向设计。

2.1 协同设计

BIM设计的重要内容之一是协同，即不同角色人员在协同平台上并行完成工作[5-6]。工程在BIM模型创建前，先在PW协同平台创建标准的树状目录结构，树状目录结构具有层次分明的优点，极大地方便了工程项目文档的管理；文档按照统一的规则命名，项目参与人员仅从文档名称，便能快速识别文档包含的内容，最大程度地保证文档的准确使用；同一文件夹下同一名称的文件可以有新、旧版本同时存在，即项目参与人员在同一文件夹内，可以快速识别新版本文件，同时也能看到同一名称旧版本文件的留痕；文件的所属人一旦更新了文件，引用（或参考）该文件的其他人员，能够及时得到提醒；文档采用严格的权限管理规则，即不同角色的人员具有不同的文档读、写、删等权限[7-9]。PW文档目录结构如图2所示。

图2 PW文档目录结构Fig.2 PW document directory structure

协同设计改变了传统的分散交流模式，项目资源等到了集中储存与访问，项目信息得到了实时更新与共享，增强了信息的准确性和及时性，缩短了设计周期，提高了设计效率。

2.2 BIM建模

2.2.1 建筑物建模

BIM设计的显著优势之一是在三维可视化[5-9]条件下进行工程设计，形成的方案布置与建筑物模型直观形象。本工程在初步设计阶段应用AECOsim building designer（简称ABD）软件，快速完成了3种方案布置与BIM模型创建，并从BIM模型提取二维图纸与工程量用于方案比选。3种方案单跨BIM模型如图3所示，其中，方案一为单跨30 m承重与挡水一体U形梁式渡槽，共13跨；方案二为单跨40 m承重与挡水分离矩形梁式渡槽，共10跨；方案三为单跨50 m系杆拱式渡槽，共6跨。

图3 3种方案单跨BIM模型Fig.3 Three schemes of single-span BIM

2.2.2 明渠开挖

针对出口明渠段挖方长（长160 m）、挖深大（最深18 m）、地形起伏大的情况，应用GEOPAK三维场地开挖软件快速完成出口明渠开挖（如图4所示），并从三维开挖模型中提取了开挖土方量及开挖断面图。三维场地开挖的主要步骤：1）建立三维地形模型，将地形测量数据导入GEOPAK，形成三维原始地形模型。2）提取开挖控制线，将建筑物模型参考到开挖模型中，提取建筑物模型底边界线作为开挖的控制线。3）三维开挖，将开挖控制线投影到设计高程，然后按照设计边坡向原始地形放坡（设置马道）。4）成果整理，提取开挖工程量、剖切开挖断面并进行标注。三维场地开挖运算准确、自动化程度高、便于优化设计[10]，在本工程应用效果较好。

图4 明渠段三维开挖模型Fig.4 3D excavation model of the open channel

2.2.3 实景建模

渡槽出口段地形地质条件复杂，主要体现在：1）边坡坡高为18.5 m，坡比为1∶0.75；2）存在15.0～20.0 m厚滑塌堆积的壤土，该层土土质疏松，属自重湿陷性土，地基湿陷等级Ⅳ级（很严重）；3）边坡存在多处冲坑、冲沟（由农田灌溉及大雨冲刷所致）；4）前期测量数据无法准确、全面反映该处的地形特征。针对以上情况应用无人机倾斜摄影技术，获得该处的三维实景地形模型（如图5所示），方案布置直接在实景地形模型上进行（如图6所示）。

图5 实景地形模型Fig.5 Real terrain model

图6 实景地形模型上方案布置Fig.6 Plan layout of the real terrain model

2.3 BIM模型出图

2.3.1 结构图

BIM模型经过三维校审之后，便可以在BIM模型中方便地抽取二维图纸，BIM模型中抽取二维图纸的主要步骤：1）模型筛选，根据出图需要选择BIM模型；2）检查模型，检查模型的属性信息是否正确；3）设置剖切规则并抽取图纸，剖切时根据需要设置剖切范围、剖切位置、剖切方向、剖切深度、填充图案，以及剖切出来的图线放置的图层、颜色、线型、线宽，剖切规则设置好后点击剖切命令，便可形成需要的二维视图；4）标注二维视图，对剖切出来的视图添加尺寸标注、文字说明、视图名称等要素；5）匹配图框，将标注好的二维视图按照一定比例缩放至标准图框，修改完善图签后形成正式图纸。本工程在平、立、剖二维视图的基础上，添加一个轴测视图作为平面图的补充与解释，很好地增加图纸的可视化程度与可读性。BIM模型中形成的图纸如图7所示。

图7 BIM模型中抽取的二维图纸Fig.7 2D drawings drawn from BIM

依托该工程开发了一套图纸标注工具集，如图8所示。标注工具集基于ABD软件应用VBA语言进行二次开发，将一些常见的视图符号、折断线、指北针、水流符号、连接符号、对称符号、标高符号、坡度符号、引线标注、剖切符号，按照《水利水电工程制图标准基础制图》要求集成到ABD软件中。标注工具集大幅缩短了图纸标注时间，同时也使整个工程的图纸标注标准、统一。

图8 标注工具集界面Fig.8 Interface of the annotation tool

2.3.2 钢筋图

利用创建好的BIM实体模型，将其导入到三维配筋模块，进行参数设置和配筋操作后，便可形成三维钢筋模型，可方便地从三维钢筋模型中任意剖切二维钢筋断面图。相比传统的手动绘制二维钢筋图，三维配筋出图具有以下优点：1）在三维可视化条件下创建三维钢筋模型，可以直观的编辑任意一根钢筋；2）可从三维钢筋模型中任意的剖切二维钢筋断面图、剖面图；3）半自动对二维断面图、剖面图进行尺寸标注和文字说明，局部标注有瑕疵的地方，仅需简单的手动操作便可；4）能够自动、精确地形成钢筋表及材料表，设计人员和校核人员一般只需关注布筋原则、钢筋锚固与弯折长度，无需过多关注钢筋编号、钢筋型式、钢筋长度、材料用量。本工程水工建筑物利用三维钢筋出图，节省了大量钢筋图绘制时间，较大地提高了钢筋图出图效率。上部30 m跨梁式渡槽三维钢筋模型如图9所示。

图9 三维钢筋模型Fig.9 3D rebar model

2.4 工程量统计

BIM模型不仅仅是三维模型，其最重要的特点之一是具有信息，这些信息包含空间坐标信息（X，Y，Z），长、宽、高、面积、体积等尺寸信息，材料类别信息等。利用创建的BIM模型，可以按部位、分材料快速提取工程量。本工程利用BIM模型统计的渡槽主要工程量如表1所示。

表1 渡槽主要工程量表Tab.1 Table of main quantities of the aqueduct

3 结语

本工程最大程度实现了BIM正向设计，BIM技术的应用提高了设计质量、缩短了设计周期，在项目审查及施工阶段得到工程相关方赞赏。今后的BIM应用中仍有两个方面需要进一步研究，一是剔除实景地形模型中的树木、杂草等，转化成DTM数字地面模型，以便进行三维场地开挖。二是对体型相似、尺寸有规律的建筑物，开展参数化建模及配筋。

[1]陈功军，张金辉，高英.实施水利工程三维协同设计的探索[J].人民长江，2013，44（16）：105-108.CHEN Gongjun，ZHANG Jinhui，GAO Ying.Application exploration of 3D cooperative design in hydraulic engineering[J].Yangtze River，2013，44（16）：105-108（in Chinese）.

[2]陈健.追梦—工程数字化技术研究及推广应用的实践与思考[M].北京：中国水利水电出版社，2016：1-6.

[3]陈沉，张业星，陈健，等.基于建筑信息模型的全过程设计和数字化交付[J].水力发电，2014，40（8）：42-46.CHEN Chen，ZHANG Yexing，CHEN Jian，et al.Whole design process and digital delivery based on building information modeling[J].Water Power，2014，40（8）：42-46（in Chinese）.

[4]赵顺耐.AECOsim Builging Designer协同设计管理指南[M].北京：知识产权出版社，2015：12-30.

[5]李冠楠.基于智能视觉的电力网络敏感区设备过热识别[J].电网与清洁能源，2016，32（1）：59-63.LI Guannan.Identification of equipment overheat in power network sensitive area based on intelligent vision[J].Power System and Clean Enery，2016，32（1）：59-63.

[6]周亮，蔡钧，丁一波，等.基于IFC的输变电工程三维数字化管理平台研究[J].电网与清洁能源，2015，31（11）：7-12.ZHOU Liang，CAI Jun，DING Yibo，et al.Research on 3D digital management platform of power transmission construction project based on IFC[J].Power System and Clean Energy，2015，31（11）：7-12（in Chinese）.

[7]王大亮，邓健，鲁海威，等.基于可视化技术的地区电网智能调度预警系统设计应用[J].电网与清洁能源，2014，30（11）：81-86.WANG Daliang，DENG Jian，LU Haiwei，et al.Design and application of the intelligent dispatch and early warning system based on the visualization technology[J].Power System and Clean Energy，2014，30（11）：81-86（in Chinese）.

[8]郄鑫，齐立忠，胡君慧.三维数字化设计技术在输变电工程中的应用[J].电网与清洁能源，2012，28（11）：23-26.QIE Xin，QI Lizhong，HU Junhui.Application of 3D digital design technology in power transmission project[J].Power System and Clean Energy，2012，28（11）：23-26（in Chinese）.

[9]完整，缪伟，卫志农，等.配电网三维虚拟可视化平台的研究与应用[J].电网与清洁能源，2011，27（5）：12-15.WAN Zheng，MIAO Wei，WEI Zhinong，et al.Research and applications in distribution network based on threedimensional virtual visual platform[J].Power System and Clean Energy，2011，30（11）：12-15（in Chinese）.

[10]孙程.基于GEOPAK site的三维开挖辅助设计[J].人民长江，2013，44（17）：26-28.SUN Cheng.Three-dimensional auxiliary design of excavation based on GEOPAK Site[J].Yangtze River，2013，44（17）：26-28（in Chinese）.

Design of and Research into the Qishui River Inverted Siphon Reconstruction Based on BIM Technology

BAI Yong，ZHAO Leilei，ZHANG Jinhui，ZHANG Yuming，SHEN Lu
（Henan Water&Power Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450016，Henan，China）

In the Qishui river inverted siphon reconstruction project，based on project wise（PW）platform，BIM technology was used to make the project scheme selection，model creation， 2D mapping， and calculate engineering quantity statistics.For some complicated terrains，the UAV was used to obtain the 3D real terrain，and the scheme was then completed directly on the real terrain.The drawing annotation tool set was re-developed based on the IBM application VBA language，which greatly shortened the marking time of the drawing.The BIM technology can improve the design quality and shorten the design cycle，and provide useful references for similar projects.

building information modeling； the Qishui river；collaborative design；3D design

1674-3814（2017）07-0134-05

TV222.1；TV672+.3

A

国家科技支撑计划项目（2015BAB07B07）。

Project Supported by the National Science&Technology Support Program of China（2015BAB07B07）.

2017-03-02。

白 勇（1982—），男，硕士，工程师，研究方向为水工BIM设计与研究；

赵蕾蕾（1986—），女，硕士，工程师，研究方向为水工BIM设计与研究；

张金辉（1978—），男，本科，高级工程师，研究方向为水工BIM设计与研究；

张玉明（1981—），男，硕士，高级工程师，研究方向为水工BIM设计与研究；

申 鲁（1977—），男，硕士，高级工程师，研究方向为水工BIM设计与研究。

（编辑 李沈）