BIM技术在新疆拱拜孜水库工程中的运用

李佳雨桐

(水利部新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

拱拜孜水库工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区温宿县境内，是柯克亚河上的控制性水利枢纽工程，工程主要任务为灌溉、防洪及城市工业供水。水库总库容5214万m3，控制灌区灌溉面积14 000 hm2。工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，由沥青混凝心墙砂砾石坝、表孔溢洪洞、泄洪冲沙兼导流洞和引水洞组成。

1 研究背景

自2002年BIM被提出以来，已席卷全球整个工程建设行业。BIM的核心是协同，通过协同设计，实现效率的提升和设计手段的变革，让设计人员从繁重的低技术含量、重复性劳动中解放出来，是一次重大的飞跃。

数字技术是当代设计企业焕发新活力的推动器，也是新环境下设计人员应该为业主提供服务的一种手段和方法。由于BIM项目的可视化程度高，某种程度上是实际工程的具体展现，可以根据BIM项目的进度实时观看、检查、纠偏，并进行实际施工现场的场地布置，优化工程设计及施工组织设计等，同时能够提高工程设计的准确性、合理性，工程量的统计及项目的成本分析具有更高的可控性。将BIM技术应用到水利工程勘察、设计、建造和管理中，已成为当前和今后发展的大趋势。

虽然目前市面上没有任何一款BIM软件平台是针对水利行业开发的，但同类设计软件品类较多，功能较全，用户只需根据自身需要及工程设计需求合理选择即可出色完成各类工程设计。

本文主要根据土石坝设计的特点及设计成本的控制，采用欧特克(Autodesk)公司旗下产品(Autodesk Civil 3D、Autodesk Inventor、Autodesk Infraworks)开展前期规划设计的探讨。

2 模型创建

工程在应用BIM技术的过程中，有以下难点问题：

(1)对天然地形地貌高精度还原难度大、数据量大。

(2)水工建筑物依地形地质条件设计，多为非标准异形结构。

(3)施工总布置建立在大尺寸工程区地形上，涵盖所有专业建筑物，数据量也十分庞大。

根据软件自身特色，将项目分为坝体设计、水工建筑物设计及施工总布置三个模块。坝体设计模块主要以Autodesk Civil 3D为主，建立测量专业地形地貌三维模型，进行各专业开挖、填筑设计；水工建筑物模块主要以Autodesk Inventor为主，建立枢纽布置中各专业建筑物模型，进行结构体型设计、验算；施工总布置模块主要以Autodesk InfraWorks为主，建立和集成施工总布置中各种建筑物、施工道路、临建场地、设施模型，全局开展施工阶段场地规划设计。项目后期，最终成果均可在统一的Vault协同平台上进行数据交互，在Autodesk Navisworks软件中进行项目整体模型整合，进行三维可视化校审、碰撞检查、进度模拟等工作。借助Autodesk BIM 360云平台，开展项目参见各方的信息共享与协同工作。

2.1 坝体设计

由于项目全专业均是基于工程区地形、地质开展设计，因此设计初期精确、可靠的勘测数据对后期模型的精准化建立尤为关键。通过本项目的方法研究，可将建模过程归为以下几步：

(1)根据地形图资料及测量点、地物点建立地形曲面，确定推荐、比选坝轴线精确坐标。

(2)分别将两坝轴线转换为要素线，并将经调洪演算计算的坝顶高程赋予两坝轴线。

(3)确定各坝轴线放坡组名称及放坡规则。

(4)通过放坡工具生成坝体曲面。

(5)依据规范选择适宜本工程上坝路位置，并将其转换为要素线，根据坝高选择合适上坝坡度并赋予要素线。

(6)对上坝路进行放坡并粘贴至大坝放坡曲面，如图1所示。

(7)对大坝及地形曲面求差，即可得坝体工程量。

图1 按设计坝坡及上坝路坡度组建大坝模型

2.2 水工建筑物设计

水工建筑物往往具有结构复杂、关联性强等特点，通过Inventor进行参数化建模(见图2)能在多方面把技术人员的想法通过立体图形的形式形象表现出来，并且可通过装配、计算、仿真等功能十分迅速有效地解决各类设计难题。

利用Inventor建模一般先对能够较全面反映建筑物特征的工作平面进行概念草图设计，再利用用户自定义的尺寸或结构计算得到的尺寸对草图约束，使其自由度为零，在概念草图的设计过程中，可使用草图医生检查闭合后再进行下一步工作，接下来根据模型的特点做拉伸、放样、扫掠等操作即可得到建筑物模型，最后还可根据项目的需要进行平、立、剖三维工程图纸的绘制、剖面视图下校核模型的准确性(见图3)以及建筑物模型工程量的统计等。

2.3 施工总布置

Autodesk InfraWorks的三维设计与展示具有通用性强、高精度、易修改和三维可视化等优点，通过其可以将Civil 3D中设计的曲面(IMX格式)以及Inventor中建立的建筑物模型(FBX、3DS格式)集成展示，并通过导入施工区域进行项目的临建场地规划、标准化建设、亮点策划等，更加生动、全面、立体地反映整个工程，如图4所示。

图2 参数化驱动水工建筑物模型

图3 使用剖面视图校核模型

图4 可视化进行施工临建场地规划

为了更生动地展示工程区开挖后及原始地貌，可以在Infraworks中将该区域的卫星图与地形信息通过坐标控制贴合在一起，起到更加真实的效果，其具体操作步骤如下：

(1)在Civil 3D 中通过“MAPCSASSING”命令赋予各设计曲面真实坐标系。

(2)通过“91位图”等第三方地图软件下载带坐标工程区卫星图片。

(3)在Infraworks中创建新模型，以IMX格式导入Civil 3D中设计曲面，以Raster格式导入第三方下载的卫星图片。

(4)以第一步中坐标系进行数据文件的配置，Infraworks将会自动根据两者在坐标系中位置对其进行整合，如图5所示。

三维地形地貌建立完成后即可利用软件自带功能进行道路、桥梁、场地的规划设计，在设计路线及场地的选线过程中，可在Civil 3D中根据二维平面图带有高程属性的线或多边形以“Mapexport”命令导出为SDF格式，配置后即可得到其可视化后的场景，从而进行方案布置的最优化，同时，在Infraworks中设计的道路及场地可准确、迅速、直观地得到对应的土方量，如图6所示。此外，Infraworks还搭载了云平台，包含了汇水分析、交通模拟、工作组间数据共享等功能，对设计、业主、施工方来说都是一场极大的变革。

图5 按实际坐标系配置地形数据源

图6 贴合地形准确进行道路设计及工程量计算

3 结 语

通过将BIM技术引入到土石坝仿真设计中，体现了其如下价值：

(1)利用三维可视化成果，可通过多视角审视和虚拟漫游等手段，实现工程问题前置，进而及早发现问题，优化设计。

(2)直观可视化的三维模拟将以一种所见即所得的方式表达设计方案意图，可有效地提高工程参建各方的沟通效率。

(3)通过参数化、关联性及模板化设计，可以实现参数驱动下的模型适应变形，并可在同类项目中实现设计成果的反复调用。

(4)通过精细化BIM模型设计，可准确对模型进行工程图的绘制以及材料量清单的统计。

(5)三维可视化模型不仅可以模拟工程完建场景，还可提高设计方案的可读性和项目校审核的精度，保证工程质量。

水利工程BIM设计使设计方可以准确、及时、有效地表达设计意图，加强了各专业间的协同合作能力，大大提高了工作效率，保证了产品质量，提高了服务水平。