BIM技术在双曲拱坝建模中的应用

宋丹

摘 要：双曲拱坝属于一种复杂结构的坝型，用传统的三维建模软件建立双曲拱坝模型耗时长，且需要大量的人力和物力;而Dynamo参数化建模板块通过一系列预定义节点，按照一定的逻辑串联起来，并将大批量与机械化工作交付给软件自动计算，能快速准确地建立双曲拱坝模型，提高设计质量和效率，实现了从手工绘图向程序自动设计的重大飞跃，对水利工程施工有着极大现实意义。Civil 3D是一款专门用于创建三维数字地形模型的软件，可以利用数字化的地形模型，计算土石方开挖、多级边坡放坡、断面设计等。本文对Civil 3D地形处理和用Dynamo参数化编程建立双曲拱坝模型展开研究。

关键词：双曲拱坝;Dynamo;Civil 3D;BIM技术

Abstract： The double-curved arch dam belongs to a dam type with a complex structure. It takes a long time to build a hyperbolic arch dam model with traditional three-dimensional modeling software， and it needs a lot of manpower and material resources. Dynamo parametric modeling plate， through a series of predefined nodes， is connected in series according to certain logic， and delivers large quantities and mechanization work to the software for automatic calculation， which can quickly and accurately build a hyperbolic arch dam The model can improve the quality and efficiency of design and realize the great leap from manual drawing to automatic program design， which is of great practical significance to the construction of water conservancy projects. Civil 3D is a software specially used to create 3D digital terrain model， which can be used to calculate earthwork excavation， multi-level slope grading， section design， etc. In this paper， the civil 3D terrain processing and the establishment of double-curved arch dam model by dynamo parametric programming are studied.

Keywords： double-curved arch dam;Dynamo;Civil 3D;BIM technology

双曲拱坝是一种在水平断面上和竖直断面上同时向上游弯曲的连续光滑的三维空间曲面壳体[1]。由于这种特殊坝体结构的力学性能，使大部分水平荷载传给了两岸的边坡，利用两岸坚固的边坡反作用支撑整个大坝的安全稳定。因此，在我国西南地区的高山峡谷中修建了大量的拱坝。比如，四川省坝高240 m的二滩抛物线双曲拱壩、坝高285.5 m的溪洛渡拱坝;云南省坝高292 m的小湾抛物线双曲拱坝;世界上最大的在建水电站坝高289 m的白鹤滩双曲拱坝。据相关资料统计，建国之后，我国共修建了拱坝800余座，在设计和施工技术方面积累了较多经验，在全球处于世界领先水平。

但是，一个拱坝工程的完成往往需要在设计阶段花费大量的人工、时间进行坝体的绘制、调整，以及施工阶段进行工程放样和工程量计算。因此，根据拱坝设计计算的困难性和施工技术的复杂性，拱坝的参数化快速精准建模势在必行。

1 软件介绍

1.1 Civil 3D软件

Civil 3D是欧特克公司推出的主要用于道路设计、市政管廊、曲面设计的三维设计软件，其可以根据地勘数据、等高线等快速生成三维数字地形曲面[2]。

本课题主要根据原始地形数据，利用Civil 3D创建大坝区域三维数字地形模型，按照设计图纸进行开挖放坡，最后与双曲拱坝模型相结合，精准计算混凝土工程量。

1.2 Dynamo软件

Dynamo是一款欧特克公司研发的可视化、参数化的编程软件，是应用在Revit上的开源插件。可视化编程是指设计师通过图形化界面创建程序，不必从白纸开始一行行地写程序代码，用户可以简单地连接预定义功能模块，轻松创建自己的算法和工具，把冗长烦琐的建模过程自动化起来，创造一个用表达式生成三维形体的工具（见图1）。如果发现Dynamo自带的结点无法满足需求，Dynamo还允许研究者用Python脚本直接调用所有的Revit API，这使其可以更加轻松地定制自己想要的Revit模型。此外，Dynamo程序与Revit模型能够即时联动，无须输出与导入，使建模过程更加快捷方便。

本课题利用Dynamo根据双曲拱坝相关参数方程快速准确地建立拱坝模型。由于计算机硬件设备受限，精度为0.5 m×0.5 m。编制程序创建自定义节点，对拱坝形体的复核、测量放样、模板制作、分层分块、工程量计算等进行计算机模拟，实现拱坝建设中所有计算、分析计算机化。

2 项目应用

2.1 项目简介

精河二级枢纽调蓄水库兼有发电功能。工程位于新疆博尔塔拉蒙古自治州精河县境内的精河上，坝址至精河县城55 km，距博乐市147 km，距奎屯市244 km，距乌鲁木齐484 km。枢纽坝址位于精河支流上，枢纽由混凝土拱坝、水垫塘及二道坝、发电引水系统和电站、生态放水洞、过鱼设施等建筑物组成，水库总库容3.68亿m3。

混凝土拱坝为抛物线型双曲拱坝，坝顶高程880.5 m，最大坝高167.5 m，坝顶全长288.4 m。坝顶设置净宽为2 m×10 m的自由溢流表孔，坝体中部设置坝内埋管式放水底孔，钢管直径2.4 m，出口设锥阀控制流量;工程总投资约11.9亿元。

2.2 硬件配置

本项目BIM团队配备5台移动工作站：1台DELL M6800笔记本电脑、4台DELL 5520笔记本电脑（见表1）。

2.3 项目具体应用

本项目为中国水利水电第八工程局有限公司参与的投标项目。众所周知，投标报价是根据招标文件中工程量清单计算而来的，而实际工程结算金额是前方监理工程师签证的工程量，投标时清楚了解项目的理论工程量对投标方采取何种报价策略至关重要。本项目主要采用Civil 3D对项目的开挖工程量进行精确计算，利用Dynamo分层分块统计拱坝工程量。具体应用流程如图2所示。

步骤一：原始地形处理，生成地形曲面。由于招标文件中的地形图存在很多干扰因素，比如，工程部位的一些结构线和轮廓线，其会影响后期的开挖放坡。因此，除了等高线，其他的图元都应该去除。处理流程如下：①处理地形，去掉除等高线以外的其他元素;②Civil 3D以Excel格式导出原始地形点;③Civil 3D利用导出的地形点重新新建地形曲面。

Civil 3D有多种方式建立三角网地形曲面，包括点文件、边界、等高线、特征线、图形对象等方式。一般情况下，在招标阶段，研究者只有含有一系列高程点或等高线的招标图纸，因此其通常采用选择“高程点”或“等高线”的方法来创建原始地形曲面。三维地形曲面创建完成后，鼠标右键选择“对象查看器”功能，可以查看刚刚建立三维地形曲面，如果发现三维地形曲面中出现异常点，可通过菜单栏中“编辑特性”中的“删除点”或者“删除线”的命令对该曲面进行修正，确保数据的准确性。

步骤二：对新曲面进行开挖放坡，计算开挖工程量。三维地形曲面创建完成后，就可以利用放坡工具在地形曲面上进行开挖放坡。Civil 3D中的放坡是本软件最强大的工具，它可以根据拟定的坡比沿着设定好的坡度和坡脚线，自动生成开挖后的地形曲面，并计算开挖与回填工程量。

Civil 3D开挖放坡工具有4种，包括放坡到固定距离、放坡到固定高程、放坡到相对高程、放坡到曲面。本课题采用的是放坡到相对高程的放坡方法。

首先采用多段线的命令绘制出双曲拱坝坝基的开挖轮廓线，并在特征属性中的“标高”赋予设计底部高程，在放坡开挖工具中选择“放坡到相对高程”;然后，在地形曲面上选择将要放坡的轮廓，生成开挖后的地形曲面;最后新建一个三角网体积曲面，“基准曲面”设置为原始地形曲面，“对照曲面”设置成开挖后的地形曲面，松散系数和压实系数默认为1，设置好点击“确定”，Civil 3D會自动计算两个曲面之间的填方和挖方体积（见图3）。

步骤三：导出开挖后地形点数据。后期为了方便建立双曲拱坝模型，左边原点定在拱坝坝顶中轴线的中点上，而地形图坐标系则采用大地坐标系。因此，必须将地形图原点进行调整，视其与拱坝原点一致。

步骤四：Dynamo建立双曲拱坝模型。通常，双曲拱坝有以下几种曲线方程：几何系数插值方程、拱圈中心线参数方程、拱圈厚度参数方程。拱坝建模思路一般是利用几何系数插值方程确定每一个高程处的拱坝基本参数，然后利用已确定的参数和拱圈中心线参数方程绘制出拱坝各个高程的拱圈中心线，最后利用拱圈厚度参数方程确定上下游曲线，并生成实体。

根据图4的节点计算拱坝的坝轴线，该节点给定某一高程，利用拱圈中心线参数方程绘制出拱坝中心线，并利用循环命令，高程每隔0.5 m执行一次运算。结果如图5所示。

由于地形是由一系列细小的三角网格组成的，其并不是一个完整的曲面，在Dynamo内置节点中也没有合适节点，因此需要自定义一个使地形生成完整曲面的节点。自定义节点输入的是地形三角网格，输出的是网格曲面。

步骤六：拱坝模型与地形网格曲面以原点对原点的方式相结合（见图9），用地形网格曲面切割拱坝模型，去掉拱坝超出开挖地形之外的多余部分。

步骤七：按照要求分层或者分坝段进行工程量统计。工程量统计结果见图10。

3 项目应用

本文以水利水电工程中大坝体型较为复杂的双曲拱坝为例，依托新疆精河拱坝工程介绍了Civil 3D从原始地形曲面创建、开挖放坡、自动计算挖填方量以及Dynamo参数化建立拱坝模型等，在水利工程中拱坝坝体建模方面的应用，得到了较好的分析、计算和展示效果。基于以上软件的使用，总结了Civil 3D以及Dynamo在水利水电工程中应用的优势。

第一，在大规模土石方工程施工中，采用Civil 3D软件与采用传统手工计算方法计算工程量相比，效率明显提高。采用传统的手工计算，每个项目结算的时间至少要几个星期，而且计算过程复杂，中间的计算步骤烦琐，误差积累较大，且出现错误的概率较大，计算结果精确度较低。而采用Civil 3D软件计算，所有分项工程都用该软件生成三维数字模型，可以快速计算出工程量，效率成倍提高，劳动强度大大降低，且计算结果准确、直观、明了。

第二，Dynamo是利用一系列的节点按照一定的逻辑和算法创建模型，因此可以动态修改模型及其属性。对于类似工程，只要修改拱坝左右中心角、半径、拱冠梁参数方程等基础数据，就能快速建好拱坝模型，节约建模者大量时间成本。同时，在Dynamo中，每一个模型对应一个节点，每一个节点对应一个程序代码，代码使用计算机语言运行，这样既保证了模型的精度，又避免复杂模型丢失细部结构。

第三，Dynamo模型就是一个数据库，设计师可以根据程序导出想要的任何数据，有利于工程坐标复核、放样检查以及后期运行维护管理，且Dynamo模型文件较小，便于保存。

第四，Dynamo与Revit可以实现即时联动、无缝对接，避免了中间文件的转换，同时Dynamo能够随时调用Revit中的数据。

参考文献：

[1]欧阳建国.拱坝CADC的理论与实践[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[2]罗嘉祥，宋珊，田宏钧.Autodesk Revit 炼金术;Dynamo基础实战教程[M].上海：同济大学出版社，2017.