生态型河道BIM正向设计应用研究

黄培志，胡 亭，吴钰川，肖尔纳

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)

近年来，BIM技术在水利工程领域中的应用越来越广泛[1]，逐渐成为工程设计的新方法和新理念[2]，特别是水利水电枢纽工程[3]和闸[4]、泵[5]等单体水工建筑物及地质[6]、电气[7]等专业BIM设计、三维配筋[8]均得到较深入的应用，并对水利行业设计方法革新和水利信息化起到重要推动作用，但总体上BIM应用实施主体和项目类型方面都呈现不均衡的状态，中小型水利设计单位在BIM推广应用方面稍显滞后[9]，尤其是河道治理方面的应用较少[10]。侯毅[11]等提出Civil3D在隧洞、河道、渠道、堤防等线性工程的建模出图方法，李锐[12]等人开展了内河航道疏浚工程BIM正向设计应用，而针对河道治理工程中边界条件复杂、断面多样和方案多变等制约下河道BIM正向设计应用的难点与解决方案，则甚少有研究。

BIM正向设计通过“先建模后出图”的流程，可实现图模一致、图纸和工程量自动更新等功能，避免逆向建模“两张皮”和重复工作的问题，有助于提升设计质量和效率，对于推广BIM技术和开展工程全生命周期管理具有重要意义。随着城乡水污染防治攻坚战和河长制的深入推进以及社会大众对河道综合治理要求的不断提高，生态型河道综合治理工程日益增多，BIM正向设计应用也日趋紧迫。考虑到生态型河道综合治理工程数量较多、城乡分布较广，大量中小型水利设计单位正在承担设计任务，本文将结合前述现状，基于软件操作较为简单、与AutoCAD兼容性较好且相对便宜的Autodesk平台进行BIM正向设计应用研究。相关标准规范参照地方BIM交付标准[13]、中国水利水电勘测设计协会BIM标准[14]及研究成果[15]、水利行业制图规范及建筑行业BIM标准[16]等执行，本文不赘述。

1 BIM设计应用思路

1.1 生态型河道BIM应用难点

1.1.1方案变化频繁

按照“五位一体”治河理念，河道综合治理工程除承担传统的防洪排涝任务之外，往往还要承载治污、景观、生态、人文等大量功能，项目方案从前期到最终施工图交付时常需要数易其稿。在项目总工期紧张的情况下，客户对修改的响应速度要求高，如按照常规流程采用Civil3D设计不仅耗时多而且工作量巨大，容易造成设计人员抗拒不利于BIM推广，需有新的流程与之相适应。

1.1.2边界条件复杂

生态型河道一般为与地形密切相关的蜿蜒起伏的带状工程，与道路工程更为相似，施工图需以桩号里程出具纵横断面，不适合采用Revit建模和出图。同时，城市河道既受用地条件的严重限制，又需满足不同造型、周边工程交叉和控制水位要求，传统一维水面线计算方法工作量大，难以考虑河道复杂布置特别是河道内设有微地形的情况，且效率较低，故需有与BIM设计匹配的水面线计算方法。

1.1.3设计断面多样

河道治理工程与枢纽工程、单体水工建筑布置型式区别显著，一般不同河段断面型式迥异，例如感潮、咸淡交替、淡水不同水质所采用植草、石笼或混凝土护坡型式不同，而且往往需要与跌水、闸坝、景观节点等单体建筑物交叉，建模出图较复杂，难以用Civil3D或Revit单一软件解决，一次完整的建模耗时较多，方案变化时修改跟进的效率不高，需有适用的多软件融合和参数化、模块化方案。

1.2 BIM正向设计思路

目前市场上BIM软件还不够完善，生态型河道难以用单一软件完成BIM正向设计，需多个软件综合应用。以Civil3D为主，基于测量(航拍)和地勘数据生成地形曲面和地质模型，并以此创建河道主体模型及制作参数化部件、平纵横批量出图、快速统计工程量和土石方平衡。以Revit为辅，用于建立单体水工、建筑、岩土等专业模型并实现模块化及工程量自动统计。以Inventor开展闸门等金属结构建模、出图和统计工程量。以Vault作为文件共享管理和协同设计平台，实现Revit模型、Civil3D对象等的共享与参照引用，并基于此平台同步开展校审流程。以三维钢筋软件快速剖切钢筋图并准确统计钢筋量。以InfraWorks结合GIS数据和导入的初步模型开展前期方案研讨。以Navisworks进行模型整合、审阅及初步渲染、碰撞和施工模拟等。以MIKE21等水文水力计算软件结合三维模型快速、精准分析河道流速、水深等。以Lumion进行动画渲染。以AutoCAD手绘完成局部大样图。以中国水利水电BIM设计联盟的数据平台实现模型轻量化与多方共享。

项目设计应以既懂专业又掌握BIM技术的技术人员为主，IT人员提供二次开发的技术支持。尽可能从前期方案开始介入全阶段应用BIM，确保先建BIM模型并完成内部三维校审后再出二维图纸、统计工程量的正向工程设计，减少返工并杜绝翻模。

2 关键问题解决方法

2.1 正向设计“三步走”法

传统设计方式下，基于AutoCAD的河道方案详略容易控制，工作量在时序上相对均衡。而BIM正向设计方式下工作量前置，建模工作量大，因此应十分注意把握不同环节的“度”。

2.1.1轮廓建模定方案

在Civil3D中创建不同方案的河道表面轮廓的简易装配，沿河道控制轴线放样生成基于现状地形的河道设计曲面，将其与地形曲面及其它测绘、规划资料在Infraworks内整合。基于Infraworks模型对河道形态、空间、尺度及与周边环境衔接等进行景观艺术审查，通过后以设计曲面导入水文水力计算软件快速计算，结果反馈到Civil3d分析行洪安全性并选定总体方案。

2.1.2典型断面定结构

根据确定的总体方案，结合地形、地质和相关边界条件选取各典型设计控制断面，进行结构安全计算后确定不同河段的断面型式并制作相应装配和部件，生成初步三维模型。单体水工建筑物、金属结构等专业在Revit或Inventor中建模并在Infraworks中与Civil3d模型进行整合。设计单位可根据常用护岸的坡度、高度、防护要求等总结建立标准装配库，在方案变化时可快速选择合适的护岸结构装配。

2.1.3模型细化定成果

利用Subassembly Composer对典型断面部件进行编辑完善细化生成河道模型，自动剖切生成纵、横断面。横断面图局部不满足图纸表达的部位利用“缓冲区”功能进行手动完善，确保手动修改部分与自动生成部分的关联性，对标签及图面等完善后即可出图。单体水工建筑物及其他专业以Revit或Inventor出图已较成熟。施工图中的局部大样图可沿用以往资料或手绘完成。

各设计和校审人员基于Vault的不同权限参与协同，以半天为最小时间间隔检入最新成果，利用参照、数据快捷方式反馈成果并控制文件大小，以提高软件运行效率和校审效率。在施工图审查阶段将模型上传至中国水利水电BIM设计联盟的数据平台供审图单位辅助三维校审以提高外部审查效率。

2.2 基于Civil3D+Mike21的水面线计算方法

设计单位常用的传统一维水面线计算方法大多是选取若干断面，整理纵断面、横断面的空间数据导入计算软件后进行计算，计算结果一般需手动标注在图纸中。其中，整理空间数据往往十分耗时也容易出错，计算结果在图纸上反馈的过程也较为不便，极大影响了设计出图效率。同时，对于部分生态景观河道，为了生态景观功能的实现，断面往往复杂多变，还常会设计一些人工岛、扩大段，一维水文计算很难模拟这些设计构造带来的影响。基于Civil3D+Mike21的水面线计算方法，可以直接通过三维BIM模型得到二维河网数据模型并进行计算分析，可有效提高设计速度，提升水面线设计精度。

利用Civil3D从创建的河道过水轮廓三维模型导出设计空间数据，导入MIKE21水文计算软件生成计算模型，剖分网格并输入水文边界条件，可快速得到河道设计水深、流速、淹没范围等。提取计算得到的水位信息直接导出为.txt文件，根据需要考虑超高等因素调整数据文件后导入Civil3D生成水位曲面并加载到模型中即可自动剖切含设计水位、现状地面、设计轮廓、地质分层线的断面图。水力计算条件变化时重复前述步骤即可快速反馈到模型和图纸中，实现模型图纸自动更新及批量出图。

2.3 多软件参数化与二次开发

利用BIM软件自带的参数化(模块化)功能并在必要时进行二次开发是提高效率的重要方法。基于Civil3D用Subassembly Composer制作各种型式的挡土墙、护坡、护底、海堤、巡河路、截水沟、箱涵、U型槽等河道常规参数化部件库，如图1所示，相对复杂部件可用多参数制作，例如针对地形变化大的高边坡开挖利用多级边坡部件，如图2所示参数化控制边坡坡度、高度、宽度等并自动调整边坡级数。同时，定制标签以自动填充纵横断面各高程参数并快速、自动提取河道的坐标点、控制点、桩号等控制要素数据列入表格。

对于软件无自带的复杂功能可用C#通过API基于Civil3D开发插件。例如针对大面积、多区域、分层计算各类土方的工程问题制作土石方分层计算插件，减少重复计算的工作量，快速得到各种土石方量数据。又如钻孔生成地质曲面错误批量处理插件，由多段线批量生成三角网曲面的曲面辅助插件，批量导出实体句柄和体积属性辅助插件；多段线坡度快速标注插件；批量读取并导出对应桩号纵断面高程插件，如图3所示。

对于常用水工建筑物、电气、管线、标准出图图框等基于Revit建立族库，对于闸门等金属结构基于Inventor二次开发快速建模软件，如图4所示，并解决自动出图、算量问题，充分提高模块化程度和设计效率。

图1 参数化护坡部件

图2 自适应高边坡开挖部件

图3 桩号插件

图4 基于Inventor二次开发的闸门软件

3 应用案例实践

深圳市坝光片区防洪(潮)排涝工程主要建设内容为整治片区内13条感潮河道，总长约13km。按照“一河一策”的要求，各河道形态各异，均为典型的生态型河道，本文以其中的白沙湾水为例介绍应用情况。

基于Civil3D建立坝光片区三维地形地质曲面如图5所示，创建白沙湾水河道轮廓模型导入Infraworks开展方案探讨，确定总体方案后导入Mike21软件计算，如图6所示，该河道型式非常复杂但半天也可完成计算，结果导出修正后反馈到Civil3D模型生成水面曲面，剖切纵断面验证行洪安全性合理即可细化河道模型，如图7所示，并出如图8所示图和算量。其中，管理房、跌水结构和栈桥等采用Revit建模。最终成果如图9所示可导入Navisworks组装或在Infraworks中展示，如图10所示，也可用Lumion编制动画视频。多条河道同步开展BIM正向设计，采用合理的流程和适用的软件与方法，尽管方案多次调整，项目仍然保质保量高效完成，节约20%时间。

图5 坝光片区地形地质曲面

图6 Mike21水面线计算结果

图7 用于剖切的Civil3D模型

图8 与模型关联的纵断面

图9 Civil3D查看河道模型

图10 Infraworks整合河道模型

4 结语

本文结合当前水利水电BIM应用情况，分析了制约生态型河道BIM正向设计面临的关键问题和推广应用不理想的原因，在市场上尚无完全适用的单个软件现状下，有针对性地提出了基于Autodesk平台以Civil3D为主、多BIM软件融合的“三步走”正向设计流程、基于Civil3D+Mike21的水面线快速计算方法和多软件参数化与二次开发方法。以深圳市坝光片区防洪(潮)排涝工程论证了前述方法可综合不同软件的优势实现模型图纸联动和设计效率的切实提升，有效保障设计成果质量，相关做法可供中小型设计单位开展生态型河道BIM正向设计参考，助力河道工程BIM正向设计推广应用。