基于BIM技术的水利水电工程逆向设计

潘 莹

（深圳市北部水源工程管理处，广东 深圳 518000）

0 引言

近年来，随着城市人口的急剧增加，原水需求量也日益增长。为应对当前水资源短缺的紧张局面，不断增加原水供水管线，导致管理部门的工作职能不断增加，传统的管理模式和手段已无法满足当前“安全用水，优质服务”的要求，更难以满足高效、及时处理各种突发事故的应变处理需求，相对落后的管理手段成为制约管理水平进一步提升的瓶颈。

BIM（Building Information Modeling）技术既能实现水利工程仿真信息的数字化查询，实现一处更改，处处更改的实时动态可视化修改更新方案，使得工程参与各方共享实时信息；还能在成本控制上起到很大的作用，项目决策者可以直观高效地选择最合适的设计方案，也减少各参与方和专业间由于沟通困难、各自为营而导致的大量重复劳动，可以节省项目成本。

逆向设计是根据 BIM 三维模型的特点，协同平台下各专业可从唯一的 BIM 三维模型中获取项目信息[1]，通过 BIM 三维模型为设计的可视化、精准性提供基础平台，提高设计质量，为实现建筑的智能化提供坚实基础。目前，BIM 的逆向设计在水利水电工程应用较为成功，如南水北调工程、云南金沙江阿海水电站、凯乐塔水利枢纽等水利水电工程。因此，为全面提高水利水电工程的管理水平，对BIM 逆向设计及技术应用展开论述。

1 基于 BIM 技术的逆向设计实施模式

1.1 BIM 逆向设计技术路线

BIM 技术路线如下：

1）在进行 BIM 的逆向设计之前，需要进行资料的收集和整理，包括地形地质勘察，水工建（构）筑物，检修井、阀门井、排气阀等建筑物，测量管线特征点的坐标和高程数据，各种真实影像，管线运行状态，以及维修加固相关图纸、文本、影像、人员的资料。

2）通过改扩建时的地形地质勘察资料，结合自然资源局的空间地理数据和三维倾斜摄影图像等，创建地形地质模型。

3）根据地形地质模型进行定位，确定各水工建（构）筑物、引水管线的平纵位置。根据水工建（构）物、引水管线、检修井、阀门井、排气阀的设计竣工和运行维护等资料构建建筑物模型。

4）将水库地形地质与水工建（构）筑物等模型进行汇总，形成水库逆向设计 BIM 模型。

5）采用 GIS 软件叠加 BIM 模型，构建 BIM +GIS 管控平台，导入各种实时监控系统信息，附加水库运行维护业务管理功能，实现水库的可视化运行管理。

BIM 技术路线流程如图1 所示。

图1 BIM 逆向设计技术路线

1.2 BIM 逆向设计平台配备软件

采用 Autodesk 平台软件进行 BIM 逆向设计。Autodesk 拥有非常全面的产品分布且多行业覆盖，尤其在基础设施工程建设领域，项目在整个生命周期中的全部阶段，从方案立项、规划、设计、施工，到运营维护和日常管理等都有相应的三维产品为用户服务，且与现行 AutoCAD 兼容性好，可满足项目要求。Autodesk 平台下开展 BIM 设计应配备的软件如表1 所示，平台下的所有 BIM 设计软件，是通过购买软件服务实现的。

1.3 BIM 逆向设计模式

水利工程涉及的工程内容多、专业多，BIM 建模内容包括地形地质、水库、大坝、泵站、水闸、管线、渠道、金属结构和电气设备等[2]。由于不同专业、分项工程各具特点，对建模软件的要求也不尽相同，其中：Civil 3D 负责三维地质、渠道堤防基础等的建模；Revit 负责水库大坝、水闸、泵站等建（构）筑物及电气的复杂模型设计；Inventor 负责金属结构的设计；Navisworks 负责模型汇总、碰撞检查等。基于统一平台架构的协同设计系统，简化了协同流程，减少了数据入口，能有效避免差错和重复劳动，提高设计效率。

在传统的 AutoCAD 制图条件下，外部相关专业提供的数据会发生变化，可能需要重新布置和绘制相关结构图纸，而 BIM 逆向设计通过信息化、可视化、可寻化、模拟化、便携化等手段对管理工作进行科学高效管理[3]，打破了管理地域空间屏障，使管理模式突破二维平面管理的瓶颈，提升至三维可视化管理的新高度，实现各水库沿线水工建筑的应急抢修、停水检修、综合调蓄、运维管理和有效决策分析工作的有机结合，进一步提升管理部门在运行管理决策和应用服务方面的水平，提高管理部门的管理能力、经济效益和服务水平。

2 基于 BIM 技术的水利水电工程逆向设计

2.1 地形地质的逆向设计

2.1.1 三维地形建模

为更好地支持下游专业在渠道设计、土方开挖、力学计算、可视化创建等方面工作的开展，根据三维点云和倾斜影像数据资料，快速建立精细的工程区域、建筑物外表三维模型，利用三维地面激光扫描仪获取的数据建立地下、建筑物内部空间的三维模型，为后续三维设计及工程建设、运维工作提供个性化的地理信息数据支撑。同时，三维地形模型的轻量化需从数据引擎及运算等机制方面加以研究，解决因地形模型数据量过大而影响地形开挖等应用方面的问题。例如在南水北调工程中，利用 Civil 3D 快速完成勘察测绘、土方开挖、场地规划、道路建设等的三维建模及设计和分析等工作，提高设计效率，简化设计流程。

表1 Autodesk 平台下开展 BIM 设计所应配备的软件

2.1.2 BIM + GIS 的应用

建立 BIM 与 GIS 技术（尤其是 3D GIS）的集成应用方案，实现工程设计、建设、运维等全生命周期完整信息的充分表达，整合 BIM 精细化工程模型、全面的工程属性数据（设计、施工、运维等参数），以及 GIS 工程区域完整的空间地理信息数据应用、专业的空间信息查询分析展示能力[4]，将工程区域的宏观信息、建筑物及设备的详细信息有机地融合在一起，促进整体工程建设管理工作的精细化、一体化管理。BIM + GIS 在水利水电工程中的合理应用，提高了工程信息化质量，节省了工程投资，保障了工程工期。

2.1.3 地质三维建模

通过地质数据管理库自动建立三维曲面和地质模型，构建三维地质模型的工作标准、流程、专业接口及技术平台，适用于工程勘察设计方面不同工程布置、施工开挖过程模拟、边坡及硐室围岩变形破坏过程模拟、水库库岸再造、洪水演进、淹没浸没分析等过程。并通过 Vault 平台实现工程地质可视化，与测绘、水工等专业全面协同，提升地质工作效率及质量。

2.1.4 地形地质与多专业协同

BIM 平台需要满足多专业协同设计的需求，地质专业是为工程设计服务的，是工程勘察设计施工过程中的一个重要环节，需要测绘、勘探、物探、试验等专业的支持，地质成果为工程设计提供坚实的基础。地质专业需要接收测绘、物探、勘探、试验等专业的数据，并在此基础上工作，地质成果要提供给设计专业使用，地质专业也需要参考设计专业的建筑模型布置勘探工作，就需要多专业协同工作，要求数据共享及时、顺畅。需要丰富的数据接口，以适应多专业应用系统之间的数据、模型共享，从而达到整体的协同，大幅提高工作效率。

2.2 建（构）筑物的逆向设计

在水库大坝、水闸、泵站等建（构）筑物逆向设计时应采用 Revit 软件进行结构建模，在建模过程中，添加相关模型的精确信息，生成相关联的结构图纸。其中：水闸建模的精确信息包含闸室段、上下游挡墙、防冲槽、连接段、消力池段各水工结构；泵站建模的精确信息包括沉砂池段、前池段、泵房段、清污机段各水工结构。针对部分异形结构，开发相应的族模块。在各专业中采用多人协同的方式建模，在模型的后续设计细化过程中，将使用各专业模型整合，对细部进行模拟，提升模型的精细度，并采用模型展示软件汇总设计成果，更直观地展现项目整体效果，建（构）筑物的三维模型如图2 所示。

图2 建（构）筑物三维模型

2.3 管线、堤防的逆向设计

由于水利水电工程往往项目范围较大，地形状况复杂，且构筑物设计和现状地形相关，故宜采用Civil 3D 软件进行设计。使用 Civil 3D 软件对渠道、堤防进行基础建模及定位，建模过程中，需要添加模型信息，制作相关构件和部件，开发相关模块，部分模型还需要采用可视化编程的方式生成，渠道和堤防模型如图3 所示。模型生成后，模型文件可供 Navisworks 软件调用及浏览。

图3 渠道和堤防模型

2.4 金属结构和电气的逆向设计

金属结构采用 Inventor 软件，电气部分采用Revit 软件，与水工等专业进行协同设计建模。闸门等金属结构，强弱电线槽，以及变压器、配电箱、控制柜等其他电气设备，可与相关专业的模型进行碰撞检查。三维建模完成后，直接创建部分工程图，电气控制柜及强弱电线槽模型如图4 所示。模型图可实现三维图与二维图结合，准确表达设计意图。

图4 电气控制柜及强弱电线槽模型

例如在云南金沙江阿海水电站的设计过程中，机电专业（包括水力机械、通风、电气一次和二次、金属结构等）利用 Autodesk Revit MEP 软件平台，建立完备的机电设备三维族库，最终完成整个水电站的 BIM 设计工作，提高了工程施工图及 PDF三维模型等的设计质量。

2.5 模拟展示的效果

利用 Revit，Civil 3D，Inventor 等建模软件，将BIM 模型导入 Infraworks 及 Lumion 可视化工具中进行细部处理，生成漫游模拟视频，大坝、泵站漫游模拟效果如图5 所示。通过模拟展示，可在短时间内清晰、直观地了解方案的最终效果，及时发现方案中存在的不足和缺陷。

图5 某水库大坝、泵站漫游模拟效果

2.6 基于 BIM 的碰撞检查

碰撞检查时，首先需要各专业利用 Revit 软件完成模型创建，把各专业模型整合到 Navisworks 文件中；然后由牵头专业通过运用 Revit 和 Navisworks软件的碰撞检查功能，检查专业与专业间及专业内部的空间碰撞与干涉情况，采用 3D 模型配以文字说明的方式提出修改意见和建议，并在协同设计过程中修改解决，从而及早解决与水工、建筑等土建专业的冲突问题，实现精确预留预埋，使布置更优，减少返工[5]。校审和检查方法如下：

1）设计三维校审法。设计三维校审主要校审影响结构整体的问题，这类问题通常会对使用或结构功能带来影响。通过 Revit 软件进行模型整合，会发现模型衔接、管线标高、管线穿透、模型构建冲突、净空要求、结构补充等六大碰撞问题，这六大碰撞问题可在 BIM 应用阶段检查发现，并通过线路调整和模型衔接的方式解决。而复杂交叉管路的碰撞问题，一般需要借助碰撞检查工具才能发现。

2）软件计算检查法。软件计算检查法适用于一些管网及接口特别复杂，交叉专业特别多，不适合设计人员三维校审的位置，应采用关注重点区域的方法，利用 Navisworks 的碰撞检查工具进行软碰撞分析，得到合理可用的碰撞分析结果。

3 结语

本研究讨论了基于 BIM 的逆向设计实施模式，对水利水电工程的地形地质、建（构）筑物、管线和堤防、金属结构和电气等专业的设计要点进行分析，为 BIM 在水利水电工程各专业中的逆向设计的推广应用提供借鉴。

BIM 技术目前应用于城市规划、建筑、桥梁交通等行业，通过 BIM 模型可在工程运行管理维护全过程中发挥重要作用，不仅能提高项目全过程精细化管理水平，提升工程质量，还能提高生产效率，节约成本，缩短工期。

通过对水利水电工程的地形地貌、水工建（构）筑物（主坝、副坝、溢洪道、坝下输水涵管、引水口）进行 BIM 建模，实现主要水工建筑物的三维可视化，使管理人员可视化了解工程建筑空间和各种主要设备设施整体情况信息，并在三维可视化的场景下进行工程运行维护管理质量检查和维护管理规划，在工程出现问题时提前报警、预警，有效提高设备设施的维修速度和使用质量，达到安全运营的目标。

在 BIM 的应用过程中，由于 Autodesk 平台下的 BIM 设计软件成本昂贵，导致基于 BIM 的逆向设计的应用受到阻碍。应不断将 BIM 技术与互联网、云计算、大数据、3D 打印、VR/AR/MR 技术及 3D GIS 等相结合，降低 BIM 设计软件成本，使BIM 逆向设计技术有更广阔的市场。