BIM技术在水库坝线选择中的应用

李佳 王云鹤

摘 要：建筑信息模型（BIM）是土木工程的新工具，其核心是建立虚拟的建筑工程三维模型，并利用数字化技术，为模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。而CATIA软件则是实现BIM技术成熟应用的一种工程软件。本文采用CATIA软件作为本次19条坝线比选的BIM程序。相比传统CAD平面制图，BIM技术可以将地形图、大坝形式等数据完全参数化，使坝线比选的整个工作流程具有可视化、协调性、优化性等特点。在极大地节约绘图时间的同时，这样还使比选结论过程的模型更加直观，比选最后的数据更加真实可靠。

关键词：坝线比选;BIM;CATIA;重力坝

中图分类号：TV632文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0058-04

Application of BIM Technology in the Selection of Reservoir Dam Lines

LI Jia WANG Yunhe

（Guizhou Zhongchengtianhe Water Conservancy Co.，Ltd.，Bijie Guizhou 551700）

Abstract： Building information modeling （BIM） is a new tool in civil engineering， its core is to establish a virtual three-dimensional model of construction engineering， and use digital technology to provide a complete construction engineering information database consistent with the actual situation for the model. CATIA software is a kind of engineering software that realizes the mature application of BIM technology. This paper uses CATIA software as the BIM program for the comparison and selection of 19 dam lines. Compared with traditional CAD plane drawing， BIM technology can completely parameterize topographic maps， dam types and other data， so that the entire workflow of dam line comparison and selection has the characteristics of visualization， coordination， and optimization. While greatly saving drawing time， it also makes the model of the comparison process more intuitive and more reliable than the final data.

Keywords： dam line comparison;BIM;CATIA;gravity dam

BIM技术是Autodesk公司在2002年率先提出的。BIM技术的核心是建立虚拟的建筑工程三维模型，并利用数字化技术，为模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。它是建筑学、工程学及土木工程等领域的新工具，已经在全球范围内得到业界的广泛认可。本研究采用CATIA软件作为本次19条坝线的三维模型构建软件，以便将CATIA软件更好地应用在BIM工程中[1]。

1 坝址基本情况

本工程位于贵州省锦屏县，为新建水库工程，目前正在建设中。水库建坝河段属低中山缓丘坡地地貌，上游下伏基岩为前震旦系板溪群隆里组第一段（Ptbnl1）浅灰、灰色变余砂岩夹粉砂质板岩，下游河段基岩为前震旦系板溪群清水江组第三段（Ptbnq3）浅灰、灰绿色变质砂岩夹砂质板岩，地质构造简单。岩层为单斜构造，岩层倾向SE，倾角为18°～43°，无滑坡、崩塌等不良地质体分布，岸坡稳定性较好。坝址选在马背组居民区的上游210 m、火把山北方高程469 m处，该河段中间为四面环山的开阔台地，是一个宽缓的盆腔，两库岸山体高大厚实，库区地势为东高西低，河曲发育，右岸坡较陡，左岸坡较缓。河谷左侧存在高程在490～495 m的埡口，因正常蓄水位为502.00 m，所以该处必须修建副坝，副坝右岸坡较缓，左岸坡较陡。主坝库盆两边为不对称的U形峡谷，右岸覆盖层较薄，左岸覆盖层较厚。副坝库盆两边为不对称的U形峡谷，右岸覆盖层较厚，左岸覆盖层较薄。主副坝两岸地形高程高于正常水位，两坝间山体覆盖层较厚，需要将主副坝连成一体。总体上看，库区稳定，库盆较大，库区征地较少，满足建坝要求[2]。

2 比较坝线的选取

拟建坝址处地形较为复杂，所以存在多种坝线可能。本次坝线比选必须充分利用主副、坝间的山体来优化工程投资。考虑到坝右在推荐坝线河谷最窄，右岸山体向上、下游外扩较为明显，不存在以坝左为转点扭转的可能。本次比选采用坝线中、右两个转点作为比较坝线方案。第一转点选择推荐坝线山体中点，基于坝址中点转点，分别沿顺、逆时针方向以2°各旋转5次，共得到10条坝线，然后进行比较。第二转点选择推荐坝线右岸与坝顶高程505 m的相交点，基于坝址右转点，分别沿着顺、逆时针方向以2°旋转4次，共得到8条坝线，然后进行比较[3]。最终得到18条坝线（不包括推荐坝线），比较坝线平面布置如图1所示，统计结果如表1所示。

本次比选采用CATIA软件建模，地形图由测量文件导入生成，开挖面根据现场钻勘情况确定平均开挖深度为10 m，采用重力坝坝型比选。其中，坝顶高程为505 m，坝顶宽为5 m，上游折坡点高程为476 m，坝坡坡度比为1.0∶0.1，下游坝坡坡度比为1.00∶0.75[4-5]。坝线比选特征如表1所示。

建模后，用生成的开挖面切割标准大坝体，人们就能够得到各个坝线被开挖面切割后的真实体型，同时可以获取大坝坝长、开挖体积、大坝填筑体积等关键数据，再根据概算专业提供的开挖单价（66.81元/m3）、填筑单价（530.13元/m3）进行坝线预估比较。具体坝线布置如图2、图3所示。

建模后，研究人员发现，因坝右山体外扩，N1～N5线坝长已超出库区封闭区域，无法形成封闭库区，导致各项数据偏大，而其他坝线均可成库。数值采用CATIA软件测量项命令得出，具体成果如表2所示。

通过各坝线三维模型生成的数据可以发现，在坝址中转点旋转的10条坝线中，因大坝坝体已超过右岸山体，使N1～N5坝线差值变化较大，而其他坝线差值变化较小且呈线性分布。由数据可以得出，无论是坝顶长和开挖量，还是填筑量和投资估算，推荐坝线T都为坝址中转点坝线中的最优方案，差值最大为比较坝线S5，各项数据（坝顶长、模型开挖量、模型填筑量、投资估算）相对差值分别为28.492 m、826.6 m3、1 521.7 m3和86.2万元。由数据生成的坝址中转点比较坝线簇状柱形图如图4所示。

在坝址右转点旋转的8条坝线中，因坝址右转点离右岸较近，坝线差值变化不大。由推荐坝线T沿着顺、逆时针偏移坝线时，通过观察数据和模型对比，研究人员发现，左岸山体变化趋势与坝址比较关键数值成正相关。因推荐坝线T左岸的上下游山体形态较为对称，其比较数据也相对对称。在坝址右转点比较坝线中，推荐坝线T仍为最优方案。其中，坝顶长最大的为Z4方案（299.729 m），相较推荐方案长41.73 m;开挖量最大的为Z4方案（33 397.329 m3），相较推荐方案多2 445.146 m3;填筑量最大为Y4方案（59 773.506 m3），相较推荐方案多4 101.09 m3;投资估算最大为Y4方案（3 390.57万元），相较比较方案多232.42万元。

通过坝址右转点四项数据对比，坝顶长、开挖量为坝线Y4较大，而填筑量和投资估算为坝线Z4较大。通过分析模型发现，其原因为：坝线Z4相较坝线Y4山体外扩幅度更大，导致坝线更长;坝线Z4相较坝线Y4途经中部山体，长度更长，导致开挖量更大;因坝线Z4相较坝线Y4在坝左部分建基面高程大，导致填筑量较少;坝线Z4相较坝线Y4在开挖量上多198.7 m3（开挖单价为66.81元/m3），而在填筑量上少156 m3（填筑单价为530.13元/m3），导致坝线Z4相较坝线Y4少6.94万元。由数据生成的坝址右转点比较坝线簇状柱形图如图5所示。

通过模型和数据对比发现，推荐坝线T为最优坝线。目前，本项目正在施工中。其中，各坝段均已开挖完成，副坝浇筑过半，通过航拍图能发现，现场与CATIA建模形成的形态差距不大，成果较为可靠。推荐坝体建模图如图6所示，建模与施工航拍对比照片如图7所示。

3 结论

CATIA软件可以以三维立体实物图的形式展示大坝模型，也可以实现模型关键数据的参数化。本工程采用CATIA软件建模，能直观地反映出各个猜想坝线的形体形态，也能较为准确地采集数据进行关键参数比較，最终确定最优坝线。目前，水利专业配套软件较少，导致BIM技术发展较慢，但建筑、市政、绿化、园林等行业已从传统绘图转向BIM设计。水利工程并非必须使用BIM技术，但BIM技术能很好地实现复杂水利工程的参数化、可视化、简单化。BIM技术也是水利工程发展的方向，它不仅仅可以用于展示，更重要的是，在工程设计和施工过程中，各个专业、参建单位都可以依据此模型进行沟通、讨论、优化和决策，极大地提升了工作效率。

参考文献：

[1]张德文.CATIA水利水电工程三维设计技术[M].武汉：长江出版社，2014：66.

[2]李水生.贵州省锦屏县马背水库工程初步设计报告[R].贵阳：中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，2018.

[3]水利部.水利水电工程初步设计报告编制规程：SL 619—2013[S].北京：中国水利水电出版社，2014.

[4]水利部.混凝土重力坝设计规范：SL 319—2018[S].北京：中国水利水电出版社，2018.

[5]水利部.砌石坝设计规范：SL 25—2006[S].北京：中国水利水电出版社，2006.