5DBIM技术在宰章水库工程中的应用研究

石庆安，王茂洋，刘 明

[1.黔东南水利投资（集团）有限责任公司，贵州 凯里 556000；2.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000]

引 言

水利水电工程是我国国民经济中的基础性设施，具有规模大、布置复杂、投资大、开发建设周期长、参与方众多以及对社会、生态环境影响大等特点，工程的建造过程是一个庞大而复杂的系统工程。传统的水利水电工程建设存在以下几个问题：

1）设计方案的可施工性存在问题，导致设计变更频繁。

2）进度管理难度大，需要计划和控制每月、每周甚至每天的施工操作，动态地分配所需要的各种资源和工作空间。

3）成本管理难度大。施工周期较长，施工过程中存在较多不确定因素，对施工进度和方案造成影响，会导致无法预见的成本费用增加。

5DBIM技术，是在三维模型的基础上添加时间、成本信息，形成的具有5个维度的建筑信息模型[1]。5DBIM技术以其可视化的进度模拟分析、精细化的成本动态控制等方面的优势，受到越来越广泛的关注[2～3]。

随着BIM在建筑领域的兴起，水利水电工程也逐步引入BIM技术，但是由于起步较晚，且BIM软件多针对建筑领域开发，造成其应用相对滞后。目前BIM技术在水利水电工程领域的应用还主要集中在三维设计方面，BIM的价值还主要体现在设计阶段。而水利水电工程具有建设周期长、进度及成本管理难度大的特点，因此有必要进一步开展5DBIM技术在水利水电工程中的应用研究。

1 工程概况

宰章水库工程位于贵州省从江县丙妹镇宰章村境内，坝址距从江县城6.0 km，工程等别为Ⅲ等，工程规模属中型，枢纽布置由面板堆石坝、右岸溢洪道、左岸导流及取水兼放空隧洞组成。大坝坝高82.5 m，坝顶高程361.5 m，水库总库容1 200万m3。

2 大坝B IM模型构建

BIM模型是5DBIM技术应用的基础。宰章水库大坝为面板堆石坝，坝体填筑是分期、分区进行的。

三维建模软件采用Autodesk Civil 3D，该软件是一款在AutoCAD的基础上开发的面向土木工程行业的建筑信息模型（BIM）软件。

利用该软件进行大坝三维建模流程为：

1）首先导入勘测数据，进行数字地面模型（DEM）的建模；

2）进行坝基开挖设计；

3）生成地形体三维模型；

4）创建初步坝体三维模型，并与地形体进行布尔运算，得到最终大坝三维模型；

5）对大坝三维模型进行分区分期。

图1为Civil 3D中大坝三维建模流程。

图1 Civil 3D中大坝三维建模流程

2.1 地形体建模

地形曲面是生成地形体的基础。Autodesk Civil 3D中有四种曲面类型，分别为三角网曲面、栅格曲面、三角网体积曲面、栅格体积曲面。三角网曲面是由不规则三角形所组成的众多平面构成，软件会连结最接近的曲面点形成三角形。三角网曲面与栅格曲面具有不同的数据结构算法，前者适用于高低起伏较大的地形，后者适用较为平坦的地形。三角网体积曲面和栅格体积曲面可以用来计算挖填方的体积[4]。水利水电工程多建在高原或山区，地形起伏较大，因此，地形曲面采用三角网曲面类型较为适宜。

使用Civil 3D创建地形曲面的方法为：创建1个三角网曲面对象，在曲面对象定义中添加数据源（勘测数据）即可。

图2为等高线创建地形曲面图。

图2 等高线创建地形曲面

建立好地形曲面后还需根据开挖设计资料对地形曲面进行开挖。具体方法为：首先根据设计资料创建开挖设计曲面；之后使用“提取曲面间最小距离”命令获取开挖设计曲面与地形曲面的交线，将此交线作为边界对开挖设计曲面进行裁剪；最后将地形曲面作为主体，通过粘合曲面命令将开挖设计曲面与地形曲面融合，生成开挖后的地形曲面。其中对于规则的开挖设计曲面，如边坡开挖可以通过软件的放坡功能生成，对于不规则的开挖设计曲面，如坝基开挖则需绘制多个断面的开挖设计曲线，通过放样生成。

Civil 3D 2016版本新增了直接从曲面提取实体功能，大大提高了地形实体的创建速度。开挖后的曲面即可使用从曲面提取实体工具，指定实体深度或高程生成地形体。需要注意的是地形实体所占的内存较大，在不需要的情况下可以先隐藏起来。

图3为宰章水库地形实体建模成果。

图3 地形体建模示例

2.2 坝体建模

坝体三维建模首先需要根据设计资料在原始等高线图或设计资料建立坝轴线，之后为方便坝体建模，可以以坝轴线中心为原点建立用户自定义坐标系，然后通过三维旋转、对齐、拉伸等操作，将坝体标准横断面轮廓线沿着坝轴线拉伸，得到坝体三维模型，将坝体与开挖后的地形体进行布尔差集运算，选择保留坝体，图4为坝体模型。

图4 坝体初步模型

3 填筑单元划分

宰章水库大坝为面板堆石坝，面板堆石坝填筑一般是分期进行的，在每一个分期（阶段）按照填筑物料的不同将坝体分为若干个分区，在各个分区逐层进行填筑，每个填筑层坝面划分若干工作段进行流水施工，所以填筑单元划分应在大坝模型上按照各个分区填筑层的厚度划分填筑层，每层再沿着河流方向或垂直河流方向划分工作段形成填筑单元。

填筑单元数量较多，如果仅仅使用软件的剖切功能进行手工剖切工作量大、效率低，且如果施工方案发生变化无法及时更新填筑单元模型，如何动态快捷地划分填筑单元模型是一个关键。

本文采用VBA编程技术，对Autodesk Civil 3D进行二次开发，实现了填筑单元模型的自动精确划分功能。程序坝体进行剖分工作主要通过调用三维实体（3D Solid）对象的剖分（SliceSolid）方法，其主要思想是：针对要剖分的实体对象，选择SliceSolid命令，利用不共线的三个点确定一个平面，并将该平面作为切割命令的执行对象，将被剖分对象从切割面处切割开，再针对切割面两侧的实体进行编辑。

切分结果如图5所示。

图5 大坝填筑单元划分成果

4 应用分析

本文基于WebGL技术，采用B/S架构，开发黔东南水利工程三维地理信息云平台管理平台，依托BIM模型，以项目沟通、成本管理、进度监控为主线，为业主方、设计方及施工方提供统一的协同管理平台，达到共享工程管理信息、落实工程管理环节责任、协调工程整体进度的目的[5]。见图6。

图6 平台应用

5 结 语

本文以从江县宰章水库为依托，进行5DBIM技术的应用研究。通过Autodesk Civil 3D软件完成了宰章水库大坝BIM模型的构建；填筑单元作为大坝5DBIM模型的基础，具有划分繁杂的问题，本文通过二次开发实现了填筑单元的自动划分，对类似土石坝工程5D BIM技术的应用具有借鉴意义；最后将BIM模型应用于宰章水库5D BIM管理平台中，实现了进度、成本可视化管理，为参建各方提供了统一的协调沟通平台。