基于BIM的截流水力计算及其算稿系统研发

刘雪晴，田福文，刘 全，蒋侠宇，简思彧

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072；2.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410007）

截流是水利水电工程建设中的关键步骤，是水利水电施工设计的重要环节［1］。随着工程技术的快速发展，目前国内外关于施工截流方面的设计及施工技术已经日趋成熟，但截流水力计算的效率还较低，还存在直观性差、交互性低、截流计算结果的分享困难等难题［2］。本文旨在将水利工程截流水力计算系统通过BIM进行可视化交互［3］，以水电站的BIM 3D模型作为基础，通过与截流计算所需的各个参数进行联动输出和导入，建立每个水力参数立体化、可视化的对应关系。在研发的截流水力计算程序的基础上，计算具体方案的截流水力参数，进一步生成标准化的计算成果算稿。为工程设计人员提供便利，提高工程基础设计效率。

1 基于BIM的截流水力计算系统框架

1.1 水电工程截流BIM功能设计

传统参数输入方式专业名词多、专业性较高，不具备对计算参数处理的直观性，重复且单一的信息输入容易出现输入错误，出现错误也较难发现［4］。为了解决截流计算参数输入直观性问题，针对一般性的截流系统的天然河槽、已有工程建筑、截流戗堤等对象建立相应的BIM模型［5］；将截流计算的各工程计算参数与BIM图形对象之间建立关联。将工程参数所蕴含的工程意义与实际工程图形一一对应，实现工程参数的可视化采集［6］。通过可视化实现直观性与易检查性，同时避免设计交流过程中概念理解问题导致的采集错误。

目前专用计算系统的BIM实现技术方案根据模型来源可以分为基于BIM平台的方案和基于VR（虚拟现实）平台的方案两类［7］。两类平台都可以实现专业的工程模型的可视化，也可以与专业计算平台链接，构建基于BIM的水电工程截流水力计算算稿系统。下面简要说明二者的技术差异。

1）基于BIM平台的技术方案。基于AutoCAD Revit、Dassault CATIA、Bently Microstation等产品进行截流建筑物建模。由于它们都是建模和可视化集成平台，因此建模完成后，即可使用这些平台的二次开发工具将截流建筑物模型与截流参数和截流计算系统挂接起来成为截流计算系统［8］。计算完成后也可以使用BIM平台完成计算结果的可视化。同时应该看到，由于BIM平台专注于工程技术特性，一般BIM平台在模型的精细度和专业性方面十分强大，但是在模型的可视化效果和场景环境真实性方面要弱些。

2）基于VR（虚拟现实）平台的方案。VR平台的优势在于沉浸式可视化，一般需要使用3DSMAX、Rihno、Maya、AutoCAD等软件建模后导入Unity、Unreal、VRP等虚拟现实平台。使用3DS MAX、Rihno、Maya、AutoCAD等通用平台进行建模、模型处理、场景设计等功能，再将3DSMAX的模型导出到可视化平台中，在VR平台中进一步的处理后发布。

考虑到设计衔接和行业易用性等，本文选择基于BIM平台的技术方案，基于BIM的截流水力计算可视化过程示意图如图1所示。

本文的BIM模型是通过在已经建立的截流模型的基础上，首先采集工程原始数据并将其写入BIM模型，从而将模型按参数进行更新。再导出截流计算相关数据，将其参与截流水力计算，得到的计算结果参数再次导入BIM模型，直至完成截流计算，并导出。因此，主要步骤分为3个步骤。①建立坝区地形模型与截流建筑BIM模型。地形模型可通过DEM数据、等高线数据来构建。截流BIM模型仅考虑截流建筑物与泄流建筑物，包括戗堤和分流泄水建筑物。具体的建模可用Civil3D等三维建模工具实现。②采集BIM数据并将其写入BIM模型。截流设计时一般包括了大量的方案，计算前需要将相应的计算参数写入BIM模型，为计算做准备。也可以保存BIM模型，为以后重用计算模型所用。③基于BIM提取截流水力计算参数。通过高级语言编程实现，访问BIM模型提取截流水力计算参数。

1.2 水电工程截流水力计算算法研发

考虑到用户的使用和算法的复杂度，本系统采用经典水力学解算截流水力参数。一般的截流水力学计算模型采用水量平衡方程为基础，计算龙口宽度与上游水位及下泄流量之间的关系。此外，本文的模型还考虑了河床的起伏变化和分流建筑物的岩坎对截流的影响。

针对河床的起伏问题，根据龙口宽度确定河床曲线计算范围，计算得到河床过水面积、湿周等参数，利用平均高程计算龙口水力参数［9］。

针对分流建筑前的围岩拆除不完整的情况，考虑岩坎对分流建筑泄漏能力的影响，计算分流建筑物的上游水位和下泄流量之间的关系［10］，用以计算和修正龙口水利参数。

在前述参数准备的基础上，建立龙口宽度、分流建筑下泄流量、龙口水力参数和龙口泄量之间的关系，建立参数矩阵并通过对参数矩阵数据的比较求解截流水力参数［11］。经典水力学方法计算截流水力参数的模型和讨论已经较为完善，本文不再累述。

1.3 截流水力计算自动算稿研究

截流计算完成后，为了方便整理和审核计算结果，本系统还包括了算稿自动生成功能。自动选取、定位、导出截流水力计算结果数据，调整算稿格式并保存算稿文件，实现了截流水力计算算稿的智能化生成。

1.3.1 算稿模板的准备

首先，通过分析多个工程截流的设计计算书文档，提取和各工程截流计算书重用的内容，建立截流计算算稿模板文档，作为未来生成截流算稿的基础［12］。算稿模板中根据工程变化的参数（如：工程名称、截流流量等），将其中的参数所在位置以书签标注，方便计算机识别和替换，如图2所示。

算稿输出的具体步骤如图3，包括：计算准备（得到计算结果图表及准备算稿模板）、取得待导出水力参数数据、定位模板位置、输出计算数据、调整数据格式等几个主要部分组成。由于每个参数的参数类型、格式类型、导出方式、定位方式可能有所不同，通过逐个选取参数来建立算稿。

1.3.2 截流水力计算结果对象及其书签约定

截流水力计算的结果可以分为数据、表格、图档等对象。其中，数据参数如表1；表格数据如表2；曲线图档如图4。算稿生成系统的书签位置约定针对数据对象稍有差异。对于文字，直接在文字所在部位添加书签；对于表格，采用在表格标题的末端添加书签；对于图片，采用在图片名称的上方换行一段以添加书签。

表1 截流水力计算参数表

表2 截流水力参数解算矩阵表

1.3.3 导出数据和处理

前述手段导出的算稿已经具备了基本的数据和图表元素，但是与商用文档要求还有一点距离。还需要进一步对表格进行格式处理，如添加表格线使之成为三线表格式；对长表格进行拆分处理；对跨页表格设置表头重复；设置表格行距，图表居中等。

2 工程应用案例

大藤峡水利枢纽二期工程截流采用单戗立堵进占，下游河床高程20 m，戗堤顶部高程0 m，戗堤顶部宽20 m，戗堤两侧平均边坡系数1.75，河宽280 m，合龙时间预计36 h。计算工况截流设计流量取为2 380 m3／s，岩坎高度取0.5m，将相关参数代入即可完成截流计算，具体计算结果如表3。根据计算结果，可以进一步计算得到龙口宽度、龙口流速、单宽流量、上下游水位差、单宽功率等主要截流水力参数的变化过程，导出成为截流计算算稿的效果如图5所示。

表3 龙口计算成果表（部分）

3 结 语

针对河道截流施工设计水力计算的直观性差、标准化低、计算结果分享困难等问题，本研究提出了基于BIM模型的截流水力参数计算模型和算稿生成技术。其中，基于截流BIM将截流施工中的主要建筑物与其参数绑定，实现了截流参数的可视化；利用BIM进行计算参数管理，利用经典水力学模型进行截流参数计算；在归纳截流算稿共通内容的基础上，利用算稿模板生成截流水力计算算稿。本研究成果一方面加强了计算参数化的可视化，降低了计算工作的抽象性；另一方面增加了计算结果的规范性和通用性，能减少设计人员的工作量、缩短设计周期，在工程领域拥有较大的应用和推广价值。