基于OpenRoads技术的新建水库工程正向设计

李贤锋

(广东省水利水电科学研究院,广州 510635)

BIM 技术是引入 “工业 4.0”、“互联网+”概念 发展起来的一种多维信息模型大数据、全流程、智能化管理技术，是数字化水利工程的规划设计、工程建设、运行管理一体化、信息化的最佳解决方案，将智能水利设施连接起来，组成智能化的基础设施，服务于人类社会。BIM 技术的应用会带来整个工作模式的变化[1-2]。Bentley 系列软件中的 OpenRoads Designer是一款功能完善、全面详细的工程设计BIM 软件，适用于勘测、排水、地下设施和道路等长距离线性工程的三维建模，基于此特点可将 OpenRoads应用于水利工程中的线状工程三维设计,OpenRoads 技术创新性地利用桩号驱动的方式，实现参数化模板建模，模型边坡与地形自动融合，平面中心线、纵断面设计和三维模型的联动修改，实现了高效的参数化设计[3]。OpenRoads设计满足全阶段的正向设计要求，特别是在早期方案设计阶段即可接入进行多方案比选，省时省力，避免成为完工后的翻模工具BIM，设计不局限于使用虚拟仿真技术呈现整个设计成果，真正变更设计手段，使用BIM设计方法，提取设计、施工过程数据与成果模型集成，进行项目“PEPCTO”模式的全生命周期管理是发展趋势[4]。

1 工程概况

某新建水库，大坝采用均质土坝，坝顶高程为83.50 m，河床建基面最低高程为30.0 m，最大坝高为53.50 m，坝顶宽为7 m，坝顶长为280 m。溢洪道采用开敞式岸边溢洪道，布置于大坝右岸120 m处，由进口段、控制段、泄槽段和挑流消能段组成，全长共为350.0 m。水库引水隧洞布置于大坝左侧，采用直径为3.0 m，管进口设取水塔。上坝公路利用原有省道公路，对库区南岸采石场边坡进行加固处理，在边坡马道基础上修建防汛公路合计总长1.5 km。大坝、溢洪道、引水隧洞及防汛道路均为线性工程，整个水库水工建筑物完全适合采用OpenRoads进行设计(如图1所示)。

图1 水库枢纽平面布置示意

2 OpenRoads正向设计流程

2.1 地形模型处理

地形模型 (TM) 在基础设施和映射工作流中起着重要作用。OpenRoads 技术主要采用在地形拟合方面表现最出色的狄洛尼三角网构建原理，能读取机载激光雷达获取的点云数据和多种存储地形数据的文件，如 .dat、.tin、.xml 文件，对原始数据进行检查和修正处理，根据需要对地形进行剪切和融合[4]。

生产模型能满足以下要求：

1) 三维模型完整，位置准确、具有现实性，与获取的航空影像表现一致。

2) 三维模型分区块生产时，接边处不应出现断层。

3) 水下区域和模型漏洞地方进行修补，使模型连续，不应存在漏洞。

利用实景模型的基础上可以进行三维地形建立，免去项目前期现场测量的大部分工作量，降低了生产成本[5]。也可以利用已有平面测量图，测量图包括高程点、等高线及地貌特征线等，用图层过滤器导入OpenRoads形成三维地形模型。对测量精度要求不高情况，OpenRoads目前也提供Esri、USGS、SRTM 3种形式的地形模型下载。在地质分层不很复杂情况下，可以直接根据勘察钻孔数据从 gINT 数据库导入 OpenRoads环境中生成各地层模型。

2.2 创建土木平面和纵面几何元素

OpenRoads技术始于道路工程，是以线性模型为驱动，基于线性设计理念，可以支持跨行业的BIM设计。流程中需要完成线路的平面曲线及竖曲线设计。水利工程一般采用交点法确定平面线路，如大坝的坝顶中心线、溢洪道的底板中心线、输水管道的管道内部中心线，平面确定后，可以同时在创建多个纵断面视图，进行多个纵断面设计，对不同的纵断面方案进行横向比较[6]，如溢洪道采用不同的堰顶高程及泄槽坡度方案。

2.3 廊道设计

廊道是线性的不同于两侧基质的狭长单元，具有通道和阻隔的双重作用，在交通工程中通常指路廊，可以引申到水利工程中某个具体的线性建筑。在平纵线形和横断面模板完成后，将横断面模板沿路线拉伸可以完成廊道模型，对廊道进行横断面过渡、加宽设置，添加对应的土木单元能完成整体三维建模[7]。横断面模板是OpenRoads设计的核心，这是区别于一般BIM软件的特点。

横断面是由组件、末端条件组成的模板文件， 其中末端条件是一个特殊的开放形状组件，设计边坡均使用此组件。可根据外部影响(如平面和纵面控件和末端条件)创建模板的变化，结合辅助线，自动采用不同类型的挡土墙。如溢洪道一般分为进水渠段、控制段及泄槽段，根据溢洪道结构特点，可以设置不同的溢洪道开挖横断面模板(如图2～图4所示)，廊道设计时把不同的模板设置到相应的桩号。在显示规则表达式中支持各种显示条件进行布尔组合。有挖方有填方模板需要建立挖方与填方的显示规则，建立挖填过度组件，设置过度与挖填组件的特征覆盖。指定末端条件尝试求解的顺序。不同溢洪道横断面模版中，顶部节点应进行命名重定义以实现导墙顶的连续衔接。

图2 溢洪道控制段开挖模版示意

图3 溢洪道进水渠段开挖模版示意

图4 溢洪道泄槽段开挖模版示意

2.4 切图出图及数字化交付

参考各专业模型，设计定稿后，OpenRoads可以根据桩号生成各专业所需的二维图纸，与三维模型可以动态关联，在三维模型改变时，二维图形能随之自动修改(见图5)，提高出图效率[8]。

图5 道路及边坡加固横断面切示意

3 新建水库OpenRoads设计

3.1 土坝的设计要点

大坝坝顶宽度保持7.0 m(含防浪墙)，于上游54.5 m高程处设一宽为7 m的平台，该平台以上采用粘土砌筑，坡比为1∶2.75，采用干砌石护坡，平台以下采用堆石体砌筑，坝坡坡比为1∶1.5。下游坝坡分别在高程69.5 m、54.5 m处设置两马道平台，平台宽为3 m，马道内侧设排水沟；高程54.5 m平台以上采用草皮护坡 ，坝坡坡比均为1∶2.5。下游坝坡坡脚设排水棱体，排水棱体顶高程为54.5 m，顶宽为 3 m，外坡为1∶1.5，并于排水棱体顶部及底部分别设置排水沟。

由于土坝断面较为单一，可以采用一个横断面模板完成。模型组件属性可以定义为干砌石护坡、堆石体、路面、草皮护坡及排水沟等组件材质，各组件增加材质后，可直接使用工程量统计模块。土坝使用的各种材料数量可快速得出，通过添加单价可以快速估算项目成本。在坝头设计时，宜考虑设置约10 m的水平开挖末端条件，其优先级也定为最高，可避免原地面坡度与大坝坝坡相近时出现设计坡顶过远。

在方案阶段，分别采用土坝、重力坝和沥青心墙坝进行必选，由于重力坝坝段需要分缝，中间坝段是特殊的溢流坝，坝体内部设有廊道等，适宜建立多个外轮廓横断面模板进行组合进行开挖边坡设计，更精细的模型需要在OBD软件制作再参考进OpenRoads软件；沥青心墙坝与土坝类似，可采用一个横断面模板完成(见图6)。

图6 土坝三维模型示意

3.2 溢洪道及下游河道的设计要点

溢洪道进口段长为115 m，底宽为14 m，底板高程为74.0 m，翼墙顶高程为84.5 m，根据边坡岩性，翼墙坡比为1∶1～1∶0.3，土质边坡采用贴坡式混凝土挡墙护坡，岩质边坡采用锚杆挂网喷C20砼护坡。闸室段长为16.5 m。泄槽全长为116.0 m，等宽均为14 m布置，泄槽底坡为1∶2.96，两侧岸坡采用贴坡式混凝土挡墙。溢洪道采用挑流消能，冲坑长为102.5 m，末端以1∶4坡与河床衔接，出口河床高程为28.0 m(见图7～图8)。

图7 溢洪道开挖模型示意

图8 溢洪道控制闸室模型示意

首先溢洪道由进口段、控制段、泄槽段和挑流消能段组成，各段需采用不同的横断面模板，处理好过渡段的衔接需要进行特征定义覆盖操作。其次溢洪道位于大坝左侧，需要与大坝模型的衔接，根据施工工序，土坝模型是在溢洪道开挖模型与现状地模剪切后的地模进行。最后溢洪道控制段基础开挖深为40 m，宜根据不同的地质岩层地膜采用不同的坡比，需理清模板末端条件设置优先级，自动识别不同土层进行的开挖设计，当出现各土层模型穿插或缺失情况，需要对各组件规划并按不同地层顺序组装不同的模板，最后合并到最终模板，并各组件模板给予不同的优先级。

3.3 引水隧洞与取水塔的设计要点

引水隧洞结合施工导流洞布置，隧洞进口设水库放空闸与导流隧洞结合，根据施工期导流要求，隧洞直径为3.0 m，隧洞进口高程为37.5 m，出口高程为 33 m，长为329 m，断面为圆形，洞径为3.0 m，纵向底坡为1∶73，洞身段采用挂钢筋网喷C20砼和现浇钢筋砼复合式衬砌方式。为满足引水、发电与放空要求，隧洞进口设取水塔，取水塔布置2孔闸，引水闸孔底高程为48.0 m。启闭机布置于启闭机房内，启闭机平台高程为97.50 m，检修平台高程为92.5 m。隧洞出口设1条直径为0.8 m的发电引水钢管、1条直径为1.0 m的放空管，其中放空钢管末端设锥形阀室，用于下泄生态基流、灌溉及放空。

取水口设计结合水库岸坡山体地形地貌和地质条件，采用明挖方式，并把开挖岩坎改造为施工期的挡水围堰，取水口设计的难点在于复杂场地的开挖设计。以往类似实体开挖体需要在3D-model中通过三维建模功能实线[9]，不但要保证开挖体与地形模型相交，也要考虑地质条件不同对各级坡比的影响。OpenRoads可以很方便实现上述功能：使用“智能线”绘制开挖体最底部轮廓，设定封闭的轮廓线的特种定义及高程后，应用线模版直接形成开挖模型，线性模版中可根据不同地质岩层设定不同坡比，各级马道也同时形成。取水塔开挖模型示意见图9，开挖地模参考取水塔模型示意见图10。

图9 取水塔开挖模型示意

图10 取水塔模型示意

3.4 防汛道路的设计要点

库区内的人工边坡主要为岩质边坡，少部分为土质边坡。库区南岸采石场的人工边坡坡高为20～50 m，局部50 m以上为陡崖，存在倾向坡外的不利楔形体，预计蓄水后存在坍塌、坍滑的可能性，一旦发生高速下滑失稳引起涌浪，将对大坝安全运行产生不利影响。处理措施主要采用削坡形式，水下部分采用坡比为1∶2，水上部分采用1∶1.5(岩质)与1∶2(土质)。水下部分每10 m高设置一级马道，水上部分每15 m高设置一级马道，同时清除危岩。

为保证水库防汛道路通畅，结合库区岸坡稳定处理的马道基础上修建防汛公路总长为1.5 km，路面大部分高程为85.0 m。道路设计采用3级公路双车道，标准为混凝土双车道，路宽为6 m，路基宽度为7 m，在公路临水库的一侧，每隔3 m布置高为0.6 m的砼警示墩。沿线经过地段为采石场，地形陡峻，山梁与冲沟相间分布，沟谷发育，局部地段高差相差很大，设计期间，采石场地形不断变化，线路多次调整。

高效率道路三维设计最理想的方法是定制包含各种设计情况的横断面，沿路中心线放样与地形相交，挖、填方，挡土墙，电缆沟和边坡等设计处处符合要求[10]。设计边坡应根据地质条件进行调整，本防汛道路共采用了4种不同横断面以满足复杂地形。《公路工程技术标准》(JTGD 20—2017)明确规定了视距要求，行车视距主要分为停车视距、会车视距和超车视距[11]。OpenRoads可以模拟车辆的实际驾驶环境，以计算从前方道路上看到的物体到驾驶员视点的最长距离，即三维空间视距来判断是否符合规范要求。防汛道路及高边坡治理三维模型示意见图11。

图11 防汛道路及高边坡治理三维模型示意

3.5 枢纽组装要点

水利工程具有很强的系统性和综合性[12]。各专业完成之后，在 OpenRoads 内完成全专业模型组装，通过统一坐标系的建立，以项目模型参考的方式实现各类建筑物的无缝对接。模型对接完成后，进行三维冲突分析，有效保证项目间的协调，改善水利工程中各阶段与各部门的“信息孤岛”现象[13],提高设计质量，减少后期建设阶段面临着频繁、重复的方案调整。

4 结语

目前设计单位采用的BIM设计最多应用是翻模，但BIM设计不仅是一场工具层面的技术革命， 也是设计流程和设计理念的革新，对比传统的二维设计更加高效、直观，且工程量计算精确、快速。BIM正向设计是指在三维环境中直接设计。使用三维模型及其信息，自动生成必要的图形文件，模型信息数据一致，以后可以后续传递。本文以某新建水库为例，基于OpenRoads技术的正向设计流程，总结水库大坝、溢洪道及下游河道、引水隧洞与防汛路等主要水工建筑的正向设计所要注意要点，完成设计优化、工程量计算、工程价格、图纸绘制等一系列工作，提高设计完成率和精度，减少二维设计盲区，为后期模型服务建设提供可能性，同时说明水库工程中采用BIM正向设计是可行的。