BIM技术在河道整治工程设计中的应用

单其宽，吴艺文，朱 程

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.广州市花都区水务建设管理中心，广东 广州 510800)

随着国家经济持续快速发展，中国已经成为世界上工程建设活跃的地区，BIM(Building Information Modeling)[1]技术也逐渐引发工程建设领域的第二次数字革命，国家和地方政府及行业积极制定相关标准推进BIM应用。由于BIM技术的不断快速发展[2]，各行业逐渐接受采用BIM设计、分析、交付、运维等，建筑和工业行业在BIM技术应用领域突飞猛进，如北京奥运会水立方、上海中心大厦等。国内多个大型水电工程[3-5]逐步引入BIM技术，同时BIM在水运航道领域也有较多应用[6-9]，王军[10]对水利工程BIM标准编码及清单计价进行了研究，但总的来说，国内水利行业应用普及率依然很低，BIM在水利行业应用仍然处于起步发展阶段。

目前国内没有水利专用的BIM设计软件，通用BIM软件在水利的应用中存在较多问题，以河道整治为例：①河道设计断面虽然简单，但是由于水利行业的特殊性，对每个横断面标注要求非常详细，常用BIM软件切出断面图后仍需逐个手动标注，难以体现其优势；②学习成本较高；③现阶段河道整治趋向生态治理，蜿蜒曲折，与道路、铁路设计方法有所不同。

基于Bentley[11]平台中Open Roads Designer[12-14](以下简称ORD)软件，是一款功能全面的道路设计BIM软件，具有平、纵、横剖面图纸数据关联性强、设计出图及设计更改过程简单等优点。本文通过研究分析传统河道整治[15]设计思路和流程，充分利用BIM软件的优势，通过ORD建造模型，批量完成横断面图纸标注，形成一套完整的河道整治工程BIM应用设计方法。并通过二次开发[16]，优化工程量生成与输出流程，解决BIM软件在河道整治“最后一公里”问题。

1 设计方法

1.1 传统河道整治工程设计方法

①根据河道走向进行大致平面布置，一般河道长度为数千米，按照实际地形对河道进行分段。②依据河道分段进行典型横断面设计。③依据典型横断面，反向设计平面布置图。④根据平面布置图及典型横断面，进行断面图设计(间距约50～100 m)。⑤计算工程量。

传统河道整治工程采用CAD软件进行设计，优点是学习成本低，操作简单，缺点是重复作业量大，河道横断面图纸数量一般几十至上百不等，返工时需要花费同样多的时间处理横断面图，且平面图与横断面易出现不对应的问题。特别是对于生态河道工程，蜿蜒曲折，平面图与横断面图不对应的问题尤其严重。

1.2 ORD在河道整治工程设计方法

①根据河道走向进行平面布置，按照实际地形对河道进行分段。②依据河道分段进行典型横断面设计。③通过典型横断面生成BIM模型。④设置标注信息。⑤自动出图并计算工程量。

1.3 不同设计方法对比

对比传统设计和ORD设计方法(图1)，传统设计采用二维设计方法表达三维物体，易出现表达不全面、图纸不对应、工程量不准确等的问题，ORD设计方法本身即为三维设计，可以有效避免以上设计问题。

图1 河道整治设计流程对比

2 二次开发定制

2.1 标注信息CELL库

ORD软件主要是针对道路结构设计，与水利行业相比，出图标注信息相对简单，满足不了水利专业出图要求。通过对水利行业标注信息研究，建立了符合河道整治工程标注特征的CELL库，每个CELL代表一种标注样式，见图2，可以根据设计不同需求装配到横断面上，最终形成完整的横断面图。

a)设计水位标注信息

b)护坡类型标注信息(草皮护坡)

c)护坡类型标注信息(混凝土护坡)

d)岸顶路面标注信息

2.2 横断面模板Points规则

横断面标注均由点名称或特征定义进行控制。设计时需考虑与标注一一对应，因此需要建立一套标准的标注框架，例如：需标注高程的点定义为BG_1，BG_2，BG_3……，需标注边坡材料的点定义为BP_1,BP_2,BP_3……，水位标注位置定义一个空点，定义为SW等。当不同设计断面之间需要过度衔接时，需对点名称及特征定义开启Override。横断面模板Points规则见表1。

表1 横断面模板Points规则

2.3 优化工程量输出格式

水利水电工程设计阶段一般分为项目建议书、可行性研究、初步设计和招标施工图设计，不同设计阶段对工程量的阶段系数要求不同。ORD软件生成的工程量不含阶段系数，输出格式为XML格式(图3)，设计人员还需针对不同设计阶段进行工程量的二次编辑。且XML不易于操作，也不利于向下游专业提资。通过对软件中工程量输出格式进行二次开发，以C#语言为底层语言，借用算法对工程量输出格式及内容进行编程设计(图4)，自动生成工程量列表(表2)，输出为EXCEL表格，针对不同设计阶段自动添加阶段系数，不仅提高设计精确度，又提高生产效率。

图3 改进前工程量汇总

图4 工程量输出修改截面

表2 改进后工程量汇总

3 工程应用

江西省南昌市某河道整治工程初步设计，拟建的河道护岸总长3.7 km，位于城区核心地段，主要任务为防洪，兼顾水环境和水生态治理，基本维持原河道自然走向，充分体现自然、生态的河道治理理念，宜弯则弯，宜滩则滩，并满足周边居民亲水需求。该工程按照本文提出的ORD应用设计方法进行设计。

a)首先利用高程点及等高线生成三维地理模型，利用复杂多段线进行河道平面布置，确定河道岸线轴线，根据水力学计算的岸顶高程进行纵断面设计。

b)典型横断面模板设计。横断面模板由简单组件、受约束组件、空点、末端条件组件、重叠(Override)等组成，每个组件由点、线、面形成，且均含有特征定义，本河道工程典型横断面模板见图5。

图5 典型河道护岸参数化设计断面模板

c)标注信息设置。河道断面标注主要含有高程标注、洪水位标注、材料标注、尺寸标注、填筑材料标注等。根据常用的标注，生成标注Cell库，再通过调用Cell，根据标注点不同的位置关系进行标注。①高程标注。定义高程标注Cell，通过引用Cell库文件，插入需要标注高程的位置BG_1，BG_2，BG_3……等。②边坡标注。定义边坡标注Cell，根据坡面上下顶点和不同护坡类型，进行边坡标注定位及型式选择。③水位标注。在横断面模板中定义空点，空点需根据与堤顶高程的相对位置关系进行锁定，水位即可根据堤顶高程的不同进行自动调整。通过引用水位标注Cell，标注到相应位置。④构筑物标注。通过每个构筑物特殊的编码，例如排水沟(PSG)、防浪墙(FLQ)、亲水平台(QSPT)等进行编码标记。⑤尺寸标注。通过上述定义点，软件自动生成连续的点串，{ BP_1、BP_2、BG_1、BG_2……}，通过点串进行尺寸标注。

d)利用上述平、纵、剖面设计，即可根据工程实际需要在任意桩号处对模型进行剖切并生成最终断面图，设计按照间距50 m生成断面图，并采用断面面积法计算工程量，带有特殊编码的BIM三维模型见图6，部分横断面见图7，工程量见表3。

图6 带有特殊编码的BIM三维模型

a)K0+000横断面

表3 工程量

将ORD设计和传统设计工日及修改返工工日进行对比(表4、5)，两者总工日相差较大，主要原因在于传统横断面图绘制和工程量耗时较多，BIM则可依据三维模型自动出图和工程量，节约大量的时间。

表4 设计工日对比

表5 返工工日对比

4 结语

水利水电BIM技术应用逐步在全面普及，从方案展示逐渐往施工图阶段延申,将ORD的优势引入到河道整治工程设计中。通过制定CELL和横断面模板Points规则，实现了横断面的详细标注，并通过二次开发，实现了不同设计阶段的工程量计算，有效解决了河道整治横断面出图量大，断面尺寸多变，平面与横断面不对应，工程量计算不准确的难题，可为河道整治工程设计提供技术借鉴。