生态河湖工程设计 BIM 技术全流程综合应用研究

孟 明 ，赵海增 ，杨玉涵

（1. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2. 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003；3. 河南省城市水资源环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003）

0 引言

BIM 技术能够为水利工程建设全生命周期各阶段提供有力的数据和技术支撑，能够使工程信息在全生命周期中无障碍地共享且无损失地传递。利用BIM 技术可视化、形象直观的特点，可以完整地体现设计创意的所想即所得，便于水利工程参与各方交流和决策。利用 BIM 进行协同设计，将原多专业串行的工作状态通过协同平台变成并行的工作状态，可解决多专业对接效率低下问题，提高设计质量和效率，减少设计的后期变更[1]。

在传统设计时代，生态河湖工程以平面二维的设计手段完成，以点、线、面的概念呈现给项目参与各方散碎信息。传统设计模式下，在设计方案推进过程中，设计方案变更是不可避免的，相邻配合专业间由于变更引起的设计修改，不仅增加了设计人员的工作强度，还延迟了设计成果的交付期限。针对 BIM 技术可解决多专业对接效率低下问题，从构建 BIM 技术全流程架构出发，结合河湖工程项目特点，选取合适的 BIM 平台，研究以 BIM 模型为核心数据的工程全流程设计体系[2]。

1 生态河湖工程设计全流程 BIM 体系

1.1 河道堤防工程 BIM 设计体系

生态河道大多为天然河道，河道蜿蜒曲折，断面复杂多变，毫无规律性，而且治理河段大多工程范围大，单纯的二维设计成果已无法满足行业发展需求，必须进行三维建模，为智慧管理平台提供模型基础[3]。综合考虑整个工程建设及后期的运行管理，所建 BIM 模型须包含整个设计过程的各种设计信息、属性、材质、图纸及工程量等。为此，基于 BIM 技术为河道堤防量身定制了一套高效解决方案： Civil 3D 软件是一款应用于基础设施行业的 BIM 解决方案，故以 Civil 3D 为主要设计软件，通过地图绘制软件 Global Mapper 进行地形 DEM（数字高程模型）数据处理，通过 Civil 3D 和Autodesk Subassembly Composer 等软件进行正向三维设计，创建地形，制作参数化横断面，并与建筑物和景观等专业进行协同设计，相互提资和反馈，创建河道BIM 模型；在 BIM 模型的基础上自动出图和统计工程量，并结合 Visual Studio 程序开发平台进行二次开发，形成集前期计算分析与后期设计于一体的新型工作模式，实现复杂河道信息化、参数化、可视化设计，以及自动算量与批量出施工图，最终形成一套适用于河道堤防工程全阶段、全流程的高效解决方案。河道堤防 BIM 设计体系技术路线图如图1 所示。

图1 河道堤防 BIM 设计体系技术路线图

1.2 河湖建筑物 BIM 设计体系

河湖建筑物采用三维建模软件 Revit 进行三维模型的创建，并利用参数化手段对水工建筑物进行设计及管理，实现了水工建筑物的正向三维设计，丰富了模型信息，展示更加直观。对富含信息及属性的水工建筑物构件，可通过修改参数进行模型尺寸、材质及材料属性的修改。

通过 Revit、三维配筋、Abaqus（有限元分析软件）及 Autostable 等软件，建立水工模型，通过 BIM 模型进行水力学计算、渗流稳定分析、结构数值模拟、可视化配筋、二维出图及工程量统计等综合应用，建立一套完整的从模型创建到结构数值模拟，再到图纸自动输出和工程量自动统计的水工建筑物设计模式，使设计更加完整、规范，提高设计水平和工作效率。河湖建筑物 BIM 设计体系技术路线图如图2 所示。

图2 河湖建筑物 BIM 设计体系技术路线图

1.3 生态景观 BIM 设计体系

生态景观具有设计繁复、涉及体量多、现场条件要求高等痛点，相对于传统二维模式，三维平台能够很好地解决这些痛点问题。在生态景观设计中，利用BIM 软件辅助设计可减少重复劳动，将工作重心引到前期方案规划与后期设计细节把控方面，同时制定专业应用标准及全过程设计流程，并结合专业需求挖掘新的技术亮点，为行业带来新的视野与发展方向。

基于 BIM 平台，在前期设计阶段实现了生态景观设计中平面布置、三维模型推敲、场景渲染的实时可视化联动设计，使景观方案设计更加直观准确；在施工出图阶段可直接通过三维模型导出大量设计图纸，自动统计各部分详细工程量，所有图纸都将随方案的变更实时更新，极大减少了生态景观设计中重复工作量大、修改效率低等问题；在后期展示阶段利用三维模型可快速导出多种效果展示文件，如节点效果图、鸟瞰视频、手机端 360°全景体验、夜景照明效果图、EXE 交互式体验程序、网页端浏览等，相较传统二维设计极大提升了出图效率及方案展现效果，在提高设计质量与效率的同时方便与其他专业及业主的沟通，推进项目进一步发展[4]。

现阶段，已经形成较为成熟的前期 BIM 设计流程，能够快速完成总布置图、竖向设计图、放线图、铺装索引图、构筑物详图、方案模型的创建及多种效果的导出，对提高汇报效果、促进双方沟通等有明显成效，目前已运用到多个生产项目中并取得较为理想的效果。生态景观 BIM 设计体系技术路线图如图3 所示。

图3 生态景观 BIM 设计体系技术路线图

1.4 基于数据快捷方式的协同设计

随着当前工程项目对设计时间的要求越来越紧，项目的复杂程度越来越高，多人员的协同设计工作模式日趋重要。对于 BIM 而言，高端应用是在模型的基础上进行各专业间、专业内及项目各阶段间的协同设计。BIM 技术的核心是协同设计，在工程的任何阶段均能应用协同工作的成果，为项目各参与方提供服务。协同设计可利用互联网进行设计成果共享，为不同地点的协同工作提供高效、高质的工作方式，在提高信息交换速度的同时，也让不同地方的技术人员联合到一起[5]。

在 Civil 3D 软件上创建数据快捷方式前，须先选择合适的项目模板，然后在工作文件夹内创建项目文件夹作为数据快捷方式的基础框架，指定新的项目文件夹作为已经激活的数据快捷方式的项目文件夹[6]，设定新工作文件夹作为存储数据快捷方式项目的位置，放置项目数据。数据快捷方式项目文件夹包含项目中的所有源图形和数据快捷方式对象，新建文件夹用于存储 1 组相关的项目图形和数据快捷方式。可使用 Civil 3D 提供的项目模板创建数据快捷方式项目文件夹，当项目和数据量非常庞大时，项目模板会很好地分类整理所创建的所有数据[7]。

设置数据快捷方式项目文件夹是指定想要选用的数据快捷方式的项目路径，即在进行协同设计时，共享由项目组其他设计人员提供的设计源图形文件的数据快捷方式，便于当前图形文件的设计人员能够利用该数据快捷方式项目文件夹，创建源图形文件中地形曲面、平纵布置、BIM 模型等的参照[8-10]。

2 工程应用

将基于 BIM 技术的生态河湖工程全流程解决方案应用于沁河沁阳市城区段生态综合治理工程，进行河湖、建筑物、生态景观等的 BIM 设计，以及多专业的协同设计和虚拟现实系统的创建。

2.1 DEM 地形处理及河道 BIM 模型创建与出图

本次设计的河段地形地貌复杂，河道蜿蜒曲折，断面形式多变，为精确、高效率地完成设计任务，利用无人机进行 DEM 数据采集，通过地图绘制软件 Global Mapper 对数据进行处理，采用 Autodesk Subassenbly Composer 进行河道护岸横断面参数化设计，以 Civil 3D软件为主要设计软件，三位一体地进行生态河道 BIM设计及建模。在 Global Mapper 软件中对现状河道两岸及主槽进行三维地形的细部检查，示例如图4 所示，输出格式为 .dem格式，并导入 Civil 3D 软件中。

图4 细部检查示例

由于 DEM 地形高程数据点的数据量过于庞大，故工程关键部位的地形数据采用 DEM 地形数据，其余部分采用传统二维测量提供的高程点和等高线数据，两者结合使用，既满足项目设计高质量的要求又满足高效率的要求，因此合理优化数据量对后续的正向三维设计和各专业间的协同设计，都起着至关重要的作用。利用 Civil 3D 曲面功能创建及处理地形，并对现状地形进行曲面分析，可为项目相关专业后续所有设计工作提供基础依据。

利用正向三维设计手段可快速生成河道控制线的纵断面及纵断面图，结合水文计算所得水面线及设计资料，将河底设计纵断面线、水面线生成到纵断面图中。通过部件编辑器 Autodesk Subassembly Composer 根据项目需求定制河道护岸、堤防参数化横断面。横断面设计在整个设计工作中耗费的时间和精力最多，通过部件编辑器中的参数、代码及逻辑关系等内容，可以设计任意复杂的具有逻辑关系的参数化横断面。将河道横断面部件导入 Civil 3D 中，结合平面河道控制线及设计纵断面，并赋予相应的逻辑目标，最终生成包含所有设计信息的整个河道的三维模型，模型示例如图5 所示。

图5 包含所有设计信息的河道工程完整 BIM 模型示例

利用 Civil 3D 强大的标签功能，根据质量/环境/职业健康安全/水安全管理体系文件中的制图规定，定制相应的标注形式，达到一键式批量出图和工程量统计的目的。后期图纸和工程量与设计方案实时联动，一处修改，所有相关处自动更新，大大减少了后期修改图纸和重新计算工程量的时间。与传统生态工程河道设计相比，Civil 3D 软件的参数化设计、平纵横断面动态关联机制、一键式批量出图和工程量统计等功能，极大提升了设计效率，节省了人工、物力和成本。

2.2 拦河闸方案比选及 BIM 模型计算与出图

以 Revit 软件为核心，集成地形建模、水力学计算、渗流稳定分析、结构数值模拟、可视化配筋、二维出图及工程量统计等综合应用，建立一套完整的从建模到计算再到出图和算量等的设计体系，使设计更加完整、规范，提高了设计水平和工作效率。从 Civil 3D导入地形模型及河道控制线，利用参数化族库快速构建三维构筑模型，导出建筑物模型，利用数值模拟软件进行结构优化分析，利用 Revit 软件二维出图功能出建筑物平面、立面及断面图，导出三维结构模型，利用三维钢筋图软件绘制结构钢筋图。

在项目前期方案比选阶段，利用已构建的大量的参数化建筑物族库快速拼装整体方案三维参数化模型；实时自动抽取方案工程量，并根据造价信息及时了解方案投资；将水工方案与景观方案集成在一个平台，更便于整体方案的比选。基于方案信息，可以综合考虑各种方案的优劣性，方便项目参与各方快速决策方案。

利用 BIM 技术快速选出最佳设计方案，通过可视化方式直观观察，进行方案比选，可更加高效地决策设计方案，2 种拦河水闸方案示例如图6 所示，方案 1 为闸桥结合方案，方案 2 为液压升降坝方案。利用 BIM 的参数化、模板、智能化流程设计等技术进行快速建模，得到的液压升降坝剖面渲染模型示例如图7 所示。利用 1 个模型和 1 套数据，可实现水力学计算、渗流稳定分析、结构数值模拟等应用，达到模型高效利用，闸室有限元结构稳定分析划分的有限元模型、闸室应力云图示例如图8 所示。

图6 2 种拦河水闸方案对比图

图7 液压升降坝剖面渲染模型

图8 有限元模型、闸室应力云图

基于确定的水闸模型参数和结构有限元分析结果，先根据设计规范原则，确定结构的配筋量；然后，从Revit 水闸三维模型中抽取水闸三维模型，采用三维配筋软件 Visual FL 进行可视化的三维钢筋图设计，三维可视化配筋软件与 Auto CAD 软件相结合，操作更方便，配筋更精确；最后，利用 Visual FL 软件的二维抽图和钢筋工程量报表功能，在 Auto CAD 中快速提取二维钢筋施工图、工程量报表。

在出图、算量阶段，根据水闸三维参数化模型，先利用 Revit 软件的视图功能，快速抽取二维结构图和三维轴测图；然后，使用 Revit 的注释工具，通过自动标注尺寸和添加文字说明等完善二维结构施工图；最后，利用 Revit 的工程量自动统计功能，快速从模型中抽取工程量并形成工程量报表。二维断面图与三维 BIM 模型动态链接，一处修改，处处更新。水工结构工程量与三维 BIM 模型动态实时链接，模型的任何变动都能在工程量表中反映。三维模型创建与自动出图在同一平台上，共享 1 套数据和模型，工作效率更高。

2.3 景观节点设计

景观 BIM 设计基于 Civil 3D 及 Revit 软件，通过Civil 3D 完成景观设计地形与现状周边地形的融合，再导入 Revit 进行前期分析、园林建设、种植等设计工作，最终完成施工图的导出及后期效果渲染。

在方案设计过程中通过建立景观族库对公园的细节进行把控，结合生态工程特色定制项目专属景观族库。景观方案基于 Revit 软件，在设计阶段结合Lumion 和 Enscape 等实时渲染软件实现平面规划设计、三维模型推敲、场景效果渲染的实时联动协同，真正达到可视化联动设计。结合 BIM 设计，种植设计中为植物赋予详细信息，如种类、冠幅、胸径、生长年龄等，并利用参数控制植株高度、大小，同时可批量修改植物种类，真正达到种植信息化、参数化 BIM 设计。

在 Revit 中利用景观 BIM 模型生成平面布置图、竖向设计图、铺装索引图、种植设计图等相关图纸，并通过明细表统计材料工程量及植物配置表，相较传统二维设计极大提高了出图效率，避免了方案调整带来的手动修改，有效减少了重复工作量。设计完成后利用三维模型可自动进行工程量统计，包括景观地形土方开挖回填量、园林建筑及种植工程量等的统计。所有工程量会自动统计生成表格，并且会根据方案模型的变化自动更新。

相对于传统二维设计模式单一的效果展示，BIM景观设计能够实现多种信息化效果的表达形式，利用三维模型可快速导出效果图、分析图、视频动画、全景漫游、虚拟现实场景及 Web 端实时浏览的场景等，使方案的沟通更加直观明了，方案效果展示更加多元化。景观 BIM 设计平面节点效果展示如图9 所示。

图9 景观 BIM 设计平面节点效果展示

最后将设计过程中生成的所有 BIM 模型在同一平台中进行模型数据整合，并通过渲染平台进行真实场景渲染，得到整个工程区的效果图，如图10 所示。

图10 整个工程区效果图

2.4 多专业协同设计

由于工程河道断面形式复杂多变，地形范围较大，最终生成的整个工程项目的信息非常庞大，根据以往正向三维设计经验，在现有高配电脑上运行项目文件非常费力，一次微小调整、一次数据保存或者一次断面创建，计算机就会花费大量时间运行，中途不免有崩溃的危险。将研究出的基于数据快捷方式的专业内协同工作模式应用于该项目中，可很好地解决这一问题。将原本环环相扣的地形、平面布置、断面设计、模型创建、工程量统计及施工图纸创建等工作分到多个文件中，分别由项目组不同设计人员完成，由于将庞大的设计数据细分给多人多计算机进行并行设计，极大提高了设计效率和计算机运行速率。

再结合 Revit 工作集实现跨专业及办公室的多专业协同设计，大大减少了对接程序。同时能够实时观测相关人员工作进度，统计相关设计人员的图纸、模型等修改信息及日期，生成详细 Excel 表格，有利于项目管理。

3 结语

研究的基于 BIM 技术的生态河湖工程全流程综合应用解决方案，实现了工程正向三维设计、实体模型创建、自动批量出图及算量，以及生态河道工程专业内、专业间及项目各阶段的 BIM 协同设计。本研究成果提高了设计工作的生产效率，节约了人力、物力和成本。工程设计完成后，提交的设计文件和图纸相关的 BIM 模型，由于包含设计过程中所有的设计信息，故可进行延伸应用，用于技术交底、设计变更、施工指导及工程落地后的运行管理等工作，进一步扩大了 BIM 模型的应用价值。