BIM技術在中小型堰塞水庫建模中的應用

李 騰, 黃高翔, 盧 鑫, 闞 飛, 劉旭東

(1.四川省水利科學研究院, 四川成都 610072; 2. 四川省壩導水利科技有限公司, 四川成都 617000)

0 引言

BIM技術主要應用于建筑工程項目中[1],其中Autodesk Revit是應用最廣泛的建模軟件之一,可以精確地實現三維實體建模,同時基于三維實體模型完成高精度的工程量分析、計算和匯總工作,另外也可以生成常規的建筑平、立、剖面圖等,為設計施工以及后期運維提供極大的便利[2]。Revit軟件的設計思路較好,其中“族”很重要,幾乎所有的設計都是通過新建族或者已有族來實現的[3],而非使用程序語言創建參數化構建,這樣可以節省設計成本,縮短工程周期。目前 BIM 軟件應用最多的還是房建項目[4],對房建上的常用結構(樓板、墻壁、柱)都進行了內置分類,方便用戶選取。另外,Revit建模生成的平、立圖可以完全對應,出圖質量幾乎不受人為影響,而CAD出圖與設計者的水平有直接關系,很可能出現平、立面圖多處不交接的情況。而且Revit具有強大的聯動功能,平、立、剖面、明細表雙向關聯,一處修改,處處更新,自動避免低級錯誤,而且可以通過平鋪視圖來同時觀察多個視圖[5]。

基于BIM技術的諸多優點,將其運用到水利工程建設的設計、施工、運維等各階段,可為項目管理人員提供直觀的工程模型,改善傳統的運作方式,有效解決“錯、漏、碰、缺”問題,提高工程建設效率,合理縮短工期。同時在設計施工階段,若將BIM技術與GIS等具有三維空間分析功能的軟件相結合,可獲得更優化、更環保的解決方法[6]。此外BIM技術可以基于二維圖紙生成三維立體模型,在設計過程中時刻對比三維模型圖和立面視圖來修改參數,令設計過程更加簡便,大大提高出圖效率[3]。

但水利工程和建筑工程有較大差異[7],水工建筑體積龐大、結構復雜、超挖現象非常普遍,涵蓋專業較多,地形地貌也沒有規律可言,因此BIM技術無法完全適用于水利工程[8-9]。加之水利工程的市場份額遠小于房建工程,同時因地形和環境的不同導致每個水利工程都有自己特殊的結構,異形結構較多,工程重復率較低,所以現階段BIM技術在水利工程方面的研究較少,無法像房建工程一樣有許多成熟且完善的族庫,因此 BIM 軟件針對水利工程進行專業的適配有待進一步研究[10]。

雖然BIM技術在水利工程領域的應用仍處于初級階段,但應用前景極為廣闊。近幾年大量的水利科研院所進軍BIM應用領域,高英[11]以“互聯網+”的思維和BIM技術相結合,跨界開拓智慧水利的創新之路。蔡慶等[12]采用BIM正向設計,利用三維模型直觀地表達水工建筑的結構及配筋布置,有效地提高了工作效率;同時結合GIS系統,可根據現場開挖情況動態更新設計方案,優化塔體兩側回填混凝土工程量。值得注意的是水利水電行業內 BIM 應用在不同地區、不同類型的工程中也表現出明顯的不均,中小型泵站、水閘的 BIM 應用并不理想[13]。針對此種情況黃培志等[14]以深圳共和閘站運行現狀資料為基礎,開發BIM運維系統,提高工作效率。隨著云計算、物聯網、大數據、移動互聯網等信息化技術的發展[15],智慧水務受到前所未有的重視,很多城市陸續開展智慧水務構建方案[16]和應用體系研究[17],以新信息技術應用促進管理精細化、智慧化,已成為新時期水務管理的趨勢[18]。作為重要的新信息技術,BIM 已在提高水利水電工程建設現代化水平等方面發揮了重要作用[19]。但與此同時,信息化和智慧水務并不能一蹴而就,而是一個隨著業務和技術變化不斷滾動、更新、迭代的過程[20]。

我國西南地區水資源豐富且地勢險峻,處于地震多發帶,由多次地質、地震引發的崩塌,被天然堆石壩堰塞而成的堰塞湖較多,而基于堰塞湖改建成的中小型水庫在西南地區較為普遍。盡管中小型泵站、水閘承擔了最基礎最重要的防洪、防潮、排澇、供水等功能,但由于規模小、數量多、位置分散等原因,現有的中小型閘站工程運維信息化程度普遍不高?？傮w上仍停留在以文字、二維圖表、簡單臺賬等形式留存、使用工程運維資料的狀態,信息交互效率低。因此本文以堰塞湖改建的中小型水庫為研究對象,針對目前BIM技術在水利工程項目中應用程度不高,族庫不健全的現狀,對中小型水庫的信息模型建設進行探討,分析此種水庫BIM建模的技術特點,并開發適合此種類型水庫的全新模型族庫。同時本文應用BIM技術對閘室、涵管、消力池等常見的水工建筑進行參數化建模,為提高中小型堰塞水庫信息化程度,實現中小型水庫精細化、智慧化管理奠定基礎。

1 BIM模型

1.1 進水閘閘室段建模

本文以某中小型堰塞水庫為研究對象,該水庫的進水閘閘室順水流向長7.0 m,閘墩厚1.5 m,閘頂高程1 104.80 m,底板厚度為1.0 m,上、下游各設0.5 m深齒墻,設置一檢修閘門和工作閘門。主要的建模思路有:

(1)閘室的底板與普通建筑的承臺類似(圖1),但承臺底部的受力面積大,上部的受力面積小,與閘室的底板結構相反。因此無法直接應用Revit中“板”功能實現,只能通過新建族畫出異形輪廓,再根據閘室的縱深進行拉長。

圖1 進水閘閘室縱剖面結構

(2)中小型堰塞水庫的設計擋水位高于泄流控制水位,為了避免閘門過高,該閘室為胸墻式水閘。胸墻與閘墩融合,由于兩者結構與材質不同,因此需要分開建模。拾取閘墩一側的輪廓進行拉伸,將實體鏡像到另一側即可完成閘墩的繪制。而胸墻內部包含鋼筋,因此首先完成胸墻的結構建模;然后載入對應形狀的鋼筋族,修改鋼筋的材質和顏色;接著設置交叉位置鋼筋的限制即可完成胸墻的繪制(圖2)。

(3)利用Revit中“墻”功能完成齒墻的建模,拾取齒墻一側的輪廓進行拉伸即可。

(4)檢修閘門和工作閘門通過空心拉伸,然后載入閘門槽族,在機電樣板中插入閘門族即可(圖3)。

(5)在整個閘室建模中最為復雜的反而是啟閉機房的仿古門窗和屋頂,由于結構復雜,且沒有相似的族,因此耗費較多的時間創建門窗和屋頂的族(圖4)。而啟閉機房的主體部分繪制較快,通過Revit中梁、板、柱、墻等功能可以快速完成啟閉機房的建模,最后在機電樣板中插入2臺卷揚啟閉機即可(圖5)。

1.2 消力池段建模

消力池的結構相對簡單,可分成底板和擋土墻兩部分建模。底板可應用Revit中原有的“板”族完成,設置樓板的厚度和材質即可。而擋土墻可應用“墻”族功能實現,首先根據左側視圖進行輪廓繪制,再根據消力池整體的寬度和長度進行拉伸,設置擋土墻材質即可(圖6)。

圖6 消力池建模

消力池平面似砍刀形,左側邊墻順直,右側邊墻呈喇叭口形。消力池北側為直線擋土墻,應用Revit中原有的“墻”族進行輪廓勾勒拉伸建模即可。南側為折線擋土墻,基于“墻”族分段進行拉伸建模(圖7)。

圖7 消力池折線翼墻

1.3 放水涵管建模

放水涵管段由護岸、護底和涵管3個部分組成,管徑為1.5 m,全長208.35 m,其中前70 m為壩下埋管,之后為壩后明管。護岸通過勾勒梯形輪廓再進行拉伸來實現主體的創建;而護底通過“板”族進行厚度和材質的設置;護坡延伸至壩基表面,與壩基表面接觸,可以利用Revit自帶的“裁剪”功能(圖8)。

圖8 放水涵管建模

1.4 南、北干渠取水閘室建模

取水閘與進水閘相比,結構更簡單,規模更小。利用“板”“墻”“柱”等族功能,識別對稱線,經過拉伸后形成取水閘主體,在繪制輪廓時要提前預留門槽空間(圖9)。同樣雖然水利工程結構復雜,涉及多專業,但在本次建模時耗費時間較多的是六角重檐亭的仿古屋頂(圖10)。為了追求極致逼真,還原實際水閘,在整個建模過程中對不同材料的顏色進行反復嘗試,仍然很難獲得無人機實景三維的效果。同樣雖然無人機實景三維建模效果逼真[21],還原程度高,但也無法實現Revit三維建模的協調性、結構優化、快速出量、現場模擬預測等功能。

圖9 南、北干渠取水閘室建模

圖10 六角重檐亭建模

2 總結

本文以中小型堰塞水庫為研究對象,應用Revit軟件創建了三維結構模型,分析Revit建模的技術特點,闡述了中小型水工建筑的建模方法,為BIM技術在水利工程中的應用提供一定的參考。雖然水利工程結構復雜,涉及專業較多,BIM技術在水利工程中的應用還存在磨合期,但是通過本工程的展示可以看出將復雜工程根據其特點進行拆分仍然可行。另外雖然Revit三維建模不如無人機實景三維建模效果逼真,但其獨有的優點(協調性、結構優化、快速出量、現場模擬預測等功能)也使得Revit三維建模具有廣闊的市場前景。