BIM技術(shù)在水土保持工程勘測設(shè)計中的應(yīng)用研究

陳接永

(梅州市水利水電勘測設(shè)計院，廣東 梅州 514000)

1 概述

為有效防范水土流失，對水土資源進(jìn)行相應(yīng)地改良與保護(hù)，提高土地的生產(chǎn)力，減少各種自然災(zāi)害帶來的損失，水土資源的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益得到充分發(fā)揮，即為水土保持。其措施則可以細(xì)分為工程措施、植物措施與臨時防護(hù)措施。其中攔渣工程、土地整治工程、防洪排導(dǎo)工程、降水蓄滲工程、防風(fēng)固沙工程屬于工程措施，植被恢復(fù)與建設(shè)工程屬于植物措施；臨時防護(hù)措施涉及工程措施、植物措施。水土保持工程建筑物種類多樣，包括攔渣壩、擋渣墻、攔渣堤、護(hù)岸護(hù)坡、排洪溝、截洪溝、沉砂池、蓄水池等[1]。

BIM概念最先由建筑業(yè)提出，之后進(jìn)一步發(fā)展到水利水電工程領(lǐng)域。建筑信息模型(Building Information Modeling)，簡稱為BIM，主要是將數(shù)字模型作為關(guān)鍵性載體，采用高仿真、聯(lián)合性、可視性、參數(shù)化的方式，對各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地質(zhì)、地形條件下的建筑工程進(jìn)行處理。該項技術(shù)能對設(shè)計生產(chǎn)效率進(jìn)行明顯提升，并能增強最終的勘測設(shè)計品質(zhì)，最大限度規(guī)避后期的變更問題，減少設(shè)計時間與成本，同時還能讓最終的設(shè)計成品具有直觀性[2]。

國內(nèi)外市場上主流的BIM軟件平臺主要包括A平臺(Autodesk歐特克公司)、B平臺(Bentley奔特力公司)和C平臺(Catia達(dá)索公司)。A平臺作為老牌工程軟件服務(wù)商，在AutoCAD基礎(chǔ)上開發(fā)了Civil 3D，并在Civil 3D基礎(chǔ)上整合了revit、Naviswork后，初步形成了一套通用的BIM工程軟件體系，而且價格相對便宜，推廣較多，但軟件針對性較差，需二次開發(fā)，軟件間存在數(shù)據(jù)共享障礙，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、亂碼等問題；B平臺軟件主要包括ContextCapture、MicroStation和ProjectWise等，但該套軟件價格昂貴，且推廣較少，主要是大型甲級設(shè)計院在使用。C平臺主要是國外使用較多，國內(nèi)水利行業(yè)運用較少[3]。

目前BIM在水利水電行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍較窄，主要集中在大中型水利樞紐工程和堤防工程，使用的軟件以Bentley平臺軟件為主。BIM在水土保持工程領(lǐng)域運用的較少，可以說是空白，在知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫中很難找到相關(guān)參考文獻(xiàn)，本文通過整合市面上BIM軟件，對A平臺的軟件進(jìn)行二次開發(fā)編程，打通軟件間數(shù)據(jù)共享障礙，初步形成了一套適用于水土保持工程勘測、設(shè)計、施工、運維整個流程的軟件體系。

2 水土保持工程勘測設(shè)計存在的問題

目前，水土保持工程勘測設(shè)計仍基于CAD的傳統(tǒng)模式。早期，CAD繪圖模式取代了人工手繪，提高了工作效率，但隨著BIM技術(shù)的推廣，傳統(tǒng)CAD繪圖的弊端已經(jīng)逐漸顯露，似乎又到了一個更新?lián)Q代的時期。

2.1 傳統(tǒng)測量模式耗時長，工作量大

傳統(tǒng)的測量技術(shù)需要逐個打點，測量工作量巨大、耗時長、測程短，譬如測量打點往往有著一定的局限性，難以對大量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速處理，特別是水土保持工程常常需要對面積大且地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的河道低洼之處、山坡地等區(qū)域進(jìn)行處理。

2.2 傳統(tǒng)的二維設(shè)計效率低、精度差

水土保持工程的傳統(tǒng)設(shè)計方式是在測量二維平面圖上布置，大多借助于設(shè)計者自身經(jīng)驗來加以判斷，對設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗要求極高，且容易導(dǎo)致平面圖和斷面圖脫軌，銜接不上。設(shè)計人員需在斷面圖上根據(jù)地形手動繪制，效率低、精度差，后期無法導(dǎo)出工程量。

2.3 傳統(tǒng)二維圖紙專業(yè)性強，理解困難

在傳統(tǒng)二維設(shè)計模式之下，二維圖紙對復(fù)雜的水土保持工程項目描述有限，設(shè)計生成的施工圖紙非常專業(yè)，需要有很強的相關(guān)專業(yè)知識才能理解，給相關(guān)參建單位溝通造成困難。特別對缺乏相關(guān)知識與能力的建設(shè)單位，項目決策時缺乏量化與直觀的依據(jù)[4]。

3 水土保持工程BIM勘測設(shè)計流程體系

水土保持工程BIM勘測設(shè)計流程體系就是通過二次開發(fā)編程，整合市面上BIM軟件，打通數(shù)據(jù)共享障礙，形成一套適用于水土保持工程勘測、設(shè)計、施工、運維整個流程的軟件體系，該軟件體系主要包括大疆智圖、AutoCAD Civil 3D、Dynamo、Naviswork、Lumion、Mars等軟件。該體系使整個流程變得更為簡便，其主要功能涉及到勘察測繪、模型構(gòu)建、規(guī)劃、設(shè)計結(jié)構(gòu)、展示效果、模擬施工等，該設(shè)計流程體系如圖1所示，左側(cè)是水土保持工程BIM勘測設(shè)計的步驟及其工作重點，右側(cè)是其對應(yīng)步驟使用到的軟件。文章以高陂鎮(zhèn)建筑、陶瓷垃圾棄渣場項目(3級棄渣場，容渣量為370萬m3，堆渣高度為65 m)為例，系統(tǒng)地展示水土保持工程的整套BIM勘測設(shè)計流程體系。

圖1 水土保持工程BIM設(shè)計流程體系示意

3.1 地形三維建模

采用最新款大疆經(jīng)緯M300 RTK固定翼無人機搭載五鏡頭進(jìn)行航測，其POS數(shù)據(jù)可精準(zhǔn)至1 cm，完全滿足水土保持工程的測繪要求。以其獲取的棄渣場場區(qū)正攝影像和傾斜影像為數(shù)據(jù)源，借助于大疆智圖系統(tǒng)完成地形建模，并將POS數(shù)據(jù)、集中的原始影像圖等信息統(tǒng)一導(dǎo)入到該系統(tǒng)，通過諸多過程，如貼紋理、自動匹配空三、構(gòu)建3D模型等方式，完成最終的3D建模。該過程具有較高自動化水平，傾斜、正射影像能夠?qū)崿F(xiàn)全自動聯(lián)合空三，可以結(jié)合構(gòu)筑物提供密度較高的非規(guī)則性的三角網(wǎng)，紋理也能實現(xiàn)自動張貼。該軟件能夠借助于3D網(wǎng)格優(yōu)化算法、影像匹配彩色點元數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)豐富的功能，主要包括重建3D模型，完成紋理映射，在連接點重構(gòu)約束與紋理，并對堆渣區(qū)創(chuàng)建更高精度的實景3D地形。

3.2 地形場地分析

在土木工程勘測設(shè)計領(lǐng)域，AutoCAD Civil 3D是較為常見的一種BIM解決方案，土建、勘察、土地規(guī)劃等諸多方面得到廣泛運用，其核心框架依然為Auto CAD，其間的操作頁面頗為相似性?？梢詫ivil 3D轉(zhuǎn)換到不同的工作界面，包括人們較為熟悉的工作頁面。AutoCAD中的快捷鍵和二次開發(fā)編程的程序同樣在Civil 3D中可以使用。

在Civil 3D軟件中，能夠?qū)壴鼒?、坡向、高程分布、流域、堆渣庫容等諸多項目展開深入分析，并能對曲面分析、等高線等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，并對源數(shù)據(jù)進(jìn)行增改刪過程中，相關(guān)的3D地形曲面，就能通過此軟件進(jìn)行自動更改。圖2為棄渣場的流域分析示意，紅色線條為流域分界線，彩色箭頭表示坡度和流向。

圖2 高陂鎮(zhèn)棄渣場流域分析成果示意

3.3 工程場地設(shè)計

利用該軟件系統(tǒng)，完成以三角網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)字地面模型，在實景三維模型中進(jìn)行場地設(shè)計，確定棄渣場堆渣方式、堆渣高度、攔渣壩位置和走向、防洪排導(dǎo)工程等水保設(shè)施布局和走向。在進(jìn)行曲面編輯時，對挖填方量進(jìn)行計算，將不同曲面加以疊加，對其中不同高程點Z值，展開差值計算之后，借助于用于3D幾何計算模型，來對其進(jìn)行精準(zhǔn)計算。在開挖壩基之時，需要對設(shè)計曲面進(jìn)行開挖，生成土方挖填工程量(見圖3)與獲取更為準(zhǔn)確的土方施工示意。

圖3 高陂鎮(zhèn)棄渣場挖填工程量示意

3.4 斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計

水土保持工程中遇到建筑物往往復(fù)雜多變，包括攔渣壩、擋渣墻、道路等，結(jié)構(gòu)多樣且漸變，Civil 3D軟件沒有帶相關(guān)部件，需借助于歐特克開發(fā)的部件編輯器(Autodesk Subassembly Compose)進(jìn)行擋渣壩、擋渣墻、排洪溝、道路等水保設(shè)施的斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(見圖4)。參數(shù)化設(shè)計的特點就是可直接修改結(jié)構(gòu)物的尺寸參數(shù)來驅(qū)動幾何圖形以及CAD圖元調(diào)整外觀的行為，圖形可根據(jù)地形和參數(shù)需要自動調(diào)整斷面尺寸和形狀。該編輯器是以Civil 3D為基礎(chǔ)，有著豐富的功能，使用也較為簡單，只需要借助于可視化頁面完成交互，就能構(gòu)建能夠應(yīng)用于該Civil 3D軟件的相關(guān)部件。

圖4 高陂鎮(zhèn)擋渣壩參數(shù)化部件示意

3.5 三維模型生成

Dynamo for Civil3D是一款功能強大的可視化編程軟件，該軟件使用方便，頁面簡單，2021版Dynamo已經(jīng)集合到Civil 3D軟件中一起安裝，可以通過該版本非常迅速的進(jìn)行二次開發(fā)，并能對口API進(jìn)行應(yīng)用[5]。

Civil 3D軟件的地形、邊坡等相關(guān)的處理與設(shè)計功能已經(jīng)較為豐富，再融合Dynamo軟件進(jìn)行編程，借助于裝配模型，就能對場區(qū)道路、攔渣壩等部件的挖填曲線、外形等進(jìn)行動態(tài)構(gòu)建。圖5為利用參數(shù)化部件二次開發(fā)生成的攔渣壩BIM三維模型。

圖5 高陂鎮(zhèn)攔渣壩BIM三維模型示意

3.6 出圖和導(dǎo)出工程量

高陂鎮(zhèn)攔渣壩是以Civil 3D軟件體系完成具體工程的3D建模，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維圖紙的二維轉(zhuǎn)化，進(jìn)行樣式設(shè)計和尺寸標(biāo)注，生成棄渣場、攔渣壩、排洪溝等設(shè)施的平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖(見圖6左側(cè))、剖面圖和細(xì)部大樣圖，同時可自動添加圖框，生成工程量統(tǒng)計表(見圖6右側(cè))，批量打印成紙質(zhì)版施工圖成果。

圖6 攔渣壩橫斷面示意

3.7 整合和施工模擬

Autodesk Navisworks軟件可輕量化整合大部分三維模型，各專業(yè)工程整合能對整個項目進(jìn)行漫游式觀察，加以碰撞檢查，找出設(shè)計錯漏并加以修改[6]。軟件將可視化與信息化加以整合，可以讓不同參與主體更加便捷地進(jìn)行信息共享，使得設(shè)計質(zhì)量與效率得到明顯提升，降低不同專業(yè)之間交流與協(xié)同的成本。軟件能對材料與結(jié)構(gòu)、施工與設(shè)計之間的沖突進(jìn)行最大限度的弱化，資源、人力的利用效率可以得到明顯提升。

Fuzor則是典型的BIM虛擬現(xiàn)實(VR)平臺，將BIM與4D技術(shù)進(jìn)行融合，把BIM模型轉(zhuǎn)換形成包含了BIM數(shù)據(jù)的VR場景，諸多的項目參與主體可以在統(tǒng)一的VR場景中進(jìn)行信息交互。在實際施工前，可以借助于動畫模式提前預(yù)知施工的諸多環(huán)節(jié)。另外，還能借助于漫游模式，對整個工程的不同細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察，從而了解不同構(gòu)筑物的細(xì)節(jié)與整體面目，后期還能根據(jù)漫游情況，導(dǎo)出漫游視頻文件。

廣聯(lián)達(dá)BIM土建計量平臺、云計價平臺、BIM5D為工程提供一個計量計價、可視化、可量化的協(xié)同工作平臺，能夠快速計算工程量、匯總計價，形成工程概算文件[7]。

3.8 效果展示匯報

lumion10是當(dāng)前最流行的三維漫游動畫和效果圖制作軟件之一，這款軟件提供了豐富的素材，還可以將水面、玻璃的反射效果進(jìn)行高度重現(xiàn)，完成模型設(shè)置之后，相關(guān)的后期處理全部統(tǒng)一在特效中進(jìn)行，制作和渲染頗為迅速。高陂鎮(zhèn)棄渣場、攔渣壩和道路模型導(dǎo)入lumion10后，再添加植被、人物、汽車、建筑等配景后，能夠在較短時間之內(nèi)，給出效果十分驚艷的VR動畫或者靜態(tài)圖像。其生成的圖像媲美高清照片，完全可以達(dá)到完美效果(見圖7)。Mars軟件是新興國產(chǎn)全景漫游軟件，也有類似Lumion 10的相應(yīng)功能，同時還具有統(tǒng)計景觀綠化工程量的功能，而且價格便宜。

圖7 高陂鎮(zhèn)棄渣場整體效果示意

4 結(jié)語

綜上所述，本次針對水土保持工程開發(fā)形成的BIM勘測設(shè)計流程體系，有效提升水土保持工程勘測設(shè)計成果的質(zhì)量和設(shè)計效率。隨著勘測設(shè)計行業(yè)逐步市場化，行業(yè)競爭加劇，勘測設(shè)計單位在勘察設(shè)計工作過程中，要嚴(yán)格把握行業(yè)新趨勢，積極提升業(yè)務(wù)能力與設(shè)計水平，在激烈競爭的市場中贏得相應(yīng)的優(yōu)勢。