農(nóng)田水利工程施工可視化模型構(gòu)建與應(yīng)用

曾 強(qiáng)

(遼寧省沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村服務(wù)中心，遼寧 蘇家屯 110101)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)也逐漸向著科技化、數(shù)值化發(fā)展，農(nóng)田水利工程是農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展中較為重要的組成部分。張林渠[1]通過(guò)分析信息化技術(shù)在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用，得出信息技術(shù)可以有效提高工程質(zhì)量；劉剛燕[2]分析信息技術(shù)在農(nóng)田水利工程中應(yīng)用存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決建議；陳金水[3]從管理運(yùn)營(yíng)的角度分析信息化技術(shù)在農(nóng)田灌溉工程中的應(yīng)用及為提高農(nóng)作物產(chǎn)量、降低成本等方面的作用；張書(shū)生[4]通過(guò)構(gòu)建BIM模型，并將其應(yīng)用于農(nóng)田水利過(guò)程中，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)比，總結(jié)出BIM應(yīng)用于農(nóng)田水利工程中具有很好的作用效果；李芬[5]運(yùn)用Powercivil軟件構(gòu)造了農(nóng)田水利工程模型，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)3個(gè)角度和傳統(tǒng)方法對(duì)比，總結(jié)出兩種方法的優(yōu)劣。綜上，本文將利用BIM構(gòu)建農(nóng)田水利模型，并結(jié)合實(shí)際工程分析模型的應(yīng)用效果。

1 BIM軟件的選擇

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)可以運(yùn)用于工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理3個(gè)工程階段，保證工程信息的有效應(yīng)用。在工程設(shè)計(jì)階段，依據(jù)工程的協(xié)同化和設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建BIM三維模型，可以對(duì)設(shè)計(jì)的建筑模型進(jìn)行優(yōu)化，并且查找建筑模型中兩個(gè)結(jié)構(gòu)的碰撞點(diǎn)與設(shè)計(jì)中的構(gòu)造錯(cuò)誤，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的平面圖相比具有較大的優(yōu)勢(shì)。在工程施工階段，BIM構(gòu)建的模型可以加快出圖效率，快速準(zhǔn)確地計(jì)算工程量與工程造價(jià)，以及通過(guò)構(gòu)建施工模擬動(dòng)畫(huà)模型模擬施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)施工設(shè)計(jì)的可視化。在運(yùn)營(yíng)管理階段，通過(guò)將構(gòu)建的BIM模型與相關(guān)的管理運(yùn)營(yíng)軟件結(jié)合使用，有效提高工程的管理效率和降低工程的運(yùn)營(yíng)成本。構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確有效的BIM農(nóng)田水利模型是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理的基礎(chǔ)，根據(jù)農(nóng)田水利工程面積大、構(gòu)造物多等特點(diǎn)，需要選擇合適的程序來(lái)提高模型的精準(zhǔn)度。

依據(jù)農(nóng)田水利工程的工程特點(diǎn)，選用Powercivil軟件和CATIA軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Powercivil軟件較為廣泛地應(yīng)用于道路工程、橋梁工程、隧道工程等較大的模型體系，但Powercivil軟件精度較低，因而可以應(yīng)用于水利工程模型中非建筑物類對(duì)模型精度要求不高且較大的地形地貌、道路等構(gòu)造物中。CATIA軟件具有模型精度高、參數(shù)化方便、優(yōu)化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，剛好可以彌補(bǔ)Powercivil軟件建模中的不足，可以應(yīng)用于該水利工程中模型精度要求高、工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物建模過(guò)程。

通過(guò)分析農(nóng)田水利工程的工程特點(diǎn)，擬采用Powercivil軟件和CATIA軟件相結(jié)合的模型，通過(guò)Powercivil軟件構(gòu)建精度要求低、面積大的地形地貌、道路等構(gòu)造物，而精度高、模型復(fù)雜的建筑物采用CATIA軟件進(jìn)行構(gòu)建。

2 構(gòu)建BIM模型

2.1 建筑物建模

采用CATIA軟件對(duì)模型參數(shù)化，建立建筑物的參數(shù)化模板庫(kù)，對(duì)于建筑物模型的構(gòu)建起到關(guān)鍵作用，模型的特征參數(shù)確定是構(gòu)建建筑物模型的基礎(chǔ)。模型特征參數(shù)的確定步驟如下：

1) 確定農(nóng)田周圍建筑物種類及數(shù)量，并按照建筑物類型進(jìn)行劃分，將各種類型的建筑物分別記錄。

2) 通過(guò)比較同一類建筑物的特征，分析各建筑物之間的差異化特征，并將特征數(shù)作為建筑物的特征參數(shù)。對(duì)不同建筑物的特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 建筑物分類及特征參數(shù)比較

參數(shù)確定后，需要對(duì)建筑物模型進(jìn)行尺寸約束，這是建筑物建模過(guò)程中較為重要的步驟。對(duì)于建筑物的尺寸約束要確定合適的數(shù)值，否則容易造成建筑物模型尺寸報(bào)出錯(cuò)誤或模型效果不理想。建模過(guò)程中需要將建筑物分解成不同的構(gòu)件，對(duì)建筑物中的構(gòu)件依次建立模型，這是建筑物建模過(guò)程中較為關(guān)鍵的步驟。建筑物的建模次序也影響構(gòu)建模型的效果，以圓管涵為例，分析建模的次序。

1) 通過(guò)CATIA軟件草圖模式設(shè)計(jì)出圓管涵的截面尺寸并進(jìn)行約束，同時(shí)確定圓管涵的尺寸；進(jìn)而在三維模式對(duì)管涵進(jìn)行劃分，使用凸臺(tái)命令構(gòu)建4個(gè)分段圓管涵。

2) 通過(guò)CATIA軟件草圖模式設(shè)計(jì)出圓管涵的縱切面截面尺寸并進(jìn)行約束，同時(shí)確定擋墻的尺寸；進(jìn)而在三維模式對(duì)擋墻位置進(jìn)行布置，使用布爾操作建立擋墻模型，將擋墻分布在構(gòu)建的管涵兩側(cè)。

3) 在管涵底部布置基座的約束。

4) 在基座底部依次添加保溫材料、水泥混凝土、砂漿等材料約束。

5) 將保溫材料的約束延伸至兩側(cè)擋墻的后背。

6) 在擋墻前端添加襯砌材料、支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束。

對(duì)于不同的圓管涵，需要依次修改模型中圓管涵的涵洞長(zhǎng)度、圓管涵直徑、擋墻高寬比等參數(shù)，即可得到不同尺寸的圓管涵模型。其它類型的建筑物建模步驟與圓管涵類似，依次構(gòu)建不同建筑物的模型即可得到建筑物的模板庫(kù)。

2.2 地形建模

地形的合理設(shè)置是水利工程構(gòu)造物模型建立的基礎(chǔ)，地形作為水利工程的載體，其參數(shù)的合理性直接關(guān)系到水利工程設(shè)計(jì)、施工算量、工程造價(jià)等工作的準(zhǔn)確性。利用Powercivil軟件將地形中的等高線、高程點(diǎn)相結(jié)合，可以有效提高建模的精度和準(zhǔn)確度。對(duì)等高線和高程點(diǎn)的處理步驟如下：

1) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的等高線和高程點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量，對(duì)于起伏較大的地形進(jìn)行多次復(fù)核，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2) 對(duì)測(cè)量的高程點(diǎn)進(jìn)行理論核算，對(duì)有問(wèn)題的高程點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)調(diào)整，對(duì)于構(gòu)造物布置區(qū)域的數(shù)據(jù)值核算要足夠精確。

3) 剔除過(guò)高或過(guò)低的數(shù)據(jù)點(diǎn)，盡量減少凹凸的尖點(diǎn)。

將調(diào)整好的地形分布數(shù)值信息導(dǎo)入Powercivil軟件中，通過(guò)導(dǎo)入的參數(shù)構(gòu)建地形模型圖，對(duì)生成的地形模型圖進(jìn)行調(diào)整，使其更符合工程實(shí)際。

2.3 渠道及道路建模

渠道的建模主要應(yīng)用Powercivil軟件建立橫斷面模板，沿著橫斷面模板向水流方向進(jìn)行放樣，因而建模的主要步驟為建立橫斷面模板和繪制水流方向渠道基準(zhǔn)線。

為提高建模效率，渠道建模的主要步驟為：

1) 以一個(gè)渠道作為建模模板，采用一個(gè)渠道的一半作為建模對(duì)象，另一半采用鏡像法生成，其余的渠道模型通過(guò)修改渠道的特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到新的模板。

2) 運(yùn)用軟件中的參考功能，參考原始地形地貌，通過(guò)調(diào)整角度、方位將渠道布置在地形中，使渠道與原始地形吻合。

3) 渠道設(shè)置為直線、緩和曲線、曲線的布置形式，避免渠道出現(xiàn)直角轉(zhuǎn)彎。

4) 利用軟件的廊道工具，對(duì)繪制的渠道利用其樁號(hào)進(jìn)行修正，最終得到渠道的最終模型。

農(nóng)田田間道路和干線道路模型的建立與渠道模型建立的方法相同。

2.4 模型整合

對(duì)于上面構(gòu)建的構(gòu)筑物模型文件，因?yàn)槭褂貌煌浖玫讲煌哪Ｐ臀募蚨枰獙?duì)不同文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將Powercivil軟件和CATIA軟件的文件轉(zhuǎn)化為sat文件。將CATIA軟件的建筑物文件轉(zhuǎn)化為sat格式導(dǎo)入Powercivil軟件中，通過(guò)移動(dòng)建筑物的方位布局、角度，使得與Powercivil軟件中的模型相吻合，進(jìn)而得到BIM的完整模型。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

安徽省馬鞍山市某農(nóng)田工程，使用水源為長(zhǎng)江流域水流。該區(qū)域由于建設(shè)農(nóng)田示范區(qū)，擬擴(kuò)建農(nóng)田灌溉水利工程管網(wǎng)，計(jì)劃擴(kuò)建農(nóng)田水渠長(zhǎng)度為30.53 km，改建田間道路15.86 km、干線道路30.32 km。修建建筑物283座，其中管涵161座、水閘20座、渡槽21座、斗門(mén)81座。

3.2 BIM應(yīng)用

3.2.1 水面曲線確定

Flow master軟件分析農(nóng)田水利水流特性具有很好的效果，通過(guò)對(duì)建立的水利工程模型設(shè)置水流的相關(guān)參數(shù)，F(xiàn)low master軟件通過(guò)分析水流參數(shù)即可擬合出輸水水渠的水面形狀，生成流動(dòng)水面的相關(guān)參數(shù)。若設(shè)計(jì)的渠道無(wú)法達(dá)到水流的要求，則通過(guò)改變水渠的相關(guān)參數(shù)，直至符合灌溉水流的要求。圖1為通過(guò)水流參數(shù)模擬得到的支流渠道的水面曲線，可以判斷出該部位水渠設(shè)計(jì)較為合理。

圖1 支渠水面曲線

3.2.2 模型檢測(cè)

BIM模型可以檢測(cè)模型之間是否存在空間交叉，判斷各分段模型是否存在碰撞與不協(xié)調(diào)，并生成檢測(cè)報(bào)告，檢測(cè)報(bào)告中的問(wèn)題可以通過(guò)修改原模型，從而避免工程施工中兩個(gè)結(jié)構(gòu)互相影響。以某一支渠道與干線渠道碰撞檢測(cè)為例，共檢測(cè)出3個(gè)沖突點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(1 319.461 83 m，6 725.375 84 m，136.201 84 m)、(1 319.295 63 m，6 726.545 57 m，135.974 52 m)、(1 320.844 34 m，6 727.911 46 m，135.796 58 m)。

3.2.3 生成施工圖

與傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)相比較，BIM模型具有較高的出圖準(zhǔn)確性和較快的效率。通過(guò)軟件中的剖切命令可以快速得到施工圖，斷面圖也可以通過(guò)軟件中的斷面圖工具獲得，從而應(yīng)用于指導(dǎo)施工。圖2為支渠斷面圖，圖紙布局合理，高效指導(dǎo)施工。

圖2 支渠的斷面圖

3.2.4 工程數(shù)量計(jì)算

建立好模型后，可以通過(guò)Powercivil軟件中帶有的工程量計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)工程算量，得到工程的工程量清單；進(jìn)而套入施工定額，得到工程的概預(yù)算。將工程量清單與實(shí)際工程進(jìn)行比較，誤差為2.32%，在工程允許值5%的范圍內(nèi)，所建立模型與實(shí)際工程誤差小，具有較高精度。

3.2.5 施工過(guò)程模擬

通過(guò)Powercivil軟件中自帶的施工模擬工具，可以根據(jù)制定的施工方案進(jìn)行施工模擬，使得施工方案可視化，更加有利于施工方案的選取與優(yōu)化，同時(shí)可以向業(yè)主和客戶進(jìn)行展示。

4 結(jié) 論

通過(guò)BIM軟件構(gòu)建農(nóng)田水利工程，并根據(jù)原始地形資料和灌溉水流進(jìn)行調(diào)整，不斷優(yōu)化農(nóng)田水利模型，主要結(jié)論如下：

1) 根據(jù)農(nóng)田水利灌溉工程的特點(diǎn)，采用Powercivil軟件和CATIA軟件相結(jié)合的模型，構(gòu)建了地貌、道路等精度要求低的構(gòu)造物和精度高的建筑物。

2) 通過(guò)BIM軟件對(duì)農(nóng)田水利工程的水力曲線進(jìn)行確定，分析渠道的合理性并作出相應(yīng)的調(diào)整。

3) 利用BIM構(gòu)建模型，可以提高構(gòu)建模型的精準(zhǔn)度，擁有快速出圖、高效施工等優(yōu)點(diǎn)。