基于BIM技術(shù)的漆水河倒虹改建工程設(shè)計(jì)與研究

白勇，趙蕾蕾，張金輝，張玉明，申魯

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州 450016）

基于BIM技術(shù)的漆水河倒虹改建工程設(shè)計(jì)與研究

白勇，趙蕾蕾，張金輝，張玉明，申魯

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州 450016）

依托漆水河倒虹改建工程，基于project wise（簡(jiǎn)稱PW）協(xié)同平臺(tái)，應(yīng)用BIM技術(shù)完成工程的方案比選、模型創(chuàng)建、二維出圖、工程量統(tǒng)計(jì)工作。針對(duì)工程局部復(fù)雜地形應(yīng)用無人機(jī)獲取三維實(shí)景地形，方案布置直接在實(shí)景地形上完成；基于BIM軟件，應(yīng)用VBA語(yǔ)言二次開發(fā)了圖紙標(biāo)注工具集，大幅縮短了圖紙的標(biāo)注時(shí)間。BIM技術(shù)提高了本工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短了設(shè)計(jì)周期，可為類似工程提供借鑒。

BIM；漆水河；協(xié)同設(shè)計(jì)；三維設(shè)計(jì)

目前水利行業(yè)正處于設(shè)計(jì)手段第二次重大變革的發(fā)展階段，即從傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)向BIM設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變[1-2]。BIM設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)表達(dá)更加形象直觀、信息更加全面完整，對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率的提升具有顯著效果，為水利行業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域打開了更廣闊的發(fā)展空間。本文依托漆水河倒虹改建工程，應(yīng)用全球先進(jìn)的Bentley公司系列BIM軟件，將BIM技術(shù)應(yīng)用到工程的設(shè)計(jì)和施工過程，總體效果較好。

1 工程概況

漆水河倒虹改建工程位于國(guó)家楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)東北3.5 km處，控制灌溉面積77.7萬畝（15畝=1 hm2），設(shè)計(jì)流量25.3 m3/s，加大流量29.0 m3/s，工程地震設(shè)防烈度為Ⅶ度，工程為Ⅲ等中型工程。

工程改建前為雙管淺埋式倒虹吸，倒虹吸經(jīng)過50多年的運(yùn)行，管道破損老化、淤積堵塞嚴(yán)重、過流能力下降，嚴(yán)重制約寶雞峽灌區(qū)整體效益的發(fā)揮，急需對(duì)倒虹吸進(jìn)行改建。結(jié)合地形地質(zhì)、水力條件、結(jié)構(gòu)受力、投資造價(jià)等因素，經(jīng)多種方案比選，改建工程由原倒虹吸方案優(yōu)化為渡槽方案，改建工程總體三維布置如圖1所示。

圖1 改建工程三維布置圖Fig.1 3D layout of the reconstruction project

改建工程總干渠由進(jìn)口明渠段、渡槽段、出口明渠段3部分組成。渡槽段上部槽身為單跨30 m承重與擋水一體U形簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)（共13跨），槽身采用現(xiàn)澆造槽機(jī)法施工；渡槽支撐結(jié)構(gòu)邊跨采用樁式槽臺(tái)，中間跨采用重力實(shí)體墩；渡槽基礎(chǔ)采用承臺(tái)下接鉆孔灌注樁。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用

BIM設(shè)計(jì)的核心是設(shè)計(jì)人員在基于同一個(gè)環(huán)境，應(yīng)用同一套標(biāo)準(zhǔn)，共同完成同一個(gè)項(xiàng)目[3-4]。工程基于project wise（簡(jiǎn)稱PW）協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)；應(yīng)用BIM軟件進(jìn)行方案布置與模型創(chuàng)建，局部復(fù)雜地形應(yīng)用實(shí)景建模技術(shù)完成方案布置，出口明渠段在三維可視化條件下完成開挖；從BIM模型抽取大量二維結(jié)構(gòu)圖紙，并借助自主開發(fā)工具完成圖紙標(biāo)注，利用創(chuàng)建好的BIM實(shí)體模型進(jìn)行三維鋼筋出圖及工程量統(tǒng)計(jì)，最大程度地實(shí)現(xiàn)了BIM正向設(shè)計(jì)。

2.1 協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一是協(xié)同，即不同角色人員在協(xié)同平臺(tái)上并行完成工作[5-6]。工程在BIM模型創(chuàng)建前，先在PW協(xié)同平臺(tái)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的樹狀目錄結(jié)構(gòu)，樹狀目錄結(jié)構(gòu)具有層次分明的優(yōu)點(diǎn)，極大地方便了工程項(xiàng)目文檔的管理；文檔按照統(tǒng)一的規(guī)則命名，項(xiàng)目參與人員僅從文檔名稱，便能快速識(shí)別文檔包含的內(nèi)容，最大程度地保證文檔的準(zhǔn)確使用；同一文件夾下同一名稱的文件可以有新、舊版本同時(shí)存在，即項(xiàng)目參與人員在同一文件夾內(nèi)，可以快速識(shí)別新版本文件，同時(shí)也能看到同一名稱舊版本文件的留痕；文件的所屬人一旦更新了文件，引用（或參考）該文件的其他人員，能夠及時(shí)得到提醒；文檔采用嚴(yán)格的權(quán)限管理規(guī)則，即不同角色的人員具有不同的文檔讀、寫、刪等權(quán)限[7-9]。PW文檔目錄結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PW文檔目錄結(jié)構(gòu)Fig.2 PW document directory structure

協(xié)同設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的分散交流模式，項(xiàng)目資源等到了集中儲(chǔ)存與訪問，項(xiàng)目信息得到了實(shí)時(shí)更新與共享，增強(qiáng)了信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。

2.2 BIM建模

2.2.1 建筑物建模

BIM設(shè)計(jì)的顯著優(yōu)勢(shì)之一是在三維可視化[5-9]條件下進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，形成的方案布置與建筑物模型直觀形象。本工程在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)用AECOsim building designer（簡(jiǎn)稱ABD）軟件，快速完成了3種方案布置與BIM模型創(chuàng)建，并從BIM模型提取二維圖紙與工程量用于方案比選。3種方案單跨BIM模型如圖3所示，其中，方案一為單跨30 m承重與擋水一體U形梁式渡槽，共13跨；方案二為單跨40 m承重與擋水分離矩形梁式渡槽，共10跨；方案三為單跨50 m系桿拱式渡槽，共6跨。

圖3 3種方案單跨BIM模型Fig.3 Three schemes of single-span BIM

2.2.2 明渠開挖

針對(duì)出口明渠段挖方長(zhǎng)（長(zhǎng)160 m）、挖深大（最深18 m）、地形起伏大的情況，應(yīng)用GEOPAK三維場(chǎng)地開挖軟件快速完成出口明渠開挖（如圖4所示），并從三維開挖模型中提取了開挖土方量及開挖斷面圖。三維場(chǎng)地開挖的主要步驟：1）建立三維地形模型，將地形測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入GEOPAK，形成三維原始地形模型。2）提取開挖控制線，將建筑物模型參考到開挖模型中，提取建筑物模型底邊界線作為開挖的控制線。3）三維開挖，將開挖控制線投影到設(shè)計(jì)高程，然后按照設(shè)計(jì)邊坡向原始地形放坡（設(shè)置馬道）。4）成果整理，提取開挖工程量、剖切開挖斷面并進(jìn)行標(biāo)注。三維場(chǎng)地開挖運(yùn)算準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高、便于優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]，在本工程應(yīng)用效果較好。

圖4 明渠段三維開挖模型Fig.4 3D excavation model of the open channel

2.2.3 實(shí)景建模

渡槽出口段地形地質(zhì)條件復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：1）邊坡坡高為18.5 m，坡比為1∶0.75；2）存在15.0～20.0 m厚滑塌堆積的壤土，該層土土質(zhì)疏松，屬自重濕陷性土，地基濕陷等級(jí)Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）；3）邊坡存在多處沖坑、沖溝（由農(nóng)田灌溉及大雨沖刷所致）；4）前期測(cè)量數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確、全面反映該處的地形特征。針對(duì)以上情況應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，獲得該處的三維實(shí)景地形模型（如圖5所示），方案布置直接在實(shí)景地形模型上進(jìn)行（如圖6所示）。

圖5 實(shí)景地形模型Fig.5 Real terrain model

圖6 實(shí)景地形模型上方案布置Fig.6 Plan layout of the real terrain model

2.3 BIM模型出圖

2.3.1 結(jié)構(gòu)圖

BIM模型經(jīng)過三維校審之后，便可以在BIM模型中方便地抽取二維圖紙，BIM模型中抽取二維圖紙的主要步驟：1）模型篩選，根據(jù)出圖需要選擇BIM模型；2）檢查模型，檢查模型的屬性信息是否正確；3）設(shè)置剖切規(guī)則并抽取圖紙，剖切時(shí)根據(jù)需要設(shè)置剖切范圍、剖切位置、剖切方向、剖切深度、填充圖案，以及剖切出來的圖線放置的圖層、顏色、線型、線寬，剖切規(guī)則設(shè)置好后點(diǎn)擊剖切命令，便可形成需要的二維視圖；4）標(biāo)注二維視圖，對(duì)剖切出來的視圖添加尺寸標(biāo)注、文字說明、視圖名稱等要素；5）匹配圖框，將標(biāo)注好的二維視圖按照一定比例縮放至標(biāo)準(zhǔn)圖框，修改完善圖簽后形成正式圖紙。本工程在平、立、剖二維視圖的基礎(chǔ)上，添加一個(gè)軸測(cè)視圖作為平面圖的補(bǔ)充與解釋，很好地增加圖紙的可視化程度與可讀性。BIM模型中形成的圖紙如圖7所示。

圖7 BIM模型中抽取的二維圖紙F(tuán)ig.7 2D drawings drawn from BIM

依托該工程開發(fā)了一套圖紙標(biāo)注工具集，如圖8所示。標(biāo)注工具集基于ABD軟件應(yīng)用VBA語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，將一些常見的視圖符號(hào)、折斷線、指北針、水流符號(hào)、連接符號(hào)、對(duì)稱符號(hào)、標(biāo)高符號(hào)、坡度符號(hào)、引線標(biāo)注、剖切符號(hào)，按照《水利水電工程制圖標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)制圖》要求集成到ABD軟件中。標(biāo)注工具集大幅縮短了圖紙標(biāo)注時(shí)間，同時(shí)也使整個(gè)工程的圖紙標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一。

圖8 標(biāo)注工具集界面Fig.8 Interface of the annotation tool

2.3.2 鋼筋圖

利用創(chuàng)建好的BIM實(shí)體模型，將其導(dǎo)入到三維配筋模塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和配筋操作后，便可形成三維鋼筋模型，可方便地從三維鋼筋模型中任意剖切二維鋼筋斷面圖。相比傳統(tǒng)的手動(dòng)繪制二維鋼筋圖，三維配筋出圖具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）在三維可視化條件下創(chuàng)建三維鋼筋模型，可以直觀的編輯任意一根鋼筋；2）可從三維鋼筋模型中任意的剖切二維鋼筋斷面圖、剖面圖；3）半自動(dòng)對(duì)二維斷面圖、剖面圖進(jìn)行尺寸標(biāo)注和文字說明，局部標(biāo)注有瑕疵的地方，僅需簡(jiǎn)單的手動(dòng)操作便可；4）能夠自動(dòng)、精確地形成鋼筋表及材料表，設(shè)計(jì)人員和校核人員一般只需關(guān)注布筋原則、鋼筋錨固與彎折長(zhǎng)度，無需過多關(guān)注鋼筋編號(hào)、鋼筋型式、鋼筋長(zhǎng)度、材料用量。本工程水工建筑物利用三維鋼筋出圖，節(jié)省了大量鋼筋圖繪制時(shí)間，較大地提高了鋼筋圖出圖效率。上部30 m跨梁式渡槽三維鋼筋模型如圖9所示。

圖9 三維鋼筋模型Fig.9 3D rebar model

2.4 工程量統(tǒng)計(jì)

BIM模型不僅僅是三維模型，其最重要的特點(diǎn)之一是具有信息，這些信息包含空間坐標(biāo)信息（X，Y，Z），長(zhǎng)、寬、高、面積、體積等尺寸信息，材料類別信息等。利用創(chuàng)建的BIM模型，可以按部位、分材料快速提取工程量。本工程利用BIM模型統(tǒng)計(jì)的渡槽主要工程量如表1所示。

表1 渡槽主要工程量表Tab.1 Table of main quantities of the aqueduct

3 結(jié)語(yǔ)

本工程最大程度實(shí)現(xiàn)了BIM正向設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)的應(yīng)用提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短了設(shè)計(jì)周期，在項(xiàng)目審查及施工階段得到工程相關(guān)方贊賞。今后的BIM應(yīng)用中仍有兩個(gè)方面需要進(jìn)一步研究，一是剔除實(shí)景地形模型中的樹木、雜草等，轉(zhuǎn)化成DTM數(shù)字地面模型，以便進(jìn)行三維場(chǎng)地開挖。二是對(duì)體型相似、尺寸有規(guī)律的建筑物，開展參數(shù)化建模及配筋。

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Design of and Research into the Qishui River Inverted Siphon Reconstruction Based on BIM Technology

BAI Yong，ZHAO Leilei，ZHANG Jinhui，ZHANG Yuming，SHEN Lu
（Henan Water&Power Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450016，Henan，China）

In the Qishui river inverted siphon reconstruction project，based on project wise（PW）platform，BIM technology was used to make the project scheme selection，model creation， 2D mapping， and calculate engineering quantity statistics.For some complicated terrains，the UAV was used to obtain the 3D real terrain，and the scheme was then completed directly on the real terrain.The drawing annotation tool set was re-developed based on the IBM application VBA language，which greatly shortened the marking time of the drawing.The BIM technology can improve the design quality and shorten the design cycle，and provide useful references for similar projects.

building information modeling； the Qishui river；collaborative design；3D design

1674-3814（2017）07-0134-05

TV222.1；TV672+.3

A

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAB07B07）。

Project Supported by the National Science&Technology Support Program of China（2015BAB07B07）.

2017-03-02。

白 勇（1982—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗IM設(shè)計(jì)與研究；

趙蕾蕾（1986—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗IM設(shè)計(jì)與研究；

張金輝（1978—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗IM設(shè)計(jì)與研究；

張玉明（1981—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗IM設(shè)計(jì)與研究；

申 魯（1977—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗IM設(shè)計(jì)與研究。

（編輯 李沈）