BIM技術(shù)在水庫農(nóng)田防護(hù)工程規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司 工程移民規(guī)劃研究院，湖北 武漢 430010；2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)，是一個容納建筑信息的載體，是對建筑工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)，是建筑科學(xué)與信息技術(shù)的結(jié)合。BIM技術(shù)在工程的規(guī)劃、勘察、設(shè)計、制造、施工、運營、維護(hù)等階段均有應(yīng)用，具有多維度、可視化、協(xié)同性等優(yōu)點，能有效實現(xiàn)建筑數(shù)字化、設(shè)計建造可視化及運營智能化等目標(biāo)。

近年來，隨著我國經(jīng)濟社會和信息技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)的應(yīng)用得到了較快發(fā)展。2017年2月21日，國務(wù)院辦公廳以“國辦發(fā)〔2017〕19號”發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》，提出“加快推進(jìn)建筑信息模型(BIM)技術(shù)在規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工和運營維護(hù)全過程的集成應(yīng)用，實現(xiàn)工程建設(shè)項目全生命周期數(shù)據(jù)共享和信息化管理，為項目方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)，促進(jìn)建筑業(yè)提質(zhì)增效?！边@標(biāo)志著BIM技術(shù)在我國已提升到國家層面推進(jìn)。BIM應(yīng)用作為建筑業(yè)信息化的重要組成部分，是推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的有力保證，其普及推廣的趨勢已不可阻擋。

目前，BIM技術(shù)在水利水電工程中應(yīng)用尚處于初級階段，隨著工程技術(shù)水平的逐步提升和三維系列軟件平臺的不斷優(yōu)化，BIM技術(shù)在水利水電工程方面的研究與應(yīng)用越來越多。盛曉波基于Bentley平臺創(chuàng)建了水庫大壩、廠房、建筑、場地等三維信息模型，提出了三維協(xié)同設(shè)計解決方案[1]；吳學(xué)雷以黃登水電站為例，提出了BIM技術(shù)在水利水電工程施工總布置中的研究思路[2]。本文將分析水庫農(nóng)田防護(hù)工程的特點，提出BIM技術(shù)在防護(hù)工程設(shè)計中的應(yīng)用思路，以提高規(guī)劃設(shè)計效率。

2 水庫農(nóng)田防護(hù)工程特點

為了緩解大中型水利水電工程庫區(qū)人均耕地少、移民安置環(huán)境容量不足的矛盾，保護(hù)和充分利用土地資源，對經(jīng)濟合理、技術(shù)可行、有條件防護(hù)的淺水區(qū)或臨時淹沒區(qū)采取工程防護(hù)是一項有效的處理措施。尤其是對于成片農(nóng)田、規(guī)模較大的居民點、集鎮(zhèn)、城市、企(事)業(yè)單位等重要淹沒對象，淹沒深度較淺且具備防護(hù)條件，應(yīng)盡量采取防護(hù)措施，減少淹沒損失。根據(jù)防護(hù)工程的范圍，水庫防護(hù)工程一般可以分為農(nóng)田防護(hù)工程、城鎮(zhèn)防護(hù)工程和企事業(yè)單位防護(hù)工程。水庫防護(hù)工程常采用防洪堤、防洪渠、墊高、護(hù)岸工程等工程措施，植樹種草保持水土、加強洪水預(yù)報提前采取措施等非工程措施，一般在水庫防護(hù)工程中運用較少[3]。

農(nóng)田防護(hù)工程規(guī)劃設(shè)計的難點是需要在保證恢復(fù)淹沒用地面積的基礎(chǔ)上進(jìn)行多方案的比選，從技術(shù)、經(jīng)濟和社會角度進(jìn)行綜合比較分析，確定適宜的防護(hù)工程布置方案。另外，防護(hù)工程以往在可行性研究或初步設(shè)計階段一般采用剖面法計算工程量，對于復(fù)雜的地形區(qū)域工程量計算精度較差，可能導(dǎo)致實施階段發(fā)生重大變更，直接影響工程的實施進(jìn)度。

水庫農(nóng)田防護(hù)工程的防護(hù)對象主要為耕地，主要目的是保護(hù)耕地資源避免其受水庫淹沒影響，降低移民安置難度。防護(hù)工程一般按技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的原則進(jìn)行規(guī)劃，將防護(hù)方案與移民方案進(jìn)行對比分析[4]。一般而言，水庫農(nóng)田防護(hù)工程規(guī)劃設(shè)計具有以下特點：

(1)多位于水庫庫尾，屬于受水庫回水影響的臨時淹沒區(qū)，淹沒深度較淺；

(2)區(qū)域地勢平緩，一般為水庫岸邊一級寬緩階地地形，土壤肥沃；

(3)農(nóng)田集中成片，規(guī)模較大，涉及生產(chǎn)安置人口多；

(4)防護(hù)多采用低地回填墊高方案，防護(hù)技術(shù)可行；

(5)規(guī)劃設(shè)計往往需要反復(fù)調(diào)整，修改工作量大。

3 BIM應(yīng)用流程

根據(jù)上述特點分析，水庫農(nóng)田防護(hù)工程往往涉及場地面積較大，選擇的BIM相關(guān)軟件需要具有強大的大面積場地建模能力，同時由于防護(hù)工程往往需要進(jìn)行多方案技術(shù)經(jīng)濟比選，需要軟件具有較好的分析功能，方案調(diào)整與優(yōu)化操作簡單。結(jié)合上述因素，本文基于Autodesk Civil 3D 軟件分析了水庫農(nóng)田防護(hù)工程的BIM應(yīng)用流程，詳見圖1。

圖1 BIM應(yīng)用流程

3.1 創(chuàng)建三維地形模型

創(chuàng)建三維地形模型是規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)，地形曲面的精準(zhǔn)程度主要與測量數(shù)據(jù)以及曲面創(chuàng)建方式相關(guān)。Autodesk Civil 3D 軟件創(chuàng)建地形曲面的方式比較靈活，可以通過測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入，也可以通過拾取等高線、高程點等要素來創(chuàng)建。創(chuàng)建地形曲面后，可以按照報錯提示修正各測量數(shù)據(jù)之間的矛盾。測量數(shù)據(jù)更新后，地形曲面可以實現(xiàn)一鍵自動更新。

3.2 建立設(shè)計模型

根據(jù)水庫淹沒范圍，初步確定防護(hù)范圍、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和防護(hù)方案。采用低地墊高防護(hù)方案的，可以通過“放坡”、“曲面填充”等功能生成放坡組，創(chuàng)建坡道、馬道、堤頂路、墊高田面等設(shè)計要素，從而建立設(shè)計曲面模型；對于采用擋墻、防護(hù)堤等防護(hù)方案的，可以采用“裝配”的形式實現(xiàn)復(fù)雜模型的定制。設(shè)計模型建立后，通過三維觀測，檢查模型中的錯誤，并查看模型是否反映了設(shè)計意圖，從而進(jìn)行局部修改與調(diào)整。

3.3 工程量計算與方案比選

通過原始地形曲面和設(shè)計曲面創(chuàng)建體積曲面，可直接快速計算出場地墊高的土石方工程量，同時可利用Civil 3D的放坡體積工具，對放坡高程進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化土石方平衡的目的。以一個設(shè)計模型為基礎(chǔ)，通過修改放坡要素或修改裝配的方式快速創(chuàng)建比選方案，實現(xiàn)多方案的比選。此方法能大大減少方案比選的工作量，快速實現(xiàn)方案調(diào)整與優(yōu)化。

3.4 設(shè)計圖紙輸出

經(jīng)過對方案的技術(shù)經(jīng)濟比較，確定最優(yōu)方案，并據(jù)此對設(shè)計模型進(jìn)行細(xì)部設(shè)計。Civil 3D具有強大的出圖功能，能對模型隨意剖切，并且能滿足不同出圖樣式的定制需求。通過對斷面、標(biāo)注等樣式的設(shè)置，可以根據(jù)需要生成各種圖形，并且圖形能實現(xiàn)隨著模型的改變而動態(tài)更新。

4 實例分析

4.1 工程概況

某水電站建設(shè)征地涉及P市，對淹沒對象進(jìn)行淹沒影響分析，結(jié)合移民意愿及線上資源調(diào)查，綜合考慮移民安置規(guī)劃，規(guī)劃對5片農(nóng)田區(qū)采取防護(hù)措施。其中，L農(nóng)田防護(hù)區(qū)位于水庫庫尾，沿江長度330 m，農(nóng)田地面高程 974.5～979 m，防護(hù)區(qū)地貌單元為河流階地，呈兩級平臺狀，農(nóng)田位于第二級平臺地面上，階地前緣為寬40～60 m的河漫灘。防護(hù)區(qū)地表屬第四系，主要由粉土、卵石等組成；前緣河漫灘為卵石，稍密，厚度2～5 m；后緣農(nóng)田一帶為粉土，為階地物質(zhì)；下伏基巖為奧陶系喬家組灰?guī)r。防護(hù)區(qū)岸坡屬于土質(zhì)岸坡，主要由粉土構(gòu)成。

本片農(nóng)田防護(hù)區(qū)5 a一遇設(shè)防洪水位 981.3 m，按5 a一遇洪水回水位墊高，低地墊高后形成土地面積為1.492 hm2(22.38畝)?；靥钸吰掳? ∶2.2放坡，臨金沙江的回填邊坡采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡。其設(shè)計典型剖面見圖2。

圖2 防護(hù)區(qū)典型剖面

4.2 應(yīng)用情況

該農(nóng)田防護(hù)工程屬于水庫岸邊寬緩臺地，淹沒深度較淺，具備防護(hù)條件。首先利用高程點和等高線等測量數(shù)據(jù)建立三維地形模型，創(chuàng)建原始地形三角網(wǎng)曲面(見圖3,4)。

圖3 原始地形曲面模型

圖4 低地墊高設(shè)計曲面

防護(hù)采用5 a一遇設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)，采用低地墊高防護(hù)方案。根據(jù)現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，初步確定低地回填范圍主要為防護(hù)范圍內(nèi)土地征用線(5 a一遇洪水回水位)以下的低地。防護(hù)區(qū)墊高后均形成一級平臺，防護(hù)區(qū)墊高后地面高程為 981.30 m。農(nóng)田防護(hù)工程均采用坡式護(hù)岸，通過岸坡穩(wěn)定計算，確定護(hù)岸坡比采用1 ∶2.2。臨水坡采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡，堤線布置選擇時主要考慮與河勢相適應(yīng)，岸線力求平順，相鄰堤段應(yīng)平緩連接，不應(yīng)采用折線或急彎，宜利用有利地形，修筑在土質(zhì)較好、穩(wěn)定的岸灘上。按照上述原則，進(jìn)行3組防護(hù)工程布置方案比選，并按墊高防護(hù)面積不小于淹沒區(qū)面積控制。

隨后，直接通過放坡組創(chuàng)建相應(yīng)設(shè)計曲面，通過原始地形曲面和不同設(shè)計曲面創(chuàng)建不同體積曲面，快速計算出3組方案的凈回填土石方工程量分別為12.31萬,11.58萬m3和13.02萬m3。通過軟件可以快速準(zhǔn)確計算工程量，實現(xiàn)多方案比較(見圖5)。在滿足農(nóng)田防護(hù)面積的基礎(chǔ)上，選擇回填工程量最小的方案為推薦方案，開展細(xì)化設(shè)計、剖面剖切。最后，進(jìn)行標(biāo)注樣式設(shè)置，完成相關(guān)出圖工作。

圖5 體積面板工具

4.3 防護(hù)效益

根據(jù)概算成果，防護(hù)工程費用722.96萬元，防護(hù)區(qū)移民補償投資為1 222.21萬元。將移民補償投資作為工程效益，工程投資作為費用，則效益費用比為1.69。從總投資來看，防護(hù)方案從經(jīng)濟上優(yōu)于移民方案。通過實施農(nóng)田防護(hù)工程，采用墊高方案避免農(nóng)田被淹沒，從而減少移民安置人口，有利于移民安置規(guī)劃的實施。

5 結(jié) 語

我國是耕地資源缺乏的國家，水庫農(nóng)田防護(hù)工程可通過低地墊高等措施防護(hù)大片耕地，減少淹沒損失，降低了庫區(qū)移民安置難度。利用BIM技術(shù)開展水庫農(nóng)田防護(hù)工程規(guī)劃設(shè)計，具有設(shè)計成果表達(dá)直觀、計算工程量快速準(zhǔn)確、方案調(diào)整方便等優(yōu)點，可以大幅度提高規(guī)劃設(shè)計效率，有效解決防護(hù)工程規(guī)劃設(shè)計過程中的多方案比選與優(yōu)化、工程量計算精度要求高等難題。本文在分析水庫農(nóng)田防護(hù)工程的特點的基礎(chǔ)上，針對常規(guī)的低地墊高防護(hù)方案，基于Civil 3D軟件提出了應(yīng)用流程并進(jìn)行了實例分析，但針對復(fù)雜的防護(hù)工程設(shè)計，還有待進(jìn)一步研究。