BIM技術(shù)在雙曲拱壩建模中的應(yīng)用

宋丹

摘 要：雙曲拱壩屬于一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壩型，用傳統(tǒng)的三維建模軟件建立雙曲拱壩模型耗時(shí)長(zhǎng)，且需要大量的人力和物力;而Dynamo參數(shù)化建模板塊通過一系列預(yù)定義節(jié)點(diǎn)，按照一定的邏輯串聯(lián)起來，并將大批量與機(jī)械化工作交付給軟件自動(dòng)計(jì)算，能快速準(zhǔn)確地建立雙曲拱壩模型，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)了從手工繪圖向程序自動(dòng)設(shè)計(jì)的重大飛躍，對(duì)水利工程施工有著極大現(xiàn)實(shí)意義。Civil 3D是一款專門用于創(chuàng)建三維數(shù)字地形模型的軟件，可以利用數(shù)字化的地形模型，計(jì)算土石方開挖、多級(jí)邊坡放坡、斷面設(shè)計(jì)等。本文對(duì)Civil 3D地形處理和用Dynamo參數(shù)化編程建立雙曲拱壩模型展開研究。

關(guān)鍵詞：雙曲拱壩;Dynamo;Civil 3D;BIM技術(shù)

Abstract： The double-curved arch dam belongs to a dam type with a complex structure. It takes a long time to build a hyperbolic arch dam model with traditional three-dimensional modeling software， and it needs a lot of manpower and material resources. Dynamo parametric modeling plate， through a series of predefined nodes， is connected in series according to certain logic， and delivers large quantities and mechanization work to the software for automatic calculation， which can quickly and accurately build a hyperbolic arch dam The model can improve the quality and efficiency of design and realize the great leap from manual drawing to automatic program design， which is of great practical significance to the construction of water conservancy projects. Civil 3D is a software specially used to create 3D digital terrain model， which can be used to calculate earthwork excavation， multi-level slope grading， section design， etc. In this paper， the civil 3D terrain processing and the establishment of double-curved arch dam model by dynamo parametric programming are studied.

Keywords： double-curved arch dam;Dynamo;Civil 3D;BIM technology

雙曲拱壩是一種在水平斷面上和豎直斷面上同時(shí)向上游彎曲的連續(xù)光滑的三維空間曲面殼體[1]。由于這種特殊壩體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，使大部分水平荷載傳給了兩岸的邊坡，利用兩岸堅(jiān)固的邊坡反作用支撐整個(gè)大壩的安全穩(wěn)定。因此，在我國(guó)西南地區(qū)的高山峽谷中修建了大量的拱壩。比如，四川省壩高240 m的二灘拋物線雙曲拱壩、壩高285.5 m的溪洛渡拱壩;云南省壩高292 m的小灣拋物線雙曲拱壩;世界上最大的在建水電站壩高289 m的白鶴灘雙曲拱壩。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，建國(guó)之后，我國(guó)共修建了拱壩800余座，在設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方面積累了較多經(jīng)驗(yàn)，在全球處于世界領(lǐng)先水平。

但是，一個(gè)拱壩工程的完成往往需要在設(shè)計(jì)階段花費(fèi)大量的人工、時(shí)間進(jìn)行壩體的繪制、調(diào)整，以及施工階段進(jìn)行工程放樣和工程量計(jì)算。因此，根據(jù)拱壩設(shè)計(jì)計(jì)算的困難性和施工技術(shù)的復(fù)雜性，拱壩的參數(shù)化快速精準(zhǔn)建模勢(shì)在必行。

1 軟件介紹

1.1 Civil 3D軟件

Civil 3D是歐特克公司推出的主要用于道路設(shè)計(jì)、市政管廊、曲面設(shè)計(jì)的三維設(shè)計(jì)軟件，其可以根據(jù)地勘數(shù)據(jù)、等高線等快速生成三維數(shù)字地形曲面[2]。

本課題主要根據(jù)原始地形數(shù)據(jù)，利用Civil 3D創(chuàng)建大壩區(qū)域三維數(shù)字地形模型，按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行開挖放坡，最后與雙曲拱壩模型相結(jié)合，精準(zhǔn)計(jì)算混凝土工程量。

1.2 Dynamo軟件

Dynamo是一款歐特克公司研發(fā)的可視化、參數(shù)化的編程軟件，是應(yīng)用在Revit上的開源插件?？梢暬幊淌侵冈O(shè)計(jì)師通過圖形化界面創(chuàng)建程序，不必從白紙開始一行行地寫程序代碼，用戶可以簡(jiǎn)單地連接預(yù)定義功能模塊，輕松創(chuàng)建自己的算法和工具，把冗長(zhǎng)煩瑣的建模過程自動(dòng)化起來，創(chuàng)造一個(gè)用表達(dá)式生成三維形體的工具（見圖1）。如果發(fā)現(xiàn)Dynamo自帶的結(jié)點(diǎn)無法滿足需求，Dynamo還允許研究者用Python腳本直接調(diào)用所有的Revit API，這使其可以更加輕松地定制自己想要的Revit模型。此外，Dynamo程序與Revit模型能夠即時(shí)聯(lián)動(dòng)，無須輸出與導(dǎo)入，使建模過程更加快捷方便。

本課題利用Dynamo根據(jù)雙曲拱壩相關(guān)參數(shù)方程快速準(zhǔn)確地建立拱壩模型。由于計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備受限，精度為0.5 m×0.5 m。編制程序創(chuàng)建自定義節(jié)點(diǎn)，對(duì)拱壩形體的復(fù)核、測(cè)量放樣、模板制作、分層分塊、工程量計(jì)算等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，實(shí)現(xiàn)拱壩建設(shè)中所有計(jì)算、分析計(jì)算機(jī)化。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

精河二級(jí)樞紐調(diào)蓄水庫兼有發(fā)電功能。工程位于新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內(nèi)的精河上，壩址至精河縣城55 km，距博樂市147 km，距奎屯市244 km，距烏魯木齊484 km。樞紐壩址位于精河支流上，樞紐由混凝土拱壩、水墊塘及二道壩、發(fā)電引水系統(tǒng)和電站、生態(tài)放水洞、過魚設(shè)施等建筑物組成，水庫總庫容3.68億m3。

混凝土拱壩為拋物線型雙曲拱壩，壩頂高程880.5 m，最大壩高167.5 m，壩頂全長(zhǎng)288.4 m。壩頂設(shè)置凈寬為2 m×10 m的自由溢流表孔，壩體中部設(shè)置壩內(nèi)埋管式放水底孔，鋼管直徑2.4 m，出口設(shè)錐閥控制流量;工程總投資約11.9億元。

2.2 硬件配置

本項(xiàng)目BIM團(tuán)隊(duì)配備5臺(tái)移動(dòng)工作站：1臺(tái)DELL M6800筆記本電腦、4臺(tái)DELL 5520筆記本電腦（見表1）。

2.3 項(xiàng)目具體應(yīng)用

本項(xiàng)目為中國(guó)水利水電第八工程局有限公司參與的投標(biāo)項(xiàng)目。眾所周知，投標(biāo)報(bào)價(jià)是根據(jù)招標(biāo)文件中工程量清單計(jì)算而來的，而實(shí)際工程結(jié)算金額是前方監(jiān)理工程師簽證的工程量，投標(biāo)時(shí)清楚了解項(xiàng)目的理論工程量對(duì)投標(biāo)方采取何種報(bào)價(jià)策略至關(guān)重要。本項(xiàng)目主要采用Civil 3D對(duì)項(xiàng)目的開挖工程量進(jìn)行精確計(jì)算，利用Dynamo分層分塊統(tǒng)計(jì)拱壩工程量。具體應(yīng)用流程如圖2所示。

步驟一：原始地形處理，生成地形曲面。由于招標(biāo)文件中的地形圖存在很多干擾因素，比如，工程部位的一些結(jié)構(gòu)線和輪廓線，其會(huì)影響后期的開挖放坡。因此，除了等高線，其他的圖元都應(yīng)該去除。處理流程如下：①處理地形，去掉除等高線以外的其他元素;②Civil 3D以Excel格式導(dǎo)出原始地形點(diǎn);③Civil 3D利用導(dǎo)出的地形點(diǎn)重新新建地形曲面。

Civil 3D有多種方式建立三角網(wǎng)地形曲面，包括點(diǎn)文件、邊界、等高線、特征線、圖形對(duì)象等方式。一般情況下，在招標(biāo)階段，研究者只有含有一系列高程點(diǎn)或等高線的招標(biāo)圖紙，因此其通常采用選擇“高程點(diǎn)”或“等高線”的方法來創(chuàng)建原始地形曲面。三維地形曲面創(chuàng)建完成后，鼠標(biāo)右鍵選擇“對(duì)象查看器”功能，可以查看剛剛建立三維地形曲面，如果發(fā)現(xiàn)三維地形曲面中出現(xiàn)異常點(diǎn)，可通過菜單欄中“編輯特性”中的“刪除點(diǎn)”或者“刪除線”的命令對(duì)該曲面進(jìn)行修正，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

步驟二：對(duì)新曲面進(jìn)行開挖放坡，計(jì)算開挖工程量。三維地形曲面創(chuàng)建完成后，就可以利用放坡工具在地形曲面上進(jìn)行開挖放坡。Civil 3D中的放坡是本軟件最強(qiáng)大的工具，它可以根據(jù)擬定的坡比沿著設(shè)定好的坡度和坡腳線，自動(dòng)生成開挖后的地形曲面，并計(jì)算開挖與回填工程量。

Civil 3D開挖放坡工具有4種，包括放坡到固定距離、放坡到固定高程、放坡到相對(duì)高程、放坡到曲面。本課題采用的是放坡到相對(duì)高程的放坡方法。

首先采用多段線的命令繪制出雙曲拱壩壩基的開挖輪廓線，并在特征屬性中的“標(biāo)高”賦予設(shè)計(jì)底部高程，在放坡開挖工具中選擇“放坡到相對(duì)高程”;然后，在地形曲面上選擇將要放坡的輪廓，生成開挖后的地形曲面;最后新建一個(gè)三角網(wǎng)體積曲面，“基準(zhǔn)曲面”設(shè)置為原始地形曲面，“對(duì)照曲面”設(shè)置成開挖后的地形曲面，松散系數(shù)和壓實(shí)系數(shù)默認(rèn)為1，設(shè)置好點(diǎn)擊“確定”，Civil 3D會(huì)自動(dòng)計(jì)算兩個(gè)曲面之間的填方和挖方體積（見圖3）。

步驟三：導(dǎo)出開挖后地形點(diǎn)數(shù)據(jù)。后期為了方便建立雙曲拱壩模型，左邊原點(diǎn)定在拱壩壩頂中軸線的中點(diǎn)上，而地形圖坐標(biāo)系則采用大地坐標(biāo)系。因此，必須將地形圖原點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，視其與拱壩原點(diǎn)一致。

步驟四：Dynamo建立雙曲拱壩模型。通常，雙曲拱壩有以下幾種曲線方程：幾何系數(shù)插值方程、拱圈中心線參數(shù)方程、拱圈厚度參數(shù)方程。拱壩建模思路一般是利用幾何系數(shù)插值方程確定每一個(gè)高程處的拱壩基本參數(shù)，然后利用已確定的參數(shù)和拱圈中心線參數(shù)方程繪制出拱壩各個(gè)高程的拱圈中心線，最后利用拱圈厚度參數(shù)方程確定上下游曲線，并生成實(shí)體。

根據(jù)圖4的節(jié)點(diǎn)計(jì)算拱壩的壩軸線，該節(jié)點(diǎn)給定某一高程，利用拱圈中心線參數(shù)方程繪制出拱壩中心線，并利用循環(huán)命令，高程每隔0.5 m執(zhí)行一次運(yùn)算。結(jié)果如圖5所示。

由于地形是由一系列細(xì)小的三角網(wǎng)格組成的，其并不是一個(gè)完整的曲面，在Dynamo內(nèi)置節(jié)點(diǎn)中也沒有合適節(jié)點(diǎn)，因此需要自定義一個(gè)使地形生成完整曲面的節(jié)點(diǎn)。自定義節(jié)點(diǎn)輸入的是地形三角網(wǎng)格，輸出的是網(wǎng)格曲面。

步驟六：拱壩模型與地形網(wǎng)格曲面以原點(diǎn)對(duì)原點(diǎn)的方式相結(jié)合（見圖9），用地形網(wǎng)格曲面切割拱壩模型，去掉拱壩超出開挖地形之外的多余部分。

步驟七：按照要求分層或者分壩段進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)。工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖10。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

本文以水利水電工程中大壩體型較為復(fù)雜的雙曲拱壩為例，依托新疆精河拱壩工程介紹了Civil 3D從原始地形曲面創(chuàng)建、開挖放坡、自動(dòng)計(jì)算挖填方量以及Dynamo參數(shù)化建立拱壩模型等，在水利工程中拱壩壩體建模方面的應(yīng)用，得到了較好的分析、計(jì)算和展示效果。基于以上軟件的使用，總結(jié)了Civil 3D以及Dynamo在水利水電工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

第一，在大規(guī)模土石方工程施工中，采用Civil 3D軟件與采用傳統(tǒng)手工計(jì)算方法計(jì)算工程量相比，效率明顯提高。采用傳統(tǒng)的手工計(jì)算，每個(gè)項(xiàng)目結(jié)算的時(shí)間至少要幾個(gè)星期，而且計(jì)算過程復(fù)雜，中間的計(jì)算步驟煩瑣，誤差積累較大，且出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率較大，計(jì)算結(jié)果精確度較低。而采用Civil 3D軟件計(jì)算，所有分項(xiàng)工程都用該軟件生成三維數(shù)字模型，可以快速計(jì)算出工程量，效率成倍提高，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、直觀、明了。

第二，Dynamo是利用一系列的節(jié)點(diǎn)按照一定的邏輯和算法創(chuàng)建模型，因此可以動(dòng)態(tài)修改模型及其屬性。對(duì)于類似工程，只要修改拱壩左右中心角、半徑、拱冠梁參數(shù)方程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就能快速建好拱壩模型，節(jié)約建模者大量時(shí)間成本。同時(shí)，在Dynamo中，每一個(gè)模型對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)程序代碼，代碼使用計(jì)算機(jī)語言運(yùn)行，這樣既保證了模型的精度，又避免復(fù)雜模型丟失細(xì)部結(jié)構(gòu)。

第三，Dynamo模型就是一個(gè)數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)程序?qū)С鱿胍娜魏螖?shù)據(jù)，有利于工程坐標(biāo)復(fù)核、放樣檢查以及后期運(yùn)行維護(hù)管理，且Dynamo模型文件較小，便于保存。

第四，Dynamo與Revit可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)聯(lián)動(dòng)、無縫對(duì)接，避免了中間文件的轉(zhuǎn)換，同時(shí)Dynamo能夠隨時(shí)調(diào)用Revit中的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐陽建國(guó).拱壩CADC的理論與實(shí)踐[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[2]羅嘉祥，宋珊，田宏鈞.Autodesk Revit 煉金術(shù);Dynamo基礎(chǔ)實(shí)戰(zhàn)教程[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2017.