生態(tài)型河道BIM正向設計應用研究

黃培志，胡 亭，吳鈺川，肖爾納

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

近年來，BIM技術在水利工程領域中的應用越來越廣泛[1]，逐漸成為工程設計的新方法和新理念[2]，特別是水利水電樞紐工程[3]和閘[4]、泵[5]等單體水工建筑物及地質[6]、電氣[7]等專業(yè)BIM設計、三維配筋[8]均得到較深入的應用，并對水利行業(yè)設計方法革新和水利信息化起到重要推動作用，但總體上BIM應用實施主體和項目類型方面都呈現不均衡的狀態(tài)，中小型水利設計單位在BIM推廣應用方面稍顯滯后[9]，尤其是河道治理方面的應用較少[10]。侯毅[11]等提出Civil3D在隧洞、河道、渠道、堤防等線性工程的建模出圖方法，李銳[12]等人開展了內河航道疏浚工程BIM正向設計應用，而針對河道治理工程中邊界條件復雜、斷面多樣和方案多變等制約下河道BIM正向設計應用的難點與解決方案，則甚少有研究。

BIM正向設計通過“先建模后出圖”的流程，可實現圖模一致、圖紙和工程量自動更新等功能，避免逆向建?！皟蓮埰ぁ焙椭貜凸ぷ鞯膯栴}，有助于提升設計質量和效率，對于推廣BIM技術和開展工程全生命周期管理具有重要意義。隨著城鄉(xiāng)水污染防治攻堅戰(zhàn)和河長制的深入推進以及社會大眾對河道綜合治理要求的不斷提高，生態(tài)型河道綜合治理工程日益增多，BIM正向設計應用也日趨緊迫?？紤]到生態(tài)型河道綜合治理工程數量較多、城鄉(xiāng)分布較廣，大量中小型水利設計單位正在承擔設計任務，本文將結合前述現狀，基于軟件操作較為簡單、與AutoCAD兼容性較好且相對便宜的Autodesk平臺進行BIM正向設計應用研究。相關標準規(guī)范參照地方BIM交付標準[13]、中國水利水電勘測設計協(xié)會BIM標準[14]及研究成果[15]、水利行業(yè)制圖規(guī)范及建筑行業(yè)BIM標準[16]等執(zhí)行，本文不贅述。

1 BIM設計應用思路

1.1 生態(tài)型河道BIM應用難點

1.1.1方案變化頻繁

按照“五位一體”治河理念，河道綜合治理工程除承擔傳統(tǒng)的防洪排澇任務之外，往往還要承載治污、景觀、生態(tài)、人文等大量功能，項目方案從前期到最終施工圖交付時常需要數易其稿。在項目總工期緊張的情況下，客戶對修改的響應速度要求高，如按照常規(guī)流程采用Civil3D設計不僅耗時多而且工作量巨大，容易造成設計人員抗拒不利于BIM推廣，需有新的流程與之相適應。

1.1.2邊界條件復雜

生態(tài)型河道一般為與地形密切相關的蜿蜒起伏的帶狀工程，與道路工程更為相似，施工圖需以樁號里程出具縱橫斷面，不適合采用Revit建模和出圖。同時，城市河道既受用地條件的嚴重限制，又需滿足不同造型、周邊工程交叉和控制水位要求，傳統(tǒng)一維水面線計算方法工作量大，難以考慮河道復雜布置特別是河道內設有微地形的情況，且效率較低，故需有與BIM設計匹配的水面線計算方法。

1.1.3設計斷面多樣

河道治理工程與樞紐工程、單體水工建筑布置型式區(qū)別顯著，一般不同河段斷面型式迥異，例如感潮、咸淡交替、淡水不同水質所采用植草、石籠或混凝土護坡型式不同，而且往往需要與跌水、閘壩、景觀節(jié)點等單體建筑物交叉，建模出圖較復雜，難以用Civil3D或Revit單一軟件解決，一次完整的建模耗時較多，方案變化時修改跟進的效率不高，需有適用的多軟件融合和參數化、模塊化方案。

1.2 BIM正向設計思路

目前市場上BIM軟件還不夠完善，生態(tài)型河道難以用單一軟件完成BIM正向設計，需多個軟件綜合應用。以Civil3D為主，基于測量(航拍)和地勘數據生成地形曲面和地質模型，并以此創(chuàng)建河道主體模型及制作參數化部件、平縱橫批量出圖、快速統(tǒng)計工程量和土石方平衡。以Revit為輔，用于建立單體水工、建筑、巖土等專業(yè)模型并實現模塊化及工程量自動統(tǒng)計。以Inventor開展閘門等金屬結構建模、出圖和統(tǒng)計工程量。以Vault作為文件共享管理和協(xié)同設計平臺，實現Revit模型、Civil3D對象等的共享與參照引用，并基于此平臺同步開展校審流程。以三維鋼筋軟件快速剖切鋼筋圖并準確統(tǒng)計鋼筋量。以InfraWorks結合GIS數據和導入的初步模型開展前期方案研討。以Navisworks進行模型整合、審閱及初步渲染、碰撞和施工模擬等。以MIKE21等水文水力計算軟件結合三維模型快速、精準分析河道流速、水深等。以Lumion進行動畫渲染。以AutoCAD手繪完成局部大樣圖。以中國水利水電BIM設計聯盟的數據平臺實現模型輕量化與多方共享。

項目設計應以既懂專業(yè)又掌握BIM技術的技術人員為主，IT人員提供二次開發(fā)的技術支持。盡可能從前期方案開始介入全階段應用BIM，確保先建BIM模型并完成內部三維校審后再出二維圖紙、統(tǒng)計工程量的正向工程設計，減少返工并杜絕翻模。

2 關鍵問題解決方法

2.1 正向設計“三步走”法

傳統(tǒng)設計方式下，基于AutoCAD的河道方案詳略容易控制，工作量在時序上相對均衡。而BIM正向設計方式下工作量前置，建模工作量大，因此應十分注意把握不同環(huán)節(jié)的“度”。

2.1.1輪廓建模定方案

在Civil3D中創(chuàng)建不同方案的河道表面輪廓的簡易裝配，沿河道控制軸線放樣生成基于現狀地形的河道設計曲面，將其與地形曲面及其它測繪、規(guī)劃資料在Infraworks內整合?；贗nfraworks模型對河道形態(tài)、空間、尺度及與周邊環(huán)境銜接等進行景觀藝術審查，通過后以設計曲面導入水文水力計算軟件快速計算，結果反饋到Civil3d分析行洪安全性并選定總體方案。

2.1.2典型斷面定結構

根據確定的總體方案，結合地形、地質和相關邊界條件選取各典型設計控制斷面，進行結構安全計算后確定不同河段的斷面型式并制作相應裝配和部件，生成初步三維模型。單體水工建筑物、金屬結構等專業(yè)在Revit或Inventor中建模并在Infraworks中與Civil3d模型進行整合。設計單位可根據常用護岸的坡度、高度、防護要求等總結建立標準裝配庫，在方案變化時可快速選擇合適的護岸結構裝配。

2.1.3模型細化定成果

利用Subassembly Composer對典型斷面部件進行編輯完善細化生成河道模型，自動剖切生成縱、橫斷面。橫斷面圖局部不滿足圖紙表達的部位利用“緩沖區(qū)”功能進行手動完善，確保手動修改部分與自動生成部分的關聯性，對標簽及圖面等完善后即可出圖。單體水工建筑物及其他專業(yè)以Revit或Inventor出圖已較成熟。施工圖中的局部大樣圖可沿用以往資料或手繪完成。

各設計和校審人員基于Vault的不同權限參與協(xié)同，以半天為最小時間間隔檢入最新成果，利用參照、數據快捷方式反饋成果并控制文件大小，以提高軟件運行效率和校審效率。在施工圖審查階段將模型上傳至中國水利水電BIM設計聯盟的數據平臺供審圖單位輔助三維校審以提高外部審查效率。

2.2 基于Civil3D+Mike21的水面線計算方法

設計單位常用的傳統(tǒng)一維水面線計算方法大多是選取若干斷面，整理縱斷面、橫斷面的空間數據導入計算軟件后進行計算，計算結果一般需手動標注在圖紙中。其中，整理空間數據往往十分耗時也容易出錯，計算結果在圖紙上反饋的過程也較為不便，極大影響了設計出圖效率。同時，對于部分生態(tài)景觀河道，為了生態(tài)景觀功能的實現，斷面往往復雜多變，還常會設計一些人工島、擴大段，一維水文計算很難模擬這些設計構造帶來的影響?；贑ivil3D+Mike21的水面線計算方法，可以直接通過三維BIM模型得到二維河網數據模型并進行計算分析，可有效提高設計速度，提升水面線設計精度。

利用Civil3D從創(chuàng)建的河道過水輪廓三維模型導出設計空間數據，導入MIKE21水文計算軟件生成計算模型，剖分網格并輸入水文邊界條件，可快速得到河道設計水深、流速、淹沒范圍等。提取計算得到的水位信息直接導出為.txt文件，根據需要考慮超高等因素調整數據文件后導入Civil3D生成水位曲面并加載到模型中即可自動剖切含設計水位、現狀地面、設計輪廓、地質分層線的斷面圖。水力計算條件變化時重復前述步驟即可快速反饋到模型和圖紙中，實現模型圖紙自動更新及批量出圖。

2.3 多軟件參數化與二次開發(fā)

利用BIM軟件自帶的參數化(模塊化)功能并在必要時進行二次開發(fā)是提高效率的重要方法。基于Civil3D用Subassembly Composer制作各種型式的擋土墻、護坡、護底、海堤、巡河路、截水溝、箱涵、U型槽等河道常規(guī)參數化部件庫，如圖1所示，相對復雜部件可用多參數制作，例如針對地形變化大的高邊坡開挖利用多級邊坡部件，如圖2所示參數化控制邊坡坡度、高度、寬度等并自動調整邊坡級數。同時，定制標簽以自動填充縱橫斷面各高程參數并快速、自動提取河道的坐標點、控制點、樁號等控制要素數據列入表格。

對于軟件無自帶的復雜功能可用C#通過API基于Civil3D開發(fā)插件。例如針對大面積、多區(qū)域、分層計算各類土方的工程問題制作土石方分層計算插件，減少重復計算的工作量，快速得到各種土石方量數據。又如鉆孔生成地質曲面錯誤批量處理插件，由多段線批量生成三角網曲面的曲面輔助插件，批量導出實體句柄和體積屬性輔助插件；多段線坡度快速標注插件；批量讀取并導出對應樁號縱斷面高程插件，如圖3所示。

對于常用水工建筑物、電氣、管線、標準出圖圖框等基于Revit建立族庫，對于閘門等金屬結構基于Inventor二次開發(fā)快速建模軟件，如圖4所示，并解決自動出圖、算量問題，充分提高模塊化程度和設計效率。

圖1 參數化護坡部件

圖2 自適應高邊坡開挖部件

圖3 樁號插件

圖4 基于Inventor二次開發(fā)的閘門軟件

3 應用案例實踐

深圳市壩光片區(qū)防洪(潮)排澇工程主要建設內容為整治片區(qū)內13條感潮河道，總長約13km。按照“一河一策”的要求，各河道形態(tài)各異，均為典型的生態(tài)型河道，本文以其中的白沙灣水為例介紹應用情況。

基于Civil3D建立壩光片區(qū)三維地形地質曲面如圖5所示，創(chuàng)建白沙灣水河道輪廓模型導入Infraworks開展方案探討，確定總體方案后導入Mike21軟件計算，如圖6所示，該河道型式非常復雜但半天也可完成計算，結果導出修正后反饋到Civil3D模型生成水面曲面，剖切縱斷面驗證行洪安全性合理即可細化河道模型，如圖7所示，并出如圖8所示圖和算量。其中，管理房、跌水結構和棧橋等采用Revit建模。最終成果如圖9所示可導入Navisworks組裝或在Infraworks中展示，如圖10所示，也可用Lumion編制動畫視頻。多條河道同步開展BIM正向設計，采用合理的流程和適用的軟件與方法，盡管方案多次調整，項目仍然保質保量高效完成，節(jié)約20%時間。

圖5 壩光片區(qū)地形地質曲面

圖6 Mike21水面線計算結果

圖7 用于剖切的Civil3D模型

圖8 與模型關聯的縱斷面

圖9 Civil3D查看河道模型

圖10 Infraworks整合河道模型

4 結語

本文結合當前水利水電BIM應用情況，分析了制約生態(tài)型河道BIM正向設計面臨的關鍵問題和推廣應用不理想的原因，在市場上尚無完全適用的單個軟件現狀下，有針對性地提出了基于Autodesk平臺以Civil3D為主、多BIM軟件融合的“三步走”正向設計流程、基于Civil3D+Mike21的水面線快速計算方法和多軟件參數化與二次開發(fā)方法。以深圳市壩光片區(qū)防洪(潮)排澇工程論證了前述方法可綜合不同軟件的優(yōu)勢實現模型圖紙聯動和設計效率的切實提升，有效保障設計成果質量，相關做法可供中小型設計單位開展生態(tài)型河道BIM正向設計參考，助力河道工程BIM正向設計推廣應用。