BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

呂 賀

(淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司南華分公司，廣東 廣州 510000)

0 前言

水利工程建設(shè)中，通過對(duì)BIM技術(shù)的有效應(yīng)用，可以促進(jìn)水利工程設(shè)計(jì)水平的提高，不過受人員認(rèn)知、技術(shù)水平等因素的影響，BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用依然處于初級(jí)階段，沒有能夠?qū)IM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)最大限度地發(fā)揮出來(lái)。對(duì)此，水利工程設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)對(duì)BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用，對(duì)存在的問題進(jìn)行解決，以BIM技術(shù)為支撐，切實(shí)提高水利工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平。

1 BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

將BIM技術(shù)應(yīng)用到水利工程設(shè)計(jì)中，有著相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)，一是能夠真實(shí)模擬水利工程的實(shí)際情況，從多個(gè)角度來(lái)對(duì)方案內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇最為恰當(dāng)?shù)姆桨割愋停欢悄軌驅(qū)こ陶w進(jìn)行展示，使得工程能夠具備可視化特征，也可以在BIM模型中融入具體規(guī)劃設(shè)計(jì)的理念和內(nèi)容，降低設(shè)計(jì)控制難度[1]；三是能夠提高水利工程設(shè)計(jì)的效率。在傳統(tǒng)水利工程設(shè)計(jì)中，采用的是二維圖形設(shè)計(jì)方式，依照二維圖形進(jìn)行模型構(gòu)建，操作難度大，過程繁瑣，效率低下。BIM技術(shù)的應(yīng)用，能夠直接構(gòu)建水利工程BIM模型，簡(jiǎn)化操作流程，水利工程設(shè)計(jì)的效率也可以得到顯著提升；四是能夠提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。借助BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以建立起可視化工程模型，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷和問題，做好優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行完善，從而不斷提高水利工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量；五是能夠?qū)λこ淘O(shè)計(jì)的效果進(jìn)行改善，設(shè)計(jì)內(nèi)容更加直觀地呈現(xiàn)出來(lái)。從技術(shù)人員的角度，可以對(duì)照可視化的設(shè)計(jì)內(nèi)容，直接找出設(shè)計(jì)中存在的缺陷，做好糾正；從施工人員的角度，可以利用BIM技術(shù)，掌握工程施工的程序要求，嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)理念進(jìn)行施工作業(yè)[2]。

2 BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 工程概況

橫江水庫(kù)位于韶關(guān)市南雄市市區(qū)東北19 km，水庫(kù)大壩位于南雄市珠璣鎮(zhèn)的周地排村，工程地理位置見圖1。橫江水庫(kù)是一座多年調(diào)節(jié)的中型水庫(kù)，壩址以上控制集雨面積24.25 km2，主干河流長(zhǎng)度10.2 km，河床坡降0.01。正常蓄水位204.00 m，相應(yīng)庫(kù)容1285.64萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)水位205.89 m，相應(yīng)庫(kù)容1445萬(wàn)m3；校核水位206.70 m，總庫(kù)容1524萬(wàn)m3，以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、供水等綜合功能。根據(jù)國(guó)家防洪標(biāo)準(zhǔn)(GB 50201-2014)以及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2017)劃分工程等級(jí)及確定洪水標(biāo)準(zhǔn)[3]，本工程屬Ⅲ等中型水庫(kù)工程，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇(P=2%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000 a一遇(P=0.1%)，消能防沖采用30 a一遇(P=3.33%)。

圖1 工程地理位置

橫江水庫(kù)建庫(kù)時(shí)受歷史條件限制，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，施工工藝較差，導(dǎo)致大壩建成后，在運(yùn)行中出現(xiàn)了很多問題：一是土壩外坡左側(cè)標(biāo)高181.00 m處嚴(yán)重漏水，漏水流量為0.0015 m3/s，并發(fā)生后坡跌窩現(xiàn)象；二是土壩外坡左端壩高32 m無(wú)反濾體，壩外一級(jí)壩坡大面積滲水濕潤(rùn)成“牛皮脹”(見圖2)；三是標(biāo)高186.00 m處存在幾種滲水點(diǎn)，滲水量隨水庫(kù)內(nèi)水位的升降而增減；四是輸水涵管施工質(zhì)量差，砼結(jié)構(gòu)不密實(shí)，透水性大，漏水現(xiàn)象十分嚴(yán)重，壓力水進(jìn)入土壩，在土壩外坡壩腳沿涵管的周圍都出現(xiàn)許多處冒水。對(duì)此，需要對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)和改造，以保證水庫(kù)整體的運(yùn)行安全[4]。

圖2 大壩下游壩面現(xiàn)狀

2.2 工程模型構(gòu)建

在運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的過程中，需要充分考慮大壩的實(shí)際情況，做好相關(guān)數(shù)據(jù)信息的收集和整理工作，構(gòu)建起完善的BIM水利工程模型。具體來(lái)講，BIM工程模型的構(gòu)建分為兩個(gè)核心內(nèi)容。

2.2.1 地形模型

地形模型能夠?yàn)槭┕げ季痔峁┛煽恐?，水?kù)庫(kù)區(qū)位于南雄盆地東北翼邊緣，位于山區(qū)。局部相對(duì)較陡，植物生長(zhǎng)茂盛，無(wú)水土流失現(xiàn)象，少有崩塌現(xiàn)象出現(xiàn)[5]。在構(gòu)建地形模型的過程中，涉及內(nèi)容眾多，曲面是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，從提高曲面創(chuàng)建效果的角度，必須對(duì)工程中的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面分析，總結(jié)數(shù)據(jù)規(guī)律，對(duì)河道結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行考察，保證等高線準(zhǔn)確。這里采用三角網(wǎng)對(duì)曲面進(jìn)行創(chuàng)建，可以將庫(kù)區(qū)地形的起伏變化清晰反映出來(lái)。

2.2.2 工程模型

水利工程建筑BIM模型構(gòu)建中，主要利用BIM技術(shù)的可視化仿真功能，考慮到不同數(shù)字信息模型有著不同的特征，在建模環(huán)節(jié)，需要在順序、方法等不同角度，將差異性特征體現(xiàn)出來(lái)。建筑工程領(lǐng)域，很多部門對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用都提出了比較明確的規(guī)定，不過因?yàn)锽IM技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用時(shí)間較短，缺乏相對(duì)完善的規(guī)定[6]。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在針對(duì)水利工程建筑BIM模型進(jìn)行構(gòu)建的過程中，應(yīng)該從現(xiàn)實(shí)需求的角度，確定好BIM技術(shù)的應(yīng)用方法，明確BIM模型的應(yīng)用階段，提高建模的準(zhǔn)確性(見圖3)。同時(shí)需要對(duì)CAD圖紙的內(nèi)容進(jìn)行豐富和完善，從不同層面了解水利工程的具體情況，把握好相關(guān)注意事項(xiàng)，合理分配施工人員的工作，確保其能夠得到有效的貫徹落實(shí)。應(yīng)該提升工程項(xiàng)目管理的有效性，加強(qiáng)模型圖形及信息管理，將BIM技術(shù)的應(yīng)用與水利工程設(shè)計(jì)要求緊密結(jié)合起來(lái)，推動(dòng)設(shè)計(jì)理念的精準(zhǔn)落實(shí)。對(duì)于建模過程中遇到的問題，應(yīng)該做好詳細(xì)記錄和數(shù)據(jù)保存[7]，對(duì)照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)BIM建模的質(zhì)量進(jìn)行控制，提升建模效果。

圖3 水庫(kù)BIM模型

2.3 交付內(nèi)容設(shè)計(jì)

在進(jìn)行水利工程設(shè)計(jì)的過程中，BIM技術(shù)的應(yīng)用效果將會(huì)直接影響工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)人員的高度重視。BIM技術(shù)本身在概念和操作方面，有著比較突出的優(yōu)勢(shì)，理論上可以被應(yīng)用到水利工程的各個(gè)環(huán)節(jié)，不過在實(shí)踐中，往往很難全面滲透。從目前來(lái)看，水利工程設(shè)計(jì)對(duì)BIM的最優(yōu)化利用，是借助BIM模型來(lái)為施工提供指導(dǎo)[8]，模型中包含了設(shè)計(jì)方案的尺寸數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、原料、位置信息等，技術(shù)人員可以通過對(duì)BIM信息模型的分析，獲取更多的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)存在密切關(guān)聯(lián)，可以將設(shè)計(jì)效果直觀體現(xiàn)出來(lái)。以數(shù)字化技術(shù)為支撐，水利工程的施工能夠順利展開。不過結(jié)合實(shí)際效果分析，BIM模型在水利行業(yè)中的應(yīng)用依然處于初級(jí)階段，尚不夠成熟，無(wú)法將模型信息和后續(xù)的施工建設(shè)結(jié)合在一起，需要技術(shù)人員做好更加深入的研究[9]。

2.4 模型信息創(chuàng)建

利用BIM模型，技術(shù)人員能夠通過數(shù)字化的形式，將水利工程建筑實(shí)體和功能特點(diǎn)表現(xiàn)出來(lái)，模型本身的特點(diǎn)十分鮮明，效率和精準(zhǔn)度可以得到保證，專業(yè)性較強(qiáng)，通用性好。BIM技術(shù)在模型中一般都是表現(xiàn)為信息載體的形式，二維圖紙到三維圖紙的轉(zhuǎn)變環(huán)節(jié)，技術(shù)內(nèi)容本身并不復(fù)雜，不過想要保證建模的效率，要求技術(shù)人員能夠做好對(duì)于建模知識(shí)和相關(guān)技術(shù)的研究學(xué)習(xí)。結(jié)合水利工程領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)特征，選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蜆?gòu)建方法，可以為BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)用提供便利[10]。需要明確，BIM設(shè)計(jì)所呈現(xiàn)出的三維效果，并非單純的通過該效果圖體現(xiàn)出來(lái)，而是表現(xiàn)為更加精準(zhǔn)的效果呈現(xiàn)形式。在將BIM技術(shù)應(yīng)用到水利工程設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為支撐，如尺寸、面積、體積等。模型是承載數(shù)據(jù)信息的關(guān)鍵，通過提高BIM實(shí)踐水平的方式，能夠?qū)?shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行強(qiáng)化，確保水利工程項(xiàng)目的順利實(shí)施。以技術(shù)的飛速發(fā)展為支撐，建模工具變得越發(fā)多樣化，其中比較常用的建模工具有Autodesk、3Dmax等，不過因?yàn)榧夹g(shù)條件的限制，建模平臺(tái)的通用性不夠理想，必須結(jié)合實(shí)際情況，選擇恰當(dāng)?shù)慕Ｆ脚_(tái)，提升模型數(shù)據(jù)的通用性，保證BIM技術(shù)的應(yīng)用效果[11]。

2.5 模型信息表達(dá)

BIM模型中包含了豐富的數(shù)據(jù)信息，這也是水利工程設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的重點(diǎn)，通過對(duì)模型信息的有效提取，可以很好地滿足實(shí)際需求。新的發(fā)展環(huán)境下，應(yīng)該將二維表達(dá)、模型及模型信息展現(xiàn)結(jié)合起來(lái)，在運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該從圖紙、文字層面，對(duì)模型進(jìn)行表達(dá)。在相關(guān)規(guī)范中明確提出，BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用成果應(yīng)該體現(xiàn)在多個(gè)方面，如BIM交付可優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案、綜合協(xié)調(diào)成果、可視化溝通手段等，而這些全部都是信息模型中常見的表現(xiàn)方法。從實(shí)際表達(dá)的角度，BIM信息模型有著多樣化及豐富化的特點(diǎn)，而模型信息的表達(dá)是一個(gè)長(zhǎng)期性的過程，現(xiàn)階段，BIM設(shè)計(jì)實(shí)踐一般是利用二維圖紙進(jìn)行表達(dá)，這種方法相對(duì)成熟，三維方法的表達(dá)效果雖然更好，不過其尚處于探索階段，需要技術(shù)人員做好深入研究，將其所具備的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，保證設(shè)計(jì)有效性的同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)成本進(jìn)行嚴(yán)格控制[12]。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，可持續(xù)發(fā)展理念持續(xù)深化背景下，我國(guó)水利工程的數(shù)量不斷增加，一些老舊水利工程的維護(hù)翻新也受到了地方政府部門的重視。考慮到傳統(tǒng)水利工程設(shè)計(jì)中存在的問題，可以將BIM技術(shù)應(yīng)用到水利工程設(shè)計(jì)中，借助水利工程的優(yōu)勢(shì)來(lái)提升設(shè)計(jì)方案的合理性，推動(dòng)工程設(shè)計(jì)與施工的緊密結(jié)合，切實(shí)保障水利工程施工建設(shè)的效果。