基于OpenRoads技術(shù)的新建水庫(kù)工程正向設(shè)計(jì)

李賢鋒

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣州 510635)

BIM 技術(shù)是引入 “工業(yè) 4.0”、“互聯(lián)網(wǎng)+”概念 發(fā)展起來(lái)的一種多維信息模型大數(shù)據(jù)、全流程、智能化管理技術(shù)，是數(shù)字化水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、運(yùn)行管理一體化、信息化的最佳解決方案，將智能水利設(shè)施連接起來(lái)，組成智能化的基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)于人類社會(huì)。BIM 技術(shù)的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)整個(gè)工作模式的變化[1-2]。Bentley 系列軟件中的 OpenRoads Designer是一款功能完善、全面詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)BIM 軟件，適用于勘測(cè)、排水、地下設(shè)施和道路等長(zhǎng)距離線性工程的三維建模，基于此特點(diǎn)可將 OpenRoads應(yīng)用于水利工程中的線狀工程三維設(shè)計(jì),OpenRoads 技術(shù)創(chuàng)新性地利用樁號(hào)驅(qū)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模板建模，模型邊坡與地形自動(dòng)融合，平面中心線、縱斷面設(shè)計(jì)和三維模型的聯(lián)動(dòng)修改，實(shí)現(xiàn)了高效的參數(shù)化設(shè)計(jì)[3]。OpenRoads設(shè)計(jì)滿足全階段的正向設(shè)計(jì)要求，特別是在早期方案設(shè)計(jì)階段即可接入進(jìn)行多方案比選，省時(shí)省力，避免成為完工后的翻模工具BIM，設(shè)計(jì)不局限于使用虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)成果，真正變更設(shè)計(jì)手段，使用BIM設(shè)計(jì)方法，提取設(shè)計(jì)、施工過程數(shù)據(jù)與成果模型集成，進(jìn)行項(xiàng)目“PEPCTO”模式的全生命周期管理是發(fā)展趨勢(shì)[4]。

1 工程概況

某新建水庫(kù)，大壩采用均質(zhì)土壩，壩頂高程為83.50 m，河床建基面最低高程為30.0 m，最大壩高為53.50 m，壩頂寬為7 m，壩頂長(zhǎng)為280 m。溢洪道采用開敞式岸邊溢洪道，布置于大壩右岸120 m處，由進(jìn)口段、控制段、泄槽段和挑流消能段組成，全長(zhǎng)共為350.0 m。水庫(kù)引水隧洞布置于大壩左側(cè)，采用直徑為3.0 m，管進(jìn)口設(shè)取水塔。上壩公路利用原有省道公路，對(duì)庫(kù)區(qū)南岸采石場(chǎng)邊坡進(jìn)行加固處理，在邊坡馬道基礎(chǔ)上修建防汛公路合計(jì)總長(zhǎng)1.5 km。大壩、溢洪道、引水隧洞及防汛道路均為線性工程，整個(gè)水庫(kù)水工建筑物完全適合采用OpenRoads進(jìn)行設(shè)計(jì)(如圖1所示)。

圖1 水庫(kù)樞紐平面布置示意

2 OpenRoads正向設(shè)計(jì)流程

2.1 地形模型處理

地形模型 (TM) 在基礎(chǔ)設(shè)施和映射工作流中起著重要作用。OpenRoads 技術(shù)主要采用在地形擬合方面表現(xiàn)最出色的狄洛尼三角網(wǎng)構(gòu)建原理，能讀取機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和多種存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)的文件，如 .dat、.tin、.xml 文件，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和修正處理，根據(jù)需要對(duì)地形進(jìn)行剪切和融合[4]。

生產(chǎn)模型能滿足以下要求：

1) 三維模型完整，位置準(zhǔn)確、具有現(xiàn)實(shí)性，與獲取的航空影像表現(xiàn)一致。

2) 三維模型分區(qū)塊生產(chǎn)時(shí)，接邊處不應(yīng)出現(xiàn)斷層。

3) 水下區(qū)域和模型漏洞地方進(jìn)行修補(bǔ)，使模型連續(xù)，不應(yīng)存在漏洞。

利用實(shí)景模型的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行三維地形建立，免去項(xiàng)目前期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的大部分工作量，降低了生產(chǎn)成本[5]。也可以利用已有平面測(cè)量圖，測(cè)量圖包括高程點(diǎn)、等高線及地貌特征線等，用圖層過濾器導(dǎo)入OpenRoads形成三維地形模型。對(duì)測(cè)量精度要求不高情況，OpenRoads目前也提供Esri、USGS、SRTM 3種形式的地形模型下載。在地質(zhì)分層不很復(fù)雜情況下，可以直接根據(jù)勘察鉆孔數(shù)據(jù)從 gINT 數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入 OpenRoads環(huán)境中生成各地層模型。

2.2 創(chuàng)建土木平面和縱面幾何元素

OpenRoads技術(shù)始于道路工程，是以線性模型為驅(qū)動(dòng)，基于線性設(shè)計(jì)理念，可以支持跨行業(yè)的BIM設(shè)計(jì)。流程中需要完成線路的平面曲線及豎曲線設(shè)計(jì)。水利工程一般采用交點(diǎn)法確定平面線路，如大壩的壩頂中心線、溢洪道的底板中心線、輸水管道的管道內(nèi)部中心線，平面確定后，可以同時(shí)在創(chuàng)建多個(gè)縱斷面視圖，進(jìn)行多個(gè)縱斷面設(shè)計(jì)，對(duì)不同的縱斷面方案進(jìn)行橫向比較[6]，如溢洪道采用不同的堰頂高程及泄槽坡度方案。

2.3 廊道設(shè)計(jì)

廊道是線性的不同于兩側(cè)基質(zhì)的狹長(zhǎng)單元，具有通道和阻隔的雙重作用，在交通工程中通常指路廊，可以引申到水利工程中某個(gè)具體的線性建筑。在平縱線形和橫斷面模板完成后，將橫斷面模板沿路線拉伸可以完成廊道模型，對(duì)廊道進(jìn)行橫斷面過渡、加寬設(shè)置，添加對(duì)應(yīng)的土木單元能完成整體三維建模[7]。橫斷面模板是OpenRoads設(shè)計(jì)的核心，這是區(qū)別于一般BIM軟件的特點(diǎn)。

橫斷面是由組件、末端條件組成的模板文件， 其中末端條件是一個(gè)特殊的開放形狀組件，設(shè)計(jì)邊坡均使用此組件。可根據(jù)外部影響(如平面和縱面控件和末端條件)創(chuàng)建模板的變化，結(jié)合輔助線，自動(dòng)采用不同類型的擋土墻。如溢洪道一般分為進(jìn)水渠段、控制段及泄槽段，根據(jù)溢洪道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以設(shè)置不同的溢洪道開挖橫斷面模板(如圖2～圖4所示)，廊道設(shè)計(jì)時(shí)把不同的模板設(shè)置到相應(yīng)的樁號(hào)。在顯示規(guī)則表達(dá)式中支持各種顯示條件進(jìn)行布爾組合。有挖方有填方模板需要建立挖方與填方的顯示規(guī)則，建立挖填過度組件，設(shè)置過度與挖填組件的特征覆蓋。指定末端條件嘗試求解的順序。不同溢洪道橫斷面模版中，頂部節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行命名重定義以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)墻頂?shù)倪B續(xù)銜接。

圖2 溢洪道控制段開挖模版示意

圖3 溢洪道進(jìn)水渠段開挖模版示意

圖4 溢洪道泄槽段開挖模版示意

2.4 切圖出圖及數(shù)字化交付

參考各專業(yè)模型，設(shè)計(jì)定稿后，OpenRoads可以根據(jù)樁號(hào)生成各專業(yè)所需的二維圖紙，與三維模型可以動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，在三維模型改變時(shí)，二維圖形能隨之自動(dòng)修改(見圖5)，提高出圖效率[8]。

圖5 道路及邊坡加固橫斷面切示意

3 新建水庫(kù)OpenRoads設(shè)計(jì)

3.1 土壩的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

大壩壩頂寬度保持7.0 m(含防浪墻)，于上游54.5 m高程處設(shè)一寬為7 m的平臺(tái)，該平臺(tái)以上采用粘土砌筑，坡比為1∶2.75，采用干砌石護(hù)坡，平臺(tái)以下采用堆石體砌筑，壩坡坡比為1∶1.5。下游壩坡分別在高程69.5 m、54.5 m處設(shè)置兩馬道平臺(tái)，平臺(tái)寬為3 m，馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝；高程54.5 m平臺(tái)以上采用草皮護(hù)坡 ，壩坡坡比均為1∶2.5。下游壩坡坡腳設(shè)排水棱體，排水棱體頂高程為54.5 m，頂寬為 3 m，外坡為1∶1.5，并于排水棱體頂部及底部分別設(shè)置排水溝。

由于土壩斷面較為單一，可以采用一個(gè)橫斷面模板完成。模型組件屬性可以定義為干砌石護(hù)坡、堆石體、路面、草皮護(hù)坡及排水溝等組件材質(zhì)，各組件增加材質(zhì)后，可直接使用工程量統(tǒng)計(jì)模塊。土壩使用的各種材料數(shù)量可快速得出，通過添加單價(jià)可以快速估算項(xiàng)目成本。在壩頭設(shè)計(jì)時(shí)，宜考慮設(shè)置約10 m的水平開挖末端條件，其優(yōu)先級(jí)也定為最高，可避免原地面坡度與大壩壩坡相近時(shí)出現(xiàn)設(shè)計(jì)坡頂過遠(yuǎn)。

在方案階段，分別采用土壩、重力壩和瀝青心墻壩進(jìn)行必選，由于重力壩壩段需要分縫，中間壩段是特殊的溢流壩，壩體內(nèi)部設(shè)有廊道等，適宜建立多個(gè)外輪廓橫斷面模板進(jìn)行組合進(jìn)行開挖邊坡設(shè)計(jì)，更精細(xì)的模型需要在OBD軟件制作再參考進(jìn)OpenRoads軟件；瀝青心墻壩與土壩類似，可采用一個(gè)橫斷面模板完成(見圖6)。

圖6 土壩三維模型示意

3.2 溢洪道及下游河道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

溢洪道進(jìn)口段長(zhǎng)為115 m，底寬為14 m，底板高程為74.0 m，翼墻頂高程為84.5 m，根據(jù)邊坡巖性，翼墻坡比為1∶1～1∶0.3，土質(zhì)邊坡采用貼坡式混凝土擋墻護(hù)坡，巖質(zhì)邊坡采用錨桿掛網(wǎng)噴C20砼護(hù)坡。閘室段長(zhǎng)為16.5 m。泄槽全長(zhǎng)為116.0 m，等寬均為14 m布置，泄槽底坡為1∶2.96，兩側(cè)岸坡采用貼坡式混凝土擋墻。溢洪道采用挑流消能，沖坑長(zhǎng)為102.5 m，末端以1∶4坡與河床銜接，出口河床高程為28.0 m(見圖7～圖8)。

圖7 溢洪道開挖模型示意

圖8 溢洪道控制閘室模型示意

首先溢洪道由進(jìn)口段、控制段、泄槽段和挑流消能段組成，各段需采用不同的橫斷面模板，處理好過渡段的銜接需要進(jìn)行特征定義覆蓋操作。其次溢洪道位于大壩左側(cè)，需要與大壩模型的銜接，根據(jù)施工工序，土壩模型是在溢洪道開挖模型與現(xiàn)狀地模剪切后的地模進(jìn)行。最后溢洪道控制段基礎(chǔ)開挖深為40 m，宜根據(jù)不同的地質(zhì)巖層地膜采用不同的坡比，需理清模板末端條件設(shè)置優(yōu)先級(jí)，自動(dòng)識(shí)別不同土層進(jìn)行的開挖設(shè)計(jì)，當(dāng)出現(xiàn)各土層模型穿插或缺失情況，需要對(duì)各組件規(guī)劃并按不同地層順序組裝不同的模板，最后合并到最終模板，并各組件模板給予不同的優(yōu)先級(jí)。

3.3 引水隧洞與取水塔的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

引水隧洞結(jié)合施工導(dǎo)流洞布置，隧洞進(jìn)口設(shè)水庫(kù)放空閘與導(dǎo)流隧洞結(jié)合，根據(jù)施工期導(dǎo)流要求，隧洞直徑為3.0 m，隧洞進(jìn)口高程為37.5 m，出口高程為 33 m，長(zhǎng)為329 m，斷面為圓形，洞徑為3.0 m，縱向底坡為1∶73，洞身段采用掛鋼筋網(wǎng)噴C20砼和現(xiàn)澆鋼筋砼復(fù)合式襯砌方式。為滿足引水、發(fā)電與放空要求，隧洞進(jìn)口設(shè)取水塔，取水塔布置2孔閘，引水閘孔底高程為48.0 m。啟閉機(jī)布置于啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，啟閉機(jī)平臺(tái)高程為97.50 m，檢修平臺(tái)高程為92.5 m。隧洞出口設(shè)1條直徑為0.8 m的發(fā)電引水鋼管、1條直徑為1.0 m的放空管，其中放空鋼管末端設(shè)錐形閥室，用于下泄生態(tài)基流、灌溉及放空。

取水口設(shè)計(jì)結(jié)合水庫(kù)岸坡山體地形地貌和地質(zhì)條件，采用明挖方式，并把開挖巖坎改造為施工期的擋水圍堰，取水口設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于復(fù)雜場(chǎng)地的開挖設(shè)計(jì)。以往類似實(shí)體開挖體需要在3D-model中通過三維建模功能實(shí)線[9]，不但要保證開挖體與地形模型相交，也要考慮地質(zhì)條件不同對(duì)各級(jí)坡比的影響。OpenRoads可以很方便實(shí)現(xiàn)上述功能：使用“智能線”繪制開挖體最底部輪廓，設(shè)定封閉的輪廓線的特種定義及高程后，應(yīng)用線模版直接形成開挖模型，線性模版中可根據(jù)不同地質(zhì)巖層設(shè)定不同坡比，各級(jí)馬道也同時(shí)形成。取水塔開挖模型示意見圖9，開挖地模參考取水塔模型示意見圖10。

圖9 取水塔開挖模型示意

圖10 取水塔模型示意

3.4 防汛道路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

庫(kù)區(qū)內(nèi)的人工邊坡主要為巖質(zhì)邊坡，少部分為土質(zhì)邊坡。庫(kù)區(qū)南岸采石場(chǎng)的人工邊坡坡高為20～50 m，局部50 m以上為陡崖，存在傾向坡外的不利楔形體，預(yù)計(jì)蓄水后存在坍塌、坍滑的可能性，一旦發(fā)生高速下滑失穩(wěn)引起涌浪，將對(duì)大壩安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。處理措施主要采用削坡形式，水下部分采用坡比為1∶2，水上部分采用1∶1.5(巖質(zhì))與1∶2(土質(zhì))。水下部分每10 m高設(shè)置一級(jí)馬道，水上部分每15 m高設(shè)置一級(jí)馬道，同時(shí)清除危巖。

為保證水庫(kù)防汛道路通暢，結(jié)合庫(kù)區(qū)岸坡穩(wěn)定處理的馬道基礎(chǔ)上修建防汛公路總長(zhǎng)為1.5 km，路面大部分高程為85.0 m。道路設(shè)計(jì)采用3級(jí)公路雙車道，標(biāo)準(zhǔn)為混凝土雙車道，路寬為6 m，路基寬度為7 m，在公路臨水庫(kù)的一側(cè)，每隔3 m布置高為0.6 m的砼警示墩。沿線經(jīng)過地段為采石場(chǎng)，地形陡峻，山梁與沖溝相間分布，溝谷發(fā)育，局部地段高差相差很大，設(shè)計(jì)期間，采石場(chǎng)地形不斷變化，線路多次調(diào)整。

高效率道路三維設(shè)計(jì)最理想的方法是定制包含各種設(shè)計(jì)情況的橫斷面，沿路中心線放樣與地形相交，挖、填方，擋土墻，電纜溝和邊坡等設(shè)計(jì)處處符合要求[10]。設(shè)計(jì)邊坡應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整，本防汛道路共采用了4種不同橫斷面以滿足復(fù)雜地形?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGD 20—2017)明確規(guī)定了視距要求，行車視距主要分為停車視距、會(huì)車視距和超車視距[11]。OpenRoads可以模擬車輛的實(shí)際駕駛環(huán)境，以計(jì)算從前方道路上看到的物體到駕駛員視點(diǎn)的最長(zhǎng)距離，即三維空間視距來(lái)判斷是否符合規(guī)范要求。防汛道路及高邊坡治理三維模型示意見圖11。

圖11 防汛道路及高邊坡治理三維模型示意

3.5 樞紐組裝要點(diǎn)

水利工程具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和綜合性[12]。各專業(yè)完成之后，在 OpenRoads 內(nèi)完成全專業(yè)模型組裝，通過統(tǒng)一坐標(biāo)系的建立，以項(xiàng)目模型參考的方式實(shí)現(xiàn)各類建筑物的無(wú)縫對(duì)接。模型對(duì)接完成后，進(jìn)行三維沖突分析，有效保證項(xiàng)目間的協(xié)調(diào)，改善水利工程中各階段與各部門的“信息孤島”現(xiàn)象[13],提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少后期建設(shè)階段面臨著頻繁、重復(fù)的方案調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

目前設(shè)計(jì)單位采用的BIM設(shè)計(jì)最多應(yīng)用是翻模，但BIM設(shè)計(jì)不僅是一場(chǎng)工具層面的技術(shù)革命， 也是設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)理念的革新，對(duì)比傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)更加高效、直觀，且工程量計(jì)算精確、快速。BIM正向設(shè)計(jì)是指在三維環(huán)境中直接設(shè)計(jì)。使用三維模型及其信息，自動(dòng)生成必要的圖形文件，模型信息數(shù)據(jù)一致，以后可以后續(xù)傳遞。本文以某新建水庫(kù)為例，基于OpenRoads技術(shù)的正向設(shè)計(jì)流程，總結(jié)水庫(kù)大壩、溢洪道及下游河道、引水隧洞與防汛路等主要水工建筑的正向設(shè)計(jì)所要注意要點(diǎn)，完成設(shè)計(jì)優(yōu)化、工程量計(jì)算、工程價(jià)格、圖紙繪制等一系列工作，提高設(shè)計(jì)完成率和精度，減少二維設(shè)計(jì)盲區(qū)，為后期模型服務(wù)建設(shè)提供可能性，同時(shí)說(shuō)明水庫(kù)工程中采用BIM正向設(shè)計(jì)是可行的。