BIM技術(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用研究

管先祥，王翀

（長(zhǎng)江宜昌航道工程局，湖北 宜昌 443000）

依照工程屬性可以將內(nèi)河航道項(xiàng)目劃分到線性工程一類，這種工程的典型特點(diǎn)之一就是需要頻繁調(diào)整設(shè)計(jì)方案，在調(diào)整的過程中因循二維的設(shè)計(jì)方法，就會(huì)導(dǎo)致在計(jì)算的環(huán)節(jié)產(chǎn)生嚴(yán)重的失誤，基于此，本文主要探討在航道整治工程中，BIM 技術(shù)的應(yīng)用，分析在工程中應(yīng)用BIM 的具體技術(shù)，并以實(shí)際航道工程為例，探討B(tài)IM 技術(shù)在工程方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 航道整治工程BIM 應(yīng)用

BIM 技術(shù)的迅速發(fā)展受益于工程建設(shè)技術(shù)整體的進(jìn)步，在各項(xiàng)工程建設(shè)領(lǐng)域，都廣泛應(yīng)用BIM 技術(shù)，并且技術(shù)的應(yīng)用逐漸呈現(xiàn)出多樣化的態(tài)勢(shì)，比如，在應(yīng)用BIM 技術(shù)的過程中引入現(xiàn)代信息技術(shù)、分多個(gè)不同階段應(yīng)用BIM 技術(shù)以及從多個(gè)不同的角度入手應(yīng)用BIM 技術(shù)。在眾多的工程建設(shè)中，航道整治工程應(yīng)用BIM 技術(shù)的頻率相對(duì)較高，國內(nèi)眾多航道整治工程中都應(yīng)用到了該技術(shù)，其中長(zhǎng)江各游的航道基本上都應(yīng)用了BIM技術(shù)，在眾多的工程實(shí)踐中，BIM 技術(shù)的應(yīng)用被推動(dòng)至一個(gè)新的層次。

1.1 航道整治工程特點(diǎn)

在航道整治工程中應(yīng)用BIM技術(shù)主要是用來建模，航道河址的建模具有重要的意義，它是后續(xù)挖填土石方、筑壩、護(hù)岸以及整治建筑物時(shí)必不可少的工具。尤其是其中的整治建筑物環(huán)節(jié)，在航道兩側(cè)，建筑物的分布和排列大多呈狹長(zhǎng)狀，擁有廣大的占地面積，并且與航道本身有密切的關(guān)系。河道和地形的數(shù)據(jù)需要時(shí)常更新，在每一次更新工作完畢之后，原有的BIM 模型就不能繼續(xù)使用，必須重新建立BIM 技術(shù)模型，這必然會(huì)導(dǎo)致工作負(fù)荷的增加。

同時(shí)，航道整治的建筑物，就其形狀而言，表現(xiàn)出不規(guī)則的特性，在建筑物的各個(gè)部件之間，沒有十分明確的關(guān)系。在河道整治建筑物的布局上，地形因素將會(huì)產(chǎn)生較大的影響。河床地形處于不斷的變化中，這會(huì)影響整治建筑物的布局。因此，在航道整治工程中，應(yīng)用BIM 技術(shù)建模需要長(zhǎng)期進(jìn)行，不斷更新。

1.2 BIM 技術(shù)概述

BIM 技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間較晚，從2002年至今不過19年，但是該技術(shù)一經(jīng)問世，就在建筑領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，在建筑行業(yè)中，該技術(shù)可以集成建筑信息，可以貫穿建筑工程的全過程，建筑工程的全部信息都集中在一個(gè)三維模型的信息庫中，以該數(shù)據(jù)庫為核心，與建筑工程相關(guān)的各個(gè)主體可以協(xié)同開展工作，工作的效率顯著增加，彼此之間溝通將更為方便，以往產(chǎn)生的過多成本也可以節(jié)省。

在BIM 技術(shù)中，其核心是建模技術(shù)，也就是建立一個(gè)工程的虛擬三維模型，在這一過程中需要利用到數(shù)字技術(shù)，為模型的建立提供工程全部的數(shù)據(jù)，并建立起相應(yīng)的工程信息庫。在信息庫中，涵蓋有建筑工程的各方面信息，包括幾何信息、狀態(tài)信息等。建筑工程信息集成化的程度將在虛擬三維模型的幫助下顯著提升。同時(shí)，利用BIM 技術(shù)，建筑工程各主體也可以擁有一個(gè)平臺(tái)，用于共享和交換信息。

在BIM 技術(shù)中，典型的特征如下所示：BIM 技術(shù)可以應(yīng)用于建筑工程的全過程，包括前期的設(shè)計(jì)階段和后期的驗(yàn)收階段；利用BIM 技術(shù)可以完成數(shù)字化的設(shè)計(jì)工作；利用BIM 技術(shù)建立的數(shù)據(jù)庫處于動(dòng)態(tài)變化的過程中，相關(guān)單位應(yīng)當(dāng)定期或不定期更新數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)庫隨時(shí)可以應(yīng)用；利用BIM 技術(shù)可以建立一個(gè)平臺(tái)，將建筑工程各方聚集到一起，妥善協(xié)商各項(xiàng)事務(wù)；BIM技術(shù)同樣有標(biāo)準(zhǔn)，但是標(biāo)準(zhǔn)仍在確立的過程中。

1.3 BIM 應(yīng)用在航道整治工程中出現(xiàn)的問題

目前，BIM 技術(shù)平臺(tái)作為一種商品，在市場(chǎng)上有較高的熱度。但是這些BIM 平臺(tái)在最初研發(fā)的過程中并非專門針對(duì)航道整治工程，因此，在航道整治工程中不能直接將市場(chǎng)上的BIM 平臺(tái)拿來使用，需要配備相應(yīng)的工具，并且要遵循一定的使用方法，這就需要本地化的樣本文件以及相應(yīng)模型庫，但是這兩項(xiàng)工具都十分短缺。同時(shí)，航道整治工程不同于一般的建筑工程，因此，直接將其他工程中對(duì)BIM 技術(shù)應(yīng)用的方法照搬過來必然會(huì)產(chǎn)生水土不服的現(xiàn)象，延誤工程的進(jìn)行。為此，工程負(fù)責(zé)單位需要充分把握航道整治工程的特點(diǎn)，系統(tǒng)性研究該技術(shù)的使用，這樣才能發(fā)揮出BIM 技術(shù)的最大價(jià)值，充分服務(wù)于航道整治工程。

2 航道整治工程BIM 應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

2.1 以BIM 為基礎(chǔ)的多源測(cè)量數(shù)據(jù)集成技術(shù)

航道整治工程本身較為復(fù)雜，在工程中涉及護(hù)岸、筑壩以及護(hù)灘等多項(xiàng)內(nèi)容。在航道整治工程中必須從多個(gè)源頭測(cè)量數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)、點(diǎn)數(shù)據(jù)以及三維場(chǎng)景圖像等。在集成轉(zhuǎn)換的過程中，由于數(shù)據(jù)本身的形式不同，會(huì)直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，也就無法完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)更新處理，但是在BIM 技術(shù)應(yīng)用之后，上述的問題基本可以克服。

在研究航道整治工程中的BIM 技術(shù)應(yīng)用時(shí)，本文綜合考慮了大量的因素，并完成可測(cè)試和調(diào)查研究工作，最終選擇Autodesk 這一BIM 技術(shù)平臺(tái)。

地貌的紋理數(shù)據(jù)和骨架模型數(shù)據(jù)是三維地貌模型中兩個(gè)主要的部分，三維的地貌模型就是將一定空間中的地表元素使用三維方式表現(xiàn)出來。其中，在構(gòu)建地貌骨架模型的過程中，需要獲得地形高程數(shù)據(jù)的相關(guān)文件，以及地貌相應(yīng)的電子地形圖，同時(shí)，還要借助包括三維激光掃描技術(shù)以及航空攝影測(cè)量技術(shù)在內(nèi)的多項(xiàng)技術(shù)，完成外業(yè)的測(cè)量工作，之后要完成多源數(shù)據(jù)的整編工作，當(dāng)這項(xiàng)工作完成之后，就可以完成地貌骨架模型的構(gòu)建工作。

在構(gòu)建地貌紋理模型的過程中，同樣需要獲得相應(yīng)的地貌數(shù)據(jù)，包括地表形態(tài)、地形橫剖面和總剖面的數(shù)據(jù)。在獲取必要的紋理數(shù)據(jù)過程中，可以利用谷歌地球等多個(gè)平臺(tái)，也可以從DOM 文件中獲取數(shù)據(jù)，但是需要使用到DOM 文件。在建立地貌紋理模型的過程中，需要結(jié)合使用Infraworks 軟件，通過參數(shù)的設(shè)置，自動(dòng)化完成識(shí)別和配準(zhǔn)工作，為三維地貌紋理模型的建立做好最后一步。

2.2 整治建筑物建模技術(shù)

在建筑物整治的過程中，每一項(xiàng)環(huán)節(jié)都與河流地形之間存在密切的關(guān)系，包括筑壩、護(hù)岸和護(hù)灘等。在建筑物改造的過程中，標(biāo)高和形狀都各不相同，這是由于具體改造方案的以及工程所在區(qū)域的不同都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。河流上游不僅會(huì)帶來流水，也會(huì)攜帶大量的泥沙，尤其是河道周圍植被稀疏，這樣河流的地形就會(huì)長(zhǎng)期處于被侵蝕的狀態(tài)，也會(huì)沉積大量的泥沙，進(jìn)而導(dǎo)致河道地形也在不斷變化的過程中，因此，以往測(cè)量得到的數(shù)據(jù)需要隨時(shí)更新，河道地面的模型已經(jīng)整治建筑物的模型同樣需要更新。在這些模型更新的過程中，離不開整治建筑物建模技術(shù)的使用。

2.2.1 護(hù)灘和護(hù)底模型

在整治建筑物的過程中，護(hù)底和護(hù)灘兩項(xiàng)工作是重要的內(nèi)容，在這兩項(xiàng)工作中，主要的工作是排上和排邊拋石。在劃分軟體排的過程中，將劃分標(biāo)準(zhǔn)確定為壓載形式，可以劃分為多種軟體排，包括系結(jié)壓載、沙被、散拋壓載等。在表達(dá)三維軟體模型的過程中，可以使用三維實(shí)體對(duì)象與三維曲面。其中，三維曲面可以將排體的參數(shù)特性反映出來，并且十分精準(zhǔn)，同時(shí)，使用這些工具可以大大簡(jiǎn)化創(chuàng)建、修改和維護(hù)模型的過程。護(hù)底和護(hù)灘表達(dá)模型使用三維實(shí)體對(duì)象模式可以在顯示的過程中有效提升三維可視化的程度。在實(shí)際的河道整治工程中，要基于實(shí)際情況靈活運(yùn)用上述技術(shù)。此外，在創(chuàng)建排邊拋石模型的過程中，可以應(yīng)用Civil3D 軟件，模仿道路模型創(chuàng)建的方法即可。

2.2.2 筑壩結(jié)構(gòu)物模型

在河道整治工程的筑壩環(huán)節(jié)，需要建立筑壩結(jié)構(gòu)的模型，在模型中，主要包括三部分，其一是壩根、其二是壩身、其三是壩頭。在布置壩頭平面時(shí)要保證外形為平滑的曲線，同時(shí)，要控制河流邊坡的坡度，由于流水本身會(huì)對(duì)壩頭產(chǎn)生影響，因此，在設(shè)置壩根和壩身的過程中，要與壩頭保持距離。筑壩結(jié)構(gòu)物模型的下部曲面可以直接利用地形曲面，上曲面需要參照基準(zhǔn)線和放坡規(guī)律。

2.2.3 護(hù)岸模型

在河道整治工程中，護(hù)岸結(jié)構(gòu)主要為斜坡式的斷面，其中包括多個(gè)具體的結(jié)構(gòu)，比如，護(hù)腳護(hù)底以及水上和水下的護(hù)坡，其中水上的護(hù)坡最為關(guān)鍵，因?yàn)槠渲泻w了護(hù)面、護(hù)肩以及反濾層等多項(xiàng)結(jié)構(gòu)。各個(gè)部分結(jié)構(gòu)的具體組成和特點(diǎn)將會(huì)在護(hù)岸模型中顯示出來，在后續(xù)統(tǒng)計(jì)河道整治工程量、模擬施工的過程中離不開護(hù)岸模型。在建立護(hù)岸模型的過程中，可以參考建立壩體模型的過程，為了避免出現(xiàn)重復(fù)建模的情況，可以簡(jiǎn)化建模的整個(gè)過程。

2.2.4 模型更新

BIM 模型在建立之后并不是一勞永逸，需要更新，需要維護(hù)，尤其是地形數(shù)據(jù)被更新之后，或者設(shè)計(jì)方案被調(diào)整之后。同時(shí)，在河道整治工作中建立起來的模型具有參數(shù)化的特點(diǎn)，因此，在修改模型的過程中，必須相應(yīng)修改目標(biāo)參數(shù)，避免兩者之間產(chǎn)生差異，影響模型使用。

2.3 以BIM+GIS 為基礎(chǔ)的航道整治物維護(hù)管理技術(shù)

在航道整治工程中，BIM 技術(shù)得到越來與廣泛的應(yīng)用，尤其是當(dāng)下的航道工程維修工作，已經(jīng)與BIM 技術(shù)密切聯(lián)系在一起。在航道整治工作中，目前集成應(yīng)用了BIM 技術(shù)以及GIS 技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以大幅提升大型或者長(zhǎng)期的區(qū)域項(xiàng)目的管理能力。

BIM 技術(shù)主要應(yīng)用在單一的建筑中，而借助GIS 技術(shù)可以擴(kuò)展BIM 技術(shù)的應(yīng)用范圍，將其擴(kuò)展到航道整治這種區(qū)域性的工程項(xiàng)目上。在航道整治工程中，集成應(yīng)用這兩種技術(shù)，可以集成大型的模型與場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多管理，包括利用BIM 技術(shù)的精細(xì)化管理，以及GIS 技術(shù)的宏觀層面的管理。目前，大部分GIS 系統(tǒng)都有相應(yīng)的插件，用于支持BIM 模型，同時(shí)，在現(xiàn)有的BIM 平臺(tái)中，也有相應(yīng)的插件，可以支持GIS 平臺(tái)，在兩種技術(shù)的結(jié)合下，集成甚至可以達(dá)到數(shù)據(jù)級(jí)。GIS 平臺(tái)可以支撐海量的數(shù)據(jù)，在航道整治工程中可以將BIM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GIS 平臺(tái)中，方便工程的進(jìn)行。

3 工程案例

本航道整治工程在京杭大運(yùn)河與錢塘江的交匯處，該工程的特點(diǎn)包括：一、較長(zhǎng)的施工路線、二、較大的工程體量、三、較多的施工管理要求。為此，在該工程的施工中，應(yīng)用了BIM 技術(shù)。

3.1 工程中BIM 技術(shù)的方案

在搭建BIM 模型的過程中，需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)作為支撐，包括對(duì)工程地形的測(cè)圖數(shù)據(jù)以及前期設(shè)計(jì)階段的施工圖。在地形建模的過程中應(yīng)用了Civil3D 軟件，之后完成了河道整治工程BIM 模型數(shù)字資產(chǎn)的集成，詳見表1。

表1 BIM 技術(shù)方案

3.2 工程中BIM 技術(shù)的應(yīng)用

在該河道工程中，應(yīng)用的BIM技術(shù)主要分為兩部分，其一是應(yīng)用BIM 技術(shù)的模型，其二是BIM 技術(shù)作為平臺(tái)的集成應(yīng)用，詳見表2。在河道整治工程項(xiàng)目中應(yīng)用BIM 技術(shù)模型的主要作用在于精細(xì)化建模以及虛擬漫游，在BIM模型應(yīng)用的過程中要保證足夠的深度和廣度。關(guān)于BIM 技術(shù)作為一個(gè)平臺(tái)的集成應(yīng)用，首先應(yīng)當(dāng)將平臺(tái)搭建起來，之后完成包括空間、溫度和項(xiàng)目的管理工作，在河道整治工作中遇到的困難可以使用物聯(lián)網(wǎng)以及GIS 等技術(shù)解決。

表2 BIM 技術(shù)應(yīng)用

4 結(jié)束語

在河道整治工程中，BIM 技術(shù)的重要性無需贅言，通過BIM 技術(shù)，施工平臺(tái)可以得到有效管控，施工程序可以被自主研發(fā)，同時(shí)，在河道整治工程的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。此外，在河道整治工程中還可以應(yīng)用GIS 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)一步提升工程施工管理水平。