基于BIM的截流水力計(jì)算及其算稿系統(tǒng)研發(fā)

劉雪晴，田福文，劉 全，蔣俠宇，簡(jiǎn)思彧

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072；2.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

截流是水利水電工程建設(shè)中的關(guān)鍵步驟，是水利水電施工設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)［1］。隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于施工截流方面的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，但截流水力計(jì)算的效率還較低，還存在直觀性差、交互性低、截流計(jì)算結(jié)果的分享困難等難題［2］。本文旨在將水利工程截流水力計(jì)算系統(tǒng)通過BIM進(jìn)行可視化交互［3］，以水電站的BIM 3D模型作為基礎(chǔ)，通過與截流計(jì)算所需的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)輸出和導(dǎo)入，建立每個(gè)水力參數(shù)立體化、可視化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在研發(fā)的截流水力計(jì)算程序的基礎(chǔ)上，計(jì)算具體方案的截流水力參數(shù)，進(jìn)一步生成標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算成果算稿。為工程設(shè)計(jì)人員提供便利，提高工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)效率。

1 基于BIM的截流水力計(jì)算系統(tǒng)框架

1.1 水電工程截流BIM功能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)參數(shù)輸入方式專業(yè)名詞多、專業(yè)性較高，不具備對(duì)計(jì)算參數(shù)處理的直觀性，重復(fù)且單一的信息輸入容易出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤，出現(xiàn)錯(cuò)誤也較難發(fā)現(xiàn)［4］。為了解決截流計(jì)算參數(shù)輸入直觀性問題，針對(duì)一般性的截流系統(tǒng)的天然河槽、已有工程建筑、截流戧堤等對(duì)象建立相應(yīng)的BIM模型［5］；將截流計(jì)算的各工程計(jì)算參數(shù)與BIM圖形對(duì)象之間建立關(guān)聯(lián)。將工程參數(shù)所蘊(yùn)含的工程意義與實(shí)際工程圖形一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工程參數(shù)的可視化采集［6］。通過可視化實(shí)現(xiàn)直觀性與易檢查性，同時(shí)避免設(shè)計(jì)交流過程中概念理解問題導(dǎo)致的采集錯(cuò)誤。

目前專用計(jì)算系統(tǒng)的BIM實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案根據(jù)模型來(lái)源可以分為基于BIM平臺(tái)的方案和基于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）平臺(tái)的方案兩類［7］。兩類平臺(tái)都可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)的工程模型的可視化，也可以與專業(yè)計(jì)算平臺(tái)鏈接，構(gòu)建基于BIM的水電工程截流水力計(jì)算算稿系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要說(shuō)明二者的技術(shù)差異。

1）基于BIM平臺(tái)的技術(shù)方案?；贏utoCAD Revit、Dassault CATIA、Bently Microstation等產(chǎn)品進(jìn)行截流建筑物建模。由于它們都是建模和可視化集成平臺(tái)，因此建模完成后，即可使用這些平臺(tái)的二次開發(fā)工具將截流建筑物模型與截流參數(shù)和截流計(jì)算系統(tǒng)掛接起來(lái)成為截流計(jì)算系統(tǒng)［8］。計(jì)算完成后也可以使用BIM平臺(tái)完成計(jì)算結(jié)果的可視化。同時(shí)應(yīng)該看到，由于BIM平臺(tái)專注于工程技術(shù)特性，一般BIM平臺(tái)在模型的精細(xì)度和專業(yè)性方面十分強(qiáng)大，但是在模型的可視化效果和場(chǎng)景環(huán)境真實(shí)性方面要弱些。

2）基于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）平臺(tái)的方案。VR平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于沉浸式可視化，一般需要使用3DSMAX、Rihno、Maya、AutoCAD等軟件建模后導(dǎo)入U(xiǎn)nity、Unreal、VRP等虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。使用3DS MAX、Rihno、Maya、AutoCAD等通用平臺(tái)進(jìn)行建模、模型處理、場(chǎng)景設(shè)計(jì)等功能，再將3DSMAX的模型導(dǎo)出到可視化平臺(tái)中，在VR平臺(tái)中進(jìn)一步的處理后發(fā)布。

考慮到設(shè)計(jì)銜接和行業(yè)易用性等，本文選擇基于BIM平臺(tái)的技術(shù)方案，基于BIM的截流水力計(jì)算可視化過程示意圖如圖1所示。

本文的BIM模型是通過在已經(jīng)建立的截流模型的基礎(chǔ)上，首先采集工程原始數(shù)據(jù)并將其寫入BIM模型，從而將模型按參數(shù)進(jìn)行更新。再導(dǎo)出截流計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，將其參與截流水力計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果參數(shù)再次導(dǎo)入BIM模型，直至完成截流計(jì)算，并導(dǎo)出。因此，主要步驟分為3個(gè)步驟。①建立壩區(qū)地形模型與截流建筑BIM模型。地形模型可通過DEM數(shù)據(jù)、等高線數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建。截流BIM模型僅考慮截流建筑物與泄流建筑物，包括戧堤和分流泄水建筑物。具體的建?？捎肅ivil3D等三維建模工具實(shí)現(xiàn)。②采集BIM數(shù)據(jù)并將其寫入BIM模型。截流設(shè)計(jì)時(shí)一般包括了大量的方案，計(jì)算前需要將相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)寫入BIM模型，為計(jì)算做準(zhǔn)備。也可以保存BIM模型，為以后重用計(jì)算模型所用。③基于BIM提取截流水力計(jì)算參數(shù)。通過高級(jí)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，訪問BIM模型提取截流水力計(jì)算參數(shù)。

1.2 水電工程截流水力計(jì)算算法研發(fā)

考慮到用戶的使用和算法的復(fù)雜度，本系統(tǒng)采用經(jīng)典水力學(xué)解算截流水力參數(shù)。一般的截流水力學(xué)計(jì)算模型采用水量平衡方程為基礎(chǔ)，計(jì)算龍口寬度與上游水位及下泄流量之間的關(guān)系。此外，本文的模型還考慮了河床的起伏變化和分流建筑物的巖坎對(duì)截流的影響。

針對(duì)河床的起伏問題，根據(jù)龍口寬度確定河床曲線計(jì)算范圍，計(jì)算得到河床過水面積、濕周等參數(shù)，利用平均高程計(jì)算龍口水力參數(shù)［9］。

針對(duì)分流建筑前的圍巖拆除不完整的情況，考慮巖坎對(duì)分流建筑泄漏能力的影響，計(jì)算分流建筑物的上游水位和下泄流量之間的關(guān)系［10］，用以計(jì)算和修正龍口水利參數(shù)。

在前述參數(shù)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，建立龍口寬度、分流建筑下泄流量、龍口水力參數(shù)和龍口泄量之間的關(guān)系，建立參數(shù)矩陣并通過對(duì)參數(shù)矩陣數(shù)據(jù)的比較求解截流水力參數(shù)［11］。經(jīng)典水力學(xué)方法計(jì)算截流水力參數(shù)的模型和討論已經(jīng)較為完善，本文不再累述。

1.3 截流水力計(jì)算自動(dòng)算稿研究

截流計(jì)算完成后，為了方便整理和審核計(jì)算結(jié)果，本系統(tǒng)還包括了算稿自動(dòng)生成功能。自動(dòng)選取、定位、導(dǎo)出截流水力計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，調(diào)整算稿格式并保存算稿文件，實(shí)現(xiàn)了截流水力計(jì)算算稿的智能化生成。

1.3.1 算稿模板的準(zhǔn)備

首先，通過分析多個(gè)工程截流的設(shè)計(jì)計(jì)算書文檔，提取和各工程截流計(jì)算書重用的內(nèi)容，建立截流計(jì)算算稿模板文檔，作為未來(lái)生成截流算稿的基礎(chǔ)［12］。算稿模板中根據(jù)工程變化的參數(shù)（如：工程名稱、截流流量等），將其中的參數(shù)所在位置以書簽標(biāo)注，方便計(jì)算機(jī)識(shí)別和替換，如圖2所示。

算稿輸出的具體步驟如圖3，包括：計(jì)算準(zhǔn)備（得到計(jì)算結(jié)果圖表及準(zhǔn)備算稿模板）、取得待導(dǎo)出水力參數(shù)數(shù)據(jù)、定位模板位置、輸出計(jì)算數(shù)據(jù)、調(diào)整數(shù)據(jù)格式等幾個(gè)主要部分組成。由于每個(gè)參數(shù)的參數(shù)類型、格式類型、導(dǎo)出方式、定位方式可能有所不同，通過逐個(gè)選取參數(shù)來(lái)建立算稿。

1.3.2 截流水力計(jì)算結(jié)果對(duì)象及其書簽約定

截流水力計(jì)算的結(jié)果可以分為數(shù)據(jù)、表格、圖檔等對(duì)象。其中，數(shù)據(jù)參數(shù)如表1；表格數(shù)據(jù)如表2；曲線圖檔如圖4。算稿生成系統(tǒng)的書簽位置約定針對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象稍有差異。對(duì)于文字，直接在文字所在部位添加書簽；對(duì)于表格，采用在表格標(biāo)題的末端添加書簽；對(duì)于圖片，采用在圖片名稱的上方換行一段以添加書簽。

表1 截流水力計(jì)算參數(shù)表

表2 截流水力參數(shù)解算矩陣表

1.3.3 導(dǎo)出數(shù)據(jù)和處理

前述手段導(dǎo)出的算稿已經(jīng)具備了基本的數(shù)據(jù)和圖表元素，但是與商用文檔要求還有一點(diǎn)距離。還需要進(jìn)一步對(duì)表格進(jìn)行格式處理，如添加表格線使之成為三線表格式；對(duì)長(zhǎng)表格進(jìn)行拆分處理；對(duì)跨頁(yè)表格設(shè)置表頭重復(fù)；設(shè)置表格行距，圖表居中等。

2 工程應(yīng)用案例

大藤峽水利樞紐二期工程截流采用單戧立堵進(jìn)占，下游河床高程20 m，戧堤頂部高程0 m，戧堤頂部寬20 m，戧堤兩側(cè)平均邊坡系數(shù)1.75，河寬280 m，合龍時(shí)間預(yù)計(jì)36 h。計(jì)算工況截流設(shè)計(jì)流量取為2 380 m3／s，巖坎高度取0.5m，將相關(guān)參數(shù)代入即可完成截流計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)一步計(jì)算得到龍口寬度、龍口流速、單寬流量、上下游水位差、單寬功率等主要截流水力參數(shù)的變化過程，導(dǎo)出成為截流計(jì)算算稿的效果如圖5所示。

表3 龍口計(jì)算成果表（部分）

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)河道截流施工設(shè)計(jì)水力計(jì)算的直觀性差、標(biāo)準(zhǔn)化低、計(jì)算結(jié)果分享困難等問題，本研究提出了基于BIM模型的截流水力參數(shù)計(jì)算模型和算稿生成技術(shù)。其中，基于截流BIM將截流施工中的主要建筑物與其參數(shù)綁定，實(shí)現(xiàn)了截流參數(shù)的可視化；利用BIM進(jìn)行計(jì)算參數(shù)管理，利用經(jīng)典水力學(xué)模型進(jìn)行截流參數(shù)計(jì)算；在歸納截流算稿共通內(nèi)容的基礎(chǔ)上，利用算稿模板生成截流水力計(jì)算算稿。本研究成果一方面加強(qiáng)了計(jì)算參數(shù)化的可視化，降低了計(jì)算工作的抽象性；另一方面增加了計(jì)算結(jié)果的規(guī)范性和通用性，能減少設(shè)計(jì)人員的工作量、縮短設(shè)計(jì)周期，在工程領(lǐng)域擁有較大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。