陳向東

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司云南分院，昆明 650000）

BIM （Building Information Modeling） 技 術(shù) 是Autodesk公司在2002年率先提出的。 歐特克平臺(tái)是建筑領(lǐng)域三大主流BIM平臺(tái)之一， 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展目前已經(jīng)有數(shù)款可以應(yīng)用到建筑工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的軟件。 其軟件平臺(tái)的應(yīng)用已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。就目前水利設(shè)計(jì)而言，BIM技術(shù)的應(yīng)用還處于普及的基礎(chǔ)階段。 水利樞紐工程體量大、設(shè)計(jì)專業(yè)廣泛、建筑物種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與地形結(jié)合緊密， 因此在充分借鑒建筑工程BIM技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，必須探索出適合水利樞紐工程的三維設(shè)計(jì)方式。 合理有效的水利BIM三維設(shè)計(jì)思路能夠幫助設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)勘察階段提高水利樞紐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。 與此同時(shí)水利BIM三維模型可使業(yè)主和評(píng)審專家在沉浸式的三維視頻中明晰設(shè)計(jì)方的設(shè)計(jì)意圖，全景展示設(shè)計(jì)思路，避免勘察設(shè)計(jì)階段的返工。

1 云南某山區(qū)水庫(kù)工程概況及BIM應(yīng)用思路

本山區(qū)水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水系統(tǒng)組成。 樞紐布置格局為主河床布置黏土心墻風(fēng)化料壩，左岸布置導(dǎo)流輸水系統(tǒng)（初期為導(dǎo)流洞），左岸布置表孔溢洪道。

本工程的BIM應(yīng)用思路如下：

（1）利用Revit對(duì)水庫(kù)樞紐的導(dǎo)流輸水系統(tǒng)、溢洪道進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，并且導(dǎo)入到Navisworks中進(jìn)行碰撞檢查和分析，及單個(gè)建筑物漫游動(dòng)畫(huà)的錄制。

（2）使用Civil3D對(duì)黏土心墻風(fēng)化料壩進(jìn)行建模，并對(duì)溢洪道、 導(dǎo)流輸水系統(tǒng)的進(jìn)出口段的開(kāi)挖進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)和建模。

（3）將在Revit中建立的導(dǎo)流輸水系統(tǒng)、溢洪道的模型建筑結(jié)構(gòu)模型和Civil3D中建立的大壩、 邊坡模型導(dǎo)入到Infraworks360中進(jìn)行整合和渲染。

2 利用歐特克BIM平臺(tái)建立水利樞紐的三維模型

2.1 利用Revit建立水利樞紐結(jié)構(gòu)模型

Revit是歐特克BIM平臺(tái)的結(jié)構(gòu)建模軟件， 擁有強(qiáng)大參數(shù)化建模能力， 其族庫(kù)可以把大量的族按照特性、參數(shù)等屬性分類歸檔建立完整的數(shù)據(jù)庫(kù)。各個(gè)水利項(xiàng)目之間有一定的共性但是各個(gè)構(gòu)件之間的可替代性并不強(qiáng)， 現(xiàn)有的Revit族庫(kù)沒(méi)有可以直接調(diào)用的水工構(gòu)件， 所以作為水利工程師必須自己建立水利工程的族庫(kù)。Revit有著豐富的族樣板，可以根據(jù)需要自己開(kāi)發(fā)水工族庫(kù)。

溢洪道工程基本參數(shù)： 溢洪道設(shè)計(jì)泄量48.9m3/s，校核泄量74.4m3/s，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段及消能防沖段組成，建筑物全長(zhǎng)283m（含進(jìn)水渠），進(jìn)口采用有閘控制的a型駝峰堰型式， 堰凈寬5m， 堰頂高程1797.50m。 溢洪道泄槽段由3段組成，分別為交通橋段、無(wú)壓隧洞段、明渠陡槽段，其中：交通橋段采用矩形槽斷面型式，由5.3m（高）×5m（寬）漸變至6.5m（高）×5m（寬），底坡1/10；無(wú)壓隧洞段斷面型式為城門(mén)洞型，長(zhǎng)79m，由5m（高）×5m（寬）漸變至4m（高）×4m（寬），底坡1/10；明渠陡槽段采用矩形槽斷面型式，長(zhǎng)110m，斷面尺寸4m（寬）×2.5m（高），底坡1/1.33。 末端消能方式采用消力池底流消能， 消力池長(zhǎng)26m，寬10m，池深1.7m。

溢洪道建模首先利用族功能自己建立混凝土構(gòu)件的基本族庫(kù)，將溢洪道的進(jìn)水渠、控制段、泄槽段及消能防沖段等混凝土結(jié)構(gòu)分段進(jìn)行建模。 打開(kāi)Revit的族樣板文件庫(kù)， 挑選適合水工建筑物異形建模的樣板格式， 常用的為公制結(jié)構(gòu)框架- 綜合體和桁架、公制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等樣式。 將事先準(zhǔn)備好的CAD草圖，以圖塊的形式整體導(dǎo)入Revit的族樣板文件，注意調(diào)整好坐標(biāo)和縮放比例。 對(duì)照著結(jié)構(gòu)圖立面、 平面圖，使用拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣等建模方法將水工結(jié)構(gòu)的三維模型構(gòu)建完成。其中進(jìn)水渠、控制段主要使用拉伸功能，斜槽段使用拉伸和空心放樣的功能，消力池使用實(shí)心放樣、拉伸功能。為方便在后續(xù)其他工程的溢洪道建模使用， 將各個(gè)結(jié)構(gòu)的主要特征尺寸和角度進(jìn)行參數(shù)化賦值， 并將其導(dǎo)出成可以用Excel打開(kāi)的CSV格式文件。 今后在其他項(xiàng)目的中可以通過(guò)編輯CSV表格的方法， 對(duì)水工模型的尺寸進(jìn)行直接編輯，省去了重復(fù)建模的工作量。 對(duì)進(jìn)水渠、控制段、 泄槽段及消能防沖段等結(jié)構(gòu)建模完成后分別保存在自己族庫(kù)文件夾中， 這樣一個(gè)基本的溢洪道族庫(kù)就基本完成了，以后隨著溢洪道種類的增多，族庫(kù)會(huì)越來(lái)越豐富。

圖1 溢洪道駝峰堰控制段

圖2 溢洪道調(diào)整段

圖3 溢洪道交通橋段

導(dǎo)流輸水系統(tǒng)基本參數(shù)： 導(dǎo)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量35.59m3/s，總長(zhǎng)567.20m。 導(dǎo)流系統(tǒng)由明渠專用段、控制段、無(wú)壓洞專用段、無(wú)壓洞共用段、陡槽段和消力池（含尾水渠）組成；其中明渠段長(zhǎng)119.20m，進(jìn)口位于壩軸線上游255.00m 岸坡腳， 進(jìn)口底板高程1740.00m；控制段長(zhǎng)4m，設(shè)1.8m×1.8m工作閘門(mén)一道；無(wú)壓洞段總長(zhǎng)363.00m（后段199.25m為共用段），城門(mén)洞型，斷面尺寸2.2m×2.5m，進(jìn)口底板高程1740.00m；陡槽和消力池段（含尾水渠）總長(zhǎng)81.0m。 導(dǎo)流輸水放空隧洞布置于大壩左岸山體內(nèi)， 輸水系統(tǒng)與導(dǎo)流系統(tǒng)通過(guò)“龍?zhí)ь^”的方式結(jié)合，導(dǎo)流洞采用無(wú)壓隧洞，輸水放空洞采用進(jìn)口設(shè)置有壓短洞的無(wú)壓隧洞，洞內(nèi)明鋪DN1200輸水放空管。 輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)引水流量2.17m3/s，總長(zhǎng)428.35m。 輸水放空洞進(jìn)口位于導(dǎo)流洞上方16m處，進(jìn)口高程為1760.40m，輸水放空隧洞由進(jìn)口豎井段、有壓隧洞段、檢修豎井段、鋼襯連接段、無(wú)壓隧洞共用段、出口閥室段等組成。其中進(jìn)口豎井段長(zhǎng)4.65m，為1.8m×1.5m的矩形豎井進(jìn)水口，進(jìn)水口高程1760.40m；有壓隧洞段長(zhǎng)60m，城門(mén)洞型，斷面尺寸1.5m×1.8m；檢修豎井段長(zhǎng)4.6m，設(shè)1.5m×1.5m檢修閘門(mén)一道； 鋼襯連接段長(zhǎng)101.4m， 為D=1.8m圓形斷面；無(wú)壓隧洞共用段177m，城門(mén)洞型，斷面尺寸2.2m×2.5m；出口閥室段長(zhǎng)7.5m，框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)分水閥。 輸水放空系統(tǒng)在檢修豎井閘室設(shè)方圓漸變直接接1.2m鋼管， 鋼管明鋪于無(wú)壓洞中， 輸水管0+350.75處設(shè)DN1200正三通，一岔為放空，一岔接入閥室。

導(dǎo)流輸水系統(tǒng)的建模方法與溢洪道的基本一致，不同的是導(dǎo)流輸水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)量更多，結(jié)構(gòu)樣式更復(fù)雜。 在使用族樣板文件進(jìn)行建模之前一定要理清思路，將輸水和導(dǎo)流隧洞的結(jié)構(gòu)分段劃分好。對(duì)引水明渠段、控制段、無(wú)壓洞專用段、無(wú)壓洞共用段、陡槽段和消力池（含尾水渠）等段分別選用合適的族樣板文件，單獨(dú)建模。需要注意的是在隧洞的洞室段進(jìn)行建模時(shí)一定要注意空心放樣的立面位置， 放樣路徑的設(shè)置。

圖4 隧洞進(jìn)口段

圖5 豎井基礎(chǔ)

圖6 豎井控制閘室

圖7 豎井閘室內(nèi)內(nèi)部二期混凝土

在溢洪道、導(dǎo)流輸水系統(tǒng)族庫(kù)文件建立完成后，新建Revit的結(jié)構(gòu)樣板文件將上一步中建立好的族文件全部導(dǎo)入。 在建模界面中布置平面軸網(wǎng)和標(biāo)高系統(tǒng)，將導(dǎo)入的族文件拼接成完整的水工建筑物。項(xiàng)目瀏覽器中可以查看各個(gè)建筑物的混凝土量、 各個(gè)剖面的結(jié)構(gòu)圖， 檢查完畢后將建立好的模型導(dǎo)出成FBX 格 式 和NWC 格 式， 以 便 導(dǎo) 入Infraworks360 和Navisworks中。

圖8 導(dǎo)流輸水系統(tǒng)和溢洪道的Revit聯(lián)合模型

2.2 利用Civil3D軟件進(jìn)行水利樞紐的場(chǎng)地平整和開(kāi)挖回填建模

大壩為黏土心墻風(fēng)化料壩，壩頂長(zhǎng)220m，最大壩高88.3m，壩頂寬度為10m。 壩頂高程1802.30m，壩頂上游側(cè)設(shè)L型C25鋼筋混凝土防浪墻， 防浪墻頂高程1803.50m，頂部高于壩頂1.2m。上游壩坡坡比為1：2.25，在高程1758.28m處與抬頭壩結(jié)合留10m寬平臺(tái)。下游壩坡坡比為1∶2.25， 分別在高程1780.00，1757.50m設(shè)2m寬戧臺(tái)，高程1735m以下設(shè)排水棱體，排水棱體頂寬5m，內(nèi)坡比1∶1.5，外坡比1∶2.25。上游壩面護(hù)坡在1758.28m高程以上采用20cm厚長(zhǎng)方形C20混凝土預(yù)制塊結(jié)合C20現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡； 以下采用砂礫石護(hù)坡。 下游壩面護(hù)坡均采用10cm厚長(zhǎng)方形C20混凝土預(yù)制塊護(hù)坡， 下游壩面設(shè)2m寬的C20混凝土上壩臺(tái)階。

Civil3D軟件具有強(qiáng)大的地形處理功能， 其強(qiáng)大的地形處理和分析功能能夠幫助水利設(shè)計(jì)工程師快速進(jìn)行水利樞紐的三維方案布置、 土方開(kāi)挖回填及計(jì)算。 另外Civil3D軟件還可對(duì)創(chuàng)建的三維地形曲面模型進(jìn)行智能編輯、視點(diǎn)漫游等。

具體操作如下： 首先建獲取原始地形數(shù)據(jù)包括等高線、高程點(diǎn)，設(shè)置其名稱，所在圖層、高程線顯示范圍、顯示樣式等，以此立樞紐場(chǎng)地的三維模型。 建立大壩的放線路線，導(dǎo)入準(zhǔn)備好的大壩剖面部件，利用道路建模的方法，生成大壩的三維模型。然后使用分析功能將大壩模型和樞紐場(chǎng)地模型進(jìn)行融合，生成完整的大壩開(kāi)挖的三維模型。 使用軟件自帶的對(duì)象查看器功能對(duì)地形、大壩的三維模型的合理性、準(zhǔn)確性進(jìn)行查看。對(duì)于溢洪道、隧洞進(jìn)出口使用類似的方法，首先利用cad的矢量線建立目標(biāo)模型，接著使用分析命令將目標(biāo)曲面和場(chǎng)地曲面進(jìn)行分析融合，生成開(kāi)挖曲面。 此外還可以對(duì)生成的三維模型進(jìn)行坡度坡度分析、匯水流域分析。將各個(gè)開(kāi)挖回填面分別以imx格式導(dǎo)出。 水庫(kù)的水域用pl線閉合導(dǎo)出成SDF格式。

圖9 大壩及邊坡開(kāi)挖模型

2.3 使用Navisworks軟件進(jìn)行單體建筑物的展示

Navisworks軟件可以實(shí)現(xiàn)模型實(shí)時(shí)的可視化，支持項(xiàng)目的漫游， 檢查核對(duì)復(fù)雜的三維模型以及其中包含的所有項(xiàng)目信息，并且生成視點(diǎn)動(dòng)畫(huà)，模擬施工過(guò)程，獲得非常好的可視效果。

導(dǎo)入nwc文件， 建立三維動(dòng)畫(huà)視點(diǎn)錄制視點(diǎn)動(dòng)畫(huà)，模擬施工進(jìn)程，錄制施工動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)360度無(wú)死角對(duì)水工混凝土模型進(jìn)行游覽。 還可以對(duì)各個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)之間是否碰撞進(jìn)行檢查。

圖10 Navisworks中進(jìn)行模型的漫游

2.4 使用Infraworks360軟件進(jìn)行水利建筑物集成的展示

Infraworks360是歐特克平臺(tái)的三維集成軟件。軟件操作門(mén)檻低，操作簡(jiǎn)捷易懂。擬真動(dòng)畫(huà)模擬逼真的渲染材質(zhì)，提供使用者自定義圖庫(kù)，讓模型豐富程度更高。 具體操作如下：

（1）導(dǎo)入imx格式的樞紐三維模型，導(dǎo)入sdf格式的水域邊界。 導(dǎo)入fbx格式的Revit水工模型，注意調(diào)整好角度坐標(biāo)系。

（2）施工道路可以直接在Infraworks360軟件中使用道路規(guī)劃功能進(jìn)行設(shè)計(jì)， 打開(kāi)道路縱斷可以直接檢查和調(diào)整。

（3）在九一衛(wèi)圖軟件上截取地形所在范圍的TIF格式的谷歌影像圖片， 利用Civil3D 插件工具RasterDesign賦予谷歌地球影像與原始地形數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系， 再將處理后的影像圖片導(dǎo)入Infraworks360，即可將谷歌地球影像與已經(jīng)導(dǎo)入的三維地形模型進(jìn)行準(zhǔn)確的合成。 若影像圖片精度足夠高，貼圖后的三維效果則越逼真，九一衛(wèi)圖軟件的會(huì)員級(jí)別越高，能夠下載的衛(wèi)星貼圖的數(shù)據(jù)越精確。

（4） 模型集成完整后對(duì)各個(gè)可視面進(jìn)行材質(zhì)賦予，已達(dá)到最好的視覺(jué)效果。

（5） 打開(kāi)Infraworks360軟件的動(dòng)畫(huà)錄制界面，設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)漫游路徑，調(diào)整好天氣、光照、云量。

圖11 Infraworks360軟件界面

3 利用視頻剪輯軟件進(jìn)行視頻素材渲染

將無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的視頻、Navisworks軟件導(dǎo)出的視頻、Infraworks360軟件導(dǎo)出的視頻、 配音的音頻導(dǎo)入會(huì)聲會(huì)影軟件中， 并且加上轉(zhuǎn)場(chǎng)字幕等特效最終導(dǎo)出完整的三維視頻。

4 結(jié)語(yǔ)

水利工程具有地形條件復(fù)雜、設(shè)計(jì)選型獨(dú)特、涉及專業(yè)廣等特點(diǎn)，又面臨著工程樞紐本身布置復(fù)雜、缺少族庫(kù)的問(wèn)題。本文簡(jiǎn)要介紹了利用BIM平臺(tái)進(jìn)行水利樞紐三維建模的方法和步驟， 為水利設(shè)計(jì)工程師在勘察設(shè)計(jì)前期應(yīng)用BIM技術(shù)提供了思路。借助歐特克的BIM平臺(tái)建立三維模型， 其成果可視化程度高、美觀、明了，且能夠?qū)⑼练介_(kāi)挖回填量，混凝土量實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員， 同時(shí)提高施工總布置三維設(shè)計(jì)工作效率和準(zhǔn)確性。 借助視頻剪輯軟件渲染三維視頻在項(xiàng)目匯報(bào)中呈現(xiàn)給業(yè)主和評(píng)審專家， 實(shí)現(xiàn)了業(yè)主、專家、設(shè)計(jì)方無(wú)障礙溝通，極大地提高了項(xiàng)目的推進(jìn)速度。