BIM技術(shù)在水庫壩線選擇中的應(yīng)用

李佳 王云鶴

摘 要：建筑信息模型（BIM）是土木工程的新工具，其核心是建立虛擬的建筑工程三維模型，并利用數(shù)字化技術(shù)，為模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫。而CATIA軟件則是實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)成熟應(yīng)用的一種工程軟件。本文采用CATIA軟件作為本次19條壩線比選的BIM程序。相比傳統(tǒng)CAD平面制圖，BIM技術(shù)可以將地形圖、大壩形式等數(shù)據(jù)完全參數(shù)化，使壩線比選的整個(gè)工作流程具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點(diǎn)。在極大地節(jié)約繪圖時(shí)間的同時(shí)，這樣還使比選結(jié)論過程的模型更加直觀，比選最后的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。

關(guān)鍵詞：壩線比選;BIM;CATIA;重力壩

中圖分類號(hào)：TV632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）12-0058-04

Application of BIM Technology in the Selection of Reservoir Dam Lines

LI Jia WANG Yunhe

（Guizhou Zhongchengtianhe Water Conservancy Co.，Ltd.，Bijie Guizhou 551700）

Abstract： Building information modeling （BIM） is a new tool in civil engineering， its core is to establish a virtual three-dimensional model of construction engineering， and use digital technology to provide a complete construction engineering information database consistent with the actual situation for the model. CATIA software is a kind of engineering software that realizes the mature application of BIM technology. This paper uses CATIA software as the BIM program for the comparison and selection of 19 dam lines. Compared with traditional CAD plane drawing， BIM technology can completely parameterize topographic maps， dam types and other data， so that the entire workflow of dam line comparison and selection has the characteristics of visualization， coordination， and optimization. While greatly saving drawing time， it also makes the model of the comparison process more intuitive and more reliable than the final data.

Keywords： dam line comparison;BIM;CATIA;gravity dam

BIM技術(shù)是Autodesk公司在2002年率先提出的。BIM技術(shù)的核心是建立虛擬的建筑工程三維模型，并利用數(shù)字化技術(shù)，為模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫。它是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程等領(lǐng)域的新工具，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。本研究采用CATIA軟件作為本次19條壩線的三維模型構(gòu)建軟件，以便將CATIA軟件更好地應(yīng)用在BIM工程中[1]。

1 壩址基本情況

本工程位于貴州省錦屏縣，為新建水庫工程，目前正在建設(shè)中。水庫建壩河段屬低中山緩丘坡地地貌，上游下伏基巖為前震旦系板溪群隆里組第一段（Ptbnl1）淺灰、灰色變余砂巖夾粉砂質(zhì)板巖，下游河段基巖為前震旦系板溪群清水江組第三段（Ptbnq3）淺灰、灰綠色變質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)板巖，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。巖層為單斜構(gòu)造，巖層傾向SE，傾角為18°～43°，無滑坡、崩塌等不良地質(zhì)體分布，岸坡穩(wěn)定性較好。壩址選在馬背組居民區(qū)的上游210 m、火把山北方高程469 m處，該河段中間為四面環(huán)山的開闊臺(tái)地，是一個(gè)寬緩的盆腔，兩庫岸山體高大厚實(shí)，庫區(qū)地勢(shì)為東高西低，河曲發(fā)育，右岸坡較陡，左岸坡較緩。河谷左側(cè)存在高程在490～495 m的埡口，因正常蓄水位為502.00 m，所以該處必須修建副壩，副壩右岸坡較緩，左岸坡較陡。主壩庫盆兩邊為不對(duì)稱的U形峽谷，右岸覆蓋層較薄，左岸覆蓋層較厚。副壩庫盆兩邊為不對(duì)稱的U形峽谷，右岸覆蓋層較厚，左岸覆蓋層較薄。主副壩兩岸地形高程高于正常水位，兩壩間山體覆蓋層較厚，需要將主副壩連成一體?？傮w上看，庫區(qū)穩(wěn)定，庫盆較大，庫區(qū)征地較少，滿足建壩要求[2]。

2 比較壩線的選取

擬建壩址處地形較為復(fù)雜，所以存在多種壩線可能。本次壩線比選必須充分利用主副、壩間的山體來優(yōu)化工程投資?？紤]到壩右在推薦壩線河谷最窄，右岸山體向上、下游外擴(kuò)較為明顯，不存在以壩左為轉(zhuǎn)點(diǎn)扭轉(zhuǎn)的可能。本次比選采用壩線中、右兩個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)作為比較壩線方案。第一轉(zhuǎn)點(diǎn)選擇推薦壩線山體中點(diǎn)，基于壩址中點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)，分別沿順、逆時(shí)針方向以2°各旋轉(zhuǎn)5次，共得到10條壩線，然后進(jìn)行比較。第二轉(zhuǎn)點(diǎn)選擇推薦壩線右岸與壩頂高程505 m的相交點(diǎn)，基于壩址右轉(zhuǎn)點(diǎn)，分別沿著順、逆時(shí)針方向以2°旋轉(zhuǎn)4次，共得到8條壩線，然后進(jìn)行比較[3]。最終得到18條壩線（不包括推薦壩線），比較壩線平面布置如圖1所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

本次比選采用CATIA軟件建模，地形圖由測(cè)量文件導(dǎo)入生成，開挖面根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆勘情況確定平均開挖深度為10 m，采用重力壩壩型比選。其中，壩頂高程為505 m，壩頂寬為5 m，上游折坡點(diǎn)高程為476 m，壩坡坡度比為1.0∶0.1，下游壩坡坡度比為1.00∶0.75[4-5]。壩線比選特征如表1所示。

建模后，用生成的開挖面切割標(biāo)準(zhǔn)大壩體，人們就能夠得到各個(gè)壩線被開挖面切割后的真實(shí)體型，同時(shí)可以獲取大壩壩長(zhǎng)、開挖體積、大壩填筑體積等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，再根據(jù)概算專業(yè)提供的開挖單價(jià)（66.81元/m3）、填筑單價(jià)（530.13元/m3）進(jìn)行壩線預(yù)估比較。具體壩線布置如圖2、圖3所示。

建模后，研究人員發(fā)現(xiàn)，因壩右山體外擴(kuò)，N1～N5線壩長(zhǎng)已超出庫區(qū)封閉區(qū)域，無法形成封閉庫區(qū)，導(dǎo)致各項(xiàng)數(shù)據(jù)偏大，而其他壩線均可成庫。數(shù)值采用CATIA軟件測(cè)量項(xiàng)命令得出，具體成果如表2所示。

通過各壩線三維模型生成的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在壩址中轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的10條壩線中，因大壩壩體已超過右岸山體，使N1～N5壩線差值變化較大，而其他壩線差值變化較小且呈線性分布。由數(shù)據(jù)可以得出，無論是壩頂長(zhǎng)和開挖量，還是填筑量和投資估算，推薦壩線T都為壩址中轉(zhuǎn)點(diǎn)壩線中的最優(yōu)方案，差值最大為比較壩線S5，各項(xiàng)數(shù)據(jù)（壩頂長(zhǎng)、模型開挖量、模型填筑量、投資估算）相對(duì)差值分別為28.492 m、826.6 m3、1 521.7 m3和86.2萬元。由數(shù)據(jù)生成的壩址中轉(zhuǎn)點(diǎn)比較壩線簇狀柱形圖如圖4所示。

在壩址右轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的8條壩線中，因壩址右轉(zhuǎn)點(diǎn)離右岸較近，壩線差值變化不大。由推薦壩線T沿著順、逆時(shí)針偏移壩線時(shí)，通過觀察數(shù)據(jù)和模型對(duì)比，研究人員發(fā)現(xiàn)，左岸山體變化趨勢(shì)與壩址比較關(guān)鍵數(shù)值成正相關(guān)。因推薦壩線T左岸的上下游山體形態(tài)較為對(duì)稱，其比較數(shù)據(jù)也相對(duì)對(duì)稱。在壩址右轉(zhuǎn)點(diǎn)比較壩線中，推薦壩線T仍為最優(yōu)方案。其中，壩頂長(zhǎng)最大的為Z4方案（299.729 m），相較推薦方案長(zhǎng)41.73 m;開挖量最大的為Z4方案（33 397.329 m3），相較推薦方案多2 445.146 m3;填筑量最大為Y4方案（59 773.506 m3），相較推薦方案多4 101.09 m3;投資估算最大為Y4方案（3 390.57萬元），相較比較方案多232.42萬元。

通過壩址右轉(zhuǎn)點(diǎn)四項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比，壩頂長(zhǎng)、開挖量為壩線Y4較大，而填筑量和投資估算為壩線Z4較大。通過分析模型發(fā)現(xiàn)，其原因?yàn)椋簤尉€Z4相較壩線Y4山體外擴(kuò)幅度更大，導(dǎo)致壩線更長(zhǎng);壩線Z4相較壩線Y4途經(jīng)中部山體，長(zhǎng)度更長(zhǎng)，導(dǎo)致開挖量更大;因壩線Z4相較壩線Y4在壩左部分建基面高程大，導(dǎo)致填筑量較少;壩線Z4相較壩線Y4在開挖量上多198.7 m3（開挖單價(jià)為66.81元/m3），而在填筑量上少156 m3（填筑單價(jià)為530.13元/m3），導(dǎo)致壩線Z4相較壩線Y4少6.94萬元。由數(shù)據(jù)生成的壩址右轉(zhuǎn)點(diǎn)比較壩線簇狀柱形圖如圖5所示。

通過模型和數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，推薦壩線T為最優(yōu)壩線。目前，本項(xiàng)目正在施工中。其中，各壩段均已開挖完成，副壩澆筑過半，通過航拍圖能發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)與CATIA建模形成的形態(tài)差距不大，成果較為可靠。推薦壩體建模圖如圖6所示，建模與施工航拍對(duì)比照片如圖7所示。

3 結(jié)論

CATIA軟件可以以三維立體實(shí)物圖的形式展示大壩模型，也可以實(shí)現(xiàn)模型關(guān)鍵數(shù)據(jù)的參數(shù)化。本工程采用CATIA軟件建模，能直觀地反映出各個(gè)猜想壩線的形體形態(tài)，也能較為準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)比較，最終確定最優(yōu)壩線。目前，水利專業(yè)配套軟件較少，導(dǎo)致BIM技術(shù)發(fā)展較慢，但建筑、市政、綠化、園林等行業(yè)已從傳統(tǒng)繪圖轉(zhuǎn)向BIM設(shè)計(jì)。水利工程并非必須使用BIM技術(shù)，但BIM技術(shù)能很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水利工程的參數(shù)化、可視化、簡(jiǎn)單化。BIM技術(shù)也是水利工程發(fā)展的方向，它不僅僅可以用于展示，更重要的是，在工程設(shè)計(jì)和施工過程中，各個(gè)專業(yè)、參建單位都可以依據(jù)此模型進(jìn)行溝通、討論、優(yōu)化和決策，極大地提升了工作效率。

參考文獻(xiàn)：

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