BIM技術(shù)在綠水灣濕地公園項目中的應(yīng)用

徐海峰，胡 錦，包振東

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210022)

0 引 言

近年來，BIM技術(shù)正在交通、水利、市政等基礎(chǔ)工程領(lǐng)域快速普及推廣，尤其是國家、地方政府相關(guān)政策的出臺，更為BIM技術(shù)的廣泛、深度應(yīng)用創(chuàng)造了良好的發(fā)展環(huán)境。BIM技術(shù)為工程設(shè)計帶來標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、流程化的設(shè)計理念，打破了傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計模式下各專業(yè)相互獨(dú)立、信息脫節(jié)的狀況，突破了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計過程中因技術(shù)手段缺乏而帶來的種種限制，形成了以BIM模型為中心的信息化設(shè)計模式。同時，GIS、IT、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展也逐步將工程BIM技術(shù)應(yīng)用推向工程全生命周期，為工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工和運(yùn)營提供了一系列的技術(shù)支撐。

自長江大保護(hù)戰(zhàn)略實施以來，濱江水環(huán)境治理受到國家和地方政府的高度重視，將其作為水務(wù)行業(yè)發(fā)展的重中之重。但是濱江濕地的設(shè)計因為其復(fù)雜的地形和水動力條件問題，傳統(tǒng)設(shè)計往往在場地布置、淹沒分析以及水動力優(yōu)化上會遇到設(shè)計反復(fù)、驗證性差、效率低等諸多問題。文章以綠水灣濕地公園項目設(shè)計為例，在水環(huán)境工程設(shè)計中創(chuàng)新性地采用BIM協(xié)同設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)同一平臺下的協(xié)同設(shè)計流程，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了多項BIM技術(shù)應(yīng)用，可為同類工程開展BIM應(yīng)用提供參考和借鑒[1-3]。

1 項目概況

1.1 項目簡介

綠水灣濕地公園位于南京市江北新區(qū)長江岸線灘面，作為南京市九大城市客廳之一，既是江北新區(qū)重要的生態(tài)門戶，也是“江——城——山”空間關(guān)系中的重要界面。為踐行習(xí)總書記提出的長江大保護(hù)戰(zhàn)略，南京江北新區(qū)啟動長江岸線濕地保護(hù)與環(huán)境提升工程建設(shè)，岸線總長26km，綠水灣濕地公園建設(shè)列入三期工程，全長12km，占地面積15.82 km2。

該工程主要設(shè)計任務(wù)是退漁還濕、水系連通、水陸交通改造等，以實現(xiàn)健康多樣的生態(tài)環(huán)境，打造特色宜人的風(fēng)貌。在“最美的岸線、最近的未來”總體目標(biāo)下，實現(xiàn)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水安全、水文化“五水”統(tǒng)籌，打造成長江沿線首屈一指的 “長江洲灘型”國家城市濕地公園。項目整體效果如圖1所示。

1.2 項目特點(diǎn)與難點(diǎn)

綠水灣濕地公園項目是長江岸線建設(shè)三期工程的重點(diǎn)之一，同時因其特殊的地理位置，對項目的設(shè)計提出了較高的要求。工程項目范圍包括：勘察地質(zhì)模型、水工建筑模型及其相應(yīng)的機(jī)電設(shè)備模型和金屬結(jié)構(gòu)模型。工程勘察設(shè)計過程中有以下難點(diǎn)和特點(diǎn)：

1)本項目位于長江岸線灘面，占地面積大，基礎(chǔ)條件差，調(diào)查內(nèi)容多，傳統(tǒng)踏勘難以全面透徹的掌握現(xiàn)場情況。

2)濕地設(shè)計對場地布置、水動力、水質(zhì)、土方平衡等有較高要求，傳統(tǒng)模式的設(shè)計存在著工作效率低、驗證性差等諸多問題。

3)“江北生態(tài)門戶”的特殊區(qū)位對景觀風(fēng)貌要求高，需要與參建各方做到及時、有效的溝通。

圖1 綠水灣濕地公園整體效果

2 BIM技術(shù)在項目中的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在場地設(shè)計中的應(yīng)用

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對項目區(qū)域進(jìn)行全范圍覆蓋，采集地表數(shù)據(jù)。通過無人船和人工相結(jié)合的方式，對區(qū)域內(nèi)水下地形進(jìn)行測量。結(jié)合基于GIS軟件開發(fā)的坐標(biāo)點(diǎn)加密系統(tǒng)，運(yùn)用克里金算法，對水下現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，精確還原現(xiàn)狀水下地形。在同一坐標(biāo)系下，將DOM、DEM和處理過的水下地形數(shù)據(jù)相融合，還原項目真實場景模型。場地生成原理圖如圖2所示。

圖2 場地生成原理

將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D中生成現(xiàn)狀地形曲面，在現(xiàn)狀地形上疊加DOM，結(jié)合生境營造，合理設(shè)計水域的開合變化及洲、島、堤、橋的布局 ?；趫龅啬Ｐ?，可以快速剖切出設(shè)計水陸交通所需要的現(xiàn)狀斷面，分級構(gòu)建場內(nèi)道路、水路交通系統(tǒng)。

2.2 BIM正向協(xié)同設(shè)計

基于在Civil 3D中生成的設(shè)計曲面，利用Subassembly軟件進(jìn)行水網(wǎng)道路參數(shù)化設(shè)計建模。在設(shè)計曲面中進(jìn)行道路、河道放樣時，部件依據(jù)設(shè)定參數(shù)與設(shè)計斷面匹配融合，完成由概念設(shè)計至BIM模型的轉(zhuǎn)化?；赗evit軟件，將水工建筑物拆分成部件，分別創(chuàng)建參數(shù)化族，通過參數(shù)驅(qū)動模型尺寸、樣式的變化，快速建立水工模型。

為保障枯水期綠水灣濕地的生態(tài)水位要求，新建一座集行洪、蓄水和景觀功能于一體的蓄水閘。工程設(shè)計水工、電氣、金結(jié)等專業(yè)，為實現(xiàn)各專業(yè)高效溝通，基于Vault服務(wù)器部署項目協(xié)同工作平臺，進(jìn)行設(shè)計人員組織與權(quán)限分配，實現(xiàn)了各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。

Vault平臺在服務(wù)器中集中存儲所有工程設(shè)計數(shù)據(jù)和相關(guān)文檔，用戶可通過PC端或WEB端訪問文件，進(jìn)行查看和修改。各專業(yè)的成果按照各自專業(yè)的命名規(guī)則實時保存到Vault平臺上，并在平臺中進(jìn)行模型總裝，達(dá)到協(xié)同設(shè)計和實時更新實時共享的要求。Vault平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[4]。

圖3 Vault平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 水動力、水質(zhì)分析

該項目利用Civil 3D曲面疊加的方式來尋求不同水位高程對應(yīng)的水陸邊界，通過從設(shè)計曲面中提取點(diǎn)的方式，獲得用于MIKE 21分析軟件的地形數(shù)據(jù)。將點(diǎn)文件導(dǎo)入MIKE 21后根據(jù)項目范圍，設(shè)置邊界，生成三角網(wǎng)格。將城南河、七里河和長江作為開邊界，邊界水位及流量參照水文局監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時在模型中設(shè)置各類建筑物的位置、高程、流量等信息。模型邊界示意圖如圖4所示。

圖4 模型邊界示意圖

項目區(qū)內(nèi)的設(shè)計島嶼眾多，水網(wǎng)縱橫交錯，深槽淺灘密布，不同水位會產(chǎn)生不同水陸邊界，傳統(tǒng)水動力模型邊界處理工作量繁瑣且準(zhǔn)確性不高。利用Civil 3D曲面疊加的方式可快速準(zhǔn)確的獲得不同方案的地形、邊界數(shù)據(jù)。通過對水位、水深、流速、水質(zhì)的動態(tài)分析結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化航道路線、島嶼、垛田及涵閘建筑物的布置方案。MIKE 21水動力、水質(zhì)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 MIKE 21水動力、水質(zhì)分析結(jié)果

2.4 淹沒分析

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D中生成地形，通過高程分析，模擬水深變化，推演出淹沒情況。根據(jù)分析結(jié)果，劃分出旱生生境、半干半濕生境和濕生生境。在Mars軟件中加載傾斜攝影、BIM模型等數(shù)據(jù)，快速還原場景。根據(jù)生境類型、季相、色彩以及層次等因素，搭配合理的植物群落，在PC端進(jìn)行三維可視化種植，直觀展示景觀設(shè)計方案。不同水深下淹沒情況如圖6所示。

根據(jù)Civil 3D中淹沒分析結(jié)果，將綠水灣濕地公園按功能劃分為濕地保護(hù)示范區(qū)、濕地生境區(qū)和濕地先導(dǎo)區(qū)。濕地保護(hù)示范區(qū)內(nèi)旱生區(qū)集中，水路交錯，后續(xù)將增添公共、娛樂設(shè)施，為游客提供觀賞、游覽服務(wù)。濕地生境區(qū)中包含河道生境區(qū)、河灣生境區(qū)和淺水生境區(qū)等五個區(qū)域，區(qū)域中淹沒區(qū)與半淹沒區(qū)密集，濕地中河流底高程錯落，為確保行船時不受水深變化影響，根據(jù)淹沒分析結(jié)果，將濕生區(qū)受水位影響最小的聯(lián)通區(qū)域設(shè)計為游船、畫舫航道。綠水灣濕地公園作為長江流域重要的濕地區(qū)域，也是重要的水禽繁殖、越冬地，濕地生境區(qū)和濕地先導(dǎo)區(qū)中水生、濕生植物眾多，水面率高，為濕地內(nèi)生物提供豐富多樣的食物來源。綠水灣濕地公園區(qū)域劃分如圖7所示[5]。

2.5 土方平衡

完成場地布置后，在Civil 3D中以原始地形曲面為基準(zhǔn)曲面，設(shè)計地形曲面作為參照曲面，生成體積曲面，利用體積面板中的工具計算挖填方量及挖填方量的凈值。在綠水灣濕地公園項目中，采用分區(qū)域計算挖填方量的方式，通過調(diào)整各區(qū)域設(shè)計方案，最終達(dá)到項目總體土方平衡，降低施工難度和工程投資，優(yōu)化土方外運(yùn)。各區(qū)域土方量及總體土方量如圖8、圖9所示

圖6 不同水位下淹沒情況

圖7 綠水灣濕地公園區(qū)域劃分

圖8 各區(qū)域土方量

圖9 總體土方量

3 應(yīng)用成效

綠水灣濕地公園項目在勘察設(shè)計階段采用數(shù)字化測量技術(shù)，BIM、GIS、傾斜攝影的綜合應(yīng)用，有利于設(shè)計前期對現(xiàn)場情況的全面把握和分析，與業(yè)主的溝通也更加高效直觀。設(shè)計階段基于Vault部署協(xié)同設(shè)計平臺，使得各專業(yè)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，有效地提高了設(shè)計質(zhì)量和溝通效率。基于Revit平臺對標(biāo)準(zhǔn)化成果進(jìn)行集成開發(fā)的水利工程涵閘三維智能設(shè)計系統(tǒng)，使得設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量得到了大幅提高。水動力、結(jié)構(gòu)、場地設(shè)計分析軟件各不相同，綠水灣濕地公園項目打通各分析軟件與BIM模型的接口，使得設(shè)計方案的合理性得到了保證，做到了設(shè)計與分析實時交互。三維實景可視化的種植設(shè)計為景觀方案帶來了直觀高效的解決方案，與業(yè)主對接時，可模擬建成后的效果，還原業(yè)主真實空間感受，降低溝通過程中的信息衰減，減少匯報次數(shù)。

4 結(jié) 論

通過數(shù)字化技術(shù)在綠水灣濕地公園項目中的應(yīng)用，有效提高現(xiàn)場踏勘和前期對接的工作效率，減少了因方案調(diào)整帶來的設(shè)計工作量，采用多視角、多維度展現(xiàn)設(shè)計成果，為參建各方提供一個快捷、高效的溝通平臺。該項目的實施也探尋出一條河湖岸線類水環(huán)境項目的BIM應(yīng)用技術(shù)路線，對類似項目的實施具有參考意義。