張 明

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 520002）

0 引 言

雙曲拱壩是一種依托科學(xué)設(shè)計(jì)，巧妙將大部分水平荷載向兩岸邊坡傳遞，從而提升壩體結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的復(fù)雜壩型，整體可以看作是一個(gè)水平斷面、豎直斷面同時(shí)向上游彎曲的三維曲面殼體，基于該種壩型的優(yōu)勢(shì)，雖然建設(shè)工藝較為復(fù)雜，但工程數(shù)量也在不斷提升，尤其是高山峽谷等復(fù)雜地形中，雙曲拱壩更為常見(jiàn)。但雙曲拱壩施工難度較大，想要保證工程順利完成，科學(xué)設(shè)計(jì)是前提，隨著現(xiàn)代化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，模擬仿真的應(yīng)用，為直觀、三維了解工程設(shè)計(jì)和工程量等信息提供支持，而模擬仿真的關(guān)鍵是精確建模，因此在此領(lǐng)域進(jìn)行研究探討具有實(shí)際意義。

1 研究案例闡述

1.1 工程信息闡述

貴州省的都勻大河水庫(kù)壩位于都勻市的大河村，水庫(kù)控制流域面積174.5km2，總庫(kù)容4376 萬(wàn)m3，最大壩高105m。該工程主要職能是為周圍區(qū)域供水，預(yù)期供水量達(dá)到6438 萬(wàn)m3，負(fù)責(zé)滿足都勻經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)供水需求以及輸水線路沿線村落的灌溉需求和民眾日常生活用水需求。工程分為大壩樞紐和供水工程兩部分，其中部分工程采用雙曲拱壩類型進(jìn)行建設(shè)。主要建設(shè)項(xiàng)目包括碾壓混凝土雙曲拱壩、壩頂自由溢流表孔、放空底孔、供水取水口、供水干管及灌區(qū)支管、泵站修建等。

1.2 工程特點(diǎn)闡述

大河水庫(kù)河床寬 38m，河床高程為 811.20m，谷口寬 200m，河谷寬高比為2.5～2.9，呈不完全對(duì)稱的寬 “V”形河谷。壩址河段為峽谷地形，河流流向整 體上呈“M”形。左岸為凸岸，地形坡度30°～50°，岸坡多為崩塌堆積，沖 溝切割淺，近岸山頂高程 1060m。右岸凹岸地形坡度 45°～60°，岸坡上游為 崩塌堆積，下游基巖裸露，河彎段 910m高程以上為陡崖。壩頂以上有 40～80m 的高邊坡，邊坡開(kāi)挖高達(dá) 150～190m。

2 BIM 技術(shù)在雙曲拱壩建模中的應(yīng)用

2.1 軟件介紹

本工程由貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，從該區(qū)域地質(zhì)條件、氣候因素、水文條件、成本及生態(tài)環(huán)境等多個(gè)角度進(jìn)行思考，為了保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性，成立專業(yè)的BIM 技術(shù)小組，從組織層面、計(jì)劃層面、操作層面和總結(jié)層面四個(gè)方面入手，助推企業(yè)持續(xù)化發(fā)展。公司在進(jìn)行都勻大河水庫(kù)壩設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)，應(yīng)用如Bigemap、ArcGIS、華創(chuàng)三維地質(zhì)、Geopak、MS、ABD、Navigator、Projectwise、Lumion9.0、Fortran 語(yǔ)言、 試用版 Synchro-4D、Soildworks、華創(chuàng)三維配筋軟件、 二維碼、無(wú)人機(jī)航拍、720 云全景信息鏈接、信息化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控及砂盤模型等軟件系統(tǒng)進(jìn)行雙曲拱壩建模，系統(tǒng)化分析設(shè)計(jì)可行性。

2.2 項(xiàng)目具體應(yīng)用

結(jié)合BIM 技術(shù)特點(diǎn)和雙曲拱壩特點(diǎn)，在應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行建模時(shí)，重點(diǎn)工序包括7 部分，分別是地形處理，生成曲面；計(jì)算開(kāi)挖土方量；導(dǎo)出開(kāi)挖之后地形點(diǎn)數(shù)據(jù)；基于數(shù)據(jù)構(gòu)建拱壩模型；導(dǎo)入開(kāi)挖之后地形數(shù)據(jù)；將構(gòu)建的模型和數(shù)據(jù)結(jié)合及最后導(dǎo)入工程量及位置信息等數(shù)據(jù)模型，科學(xué)落實(shí)上述7 個(gè)部分，可以最大限度發(fā)揮BIM 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保證雙曲拱壩建模具有可行性。

2.2.1 原始地形處理，生成地形曲面

由于招標(biāo)文件中提供相關(guān)信息過(guò)于籠統(tǒng)，且給予的地形圖不夠完善具體，存在一定的干擾因素，例如地形圖中存在的結(jié)構(gòu)線和輪廓線等，會(huì)對(duì)后續(xù)的土方開(kāi)挖產(chǎn)生干擾，因此，在施工之前，需要對(duì)原始地形圖進(jìn)行處理，然后利用軟件導(dǎo)出處理之后的地形圖，確定原始地形點(diǎn)，最后以地形點(diǎn)為依據(jù)，利用軟件重新畫(huà)出地形曲面，為工程施工提供指引。利用軟件和信息化系統(tǒng)完成地形曲面創(chuàng)建之后，借助系統(tǒng)軟件的智能化功能，對(duì)三維地形進(jìn)行全方位審視，確保整體科學(xué)合理，如果發(fā)現(xiàn)存在異常點(diǎn)需要進(jìn)行修正，只有確保所有數(shù)據(jù)正確才能投入使用[1]。

2.2.2 放坡生成開(kāi)挖區(qū)域，計(jì)算開(kāi)挖土量

依據(jù)新建的地形曲面進(jìn)行放坡開(kāi)挖工作，并科學(xué)計(jì)算工程需要開(kāi)挖土方量。當(dāng)前有多種軟件可以完成此項(xiàng)操作，例如Civil 3D 及試用版 Synchro-4D等，文章以試用版 Synchro-4D 軟件為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮軟件功能優(yōu)勢(shì)，依據(jù)擬定的坡比設(shè)置坡度和坡腳線，然后圍繞各限定條件形成完成開(kāi)挖之后的地形曲面，同時(shí)可以依據(jù)前后地形曲面，自動(dòng)計(jì)算工程開(kāi)挖量和回填量。 軟件中可以包含多種放坡工具，在選用時(shí)應(yīng)依據(jù)具體需求進(jìn)行取舍。本次工程采用放坡到相對(duì)高程的放坡方法進(jìn)行建模分析，首先繪制雙曲拱壩壩基開(kāi)挖輪廓線，并以此為基礎(chǔ)確定底部高程，依據(jù)現(xiàn)用的放坡方法進(jìn)行選擇，然后在形成的地形曲面中選擇放坡的輪廓，確定開(kāi)挖后的地形曲面，最后新建三角網(wǎng)體積曲面，科學(xué)對(duì)構(gòu)建的多個(gè)曲面進(jìn)行標(biāo)簽設(shè)定，并設(shè)置松散系數(shù)和壓實(shí)系數(shù)，可得到本次工程開(kāi)挖和填方所需工程量。

2.2.3 導(dǎo)出開(kāi)挖后地形點(diǎn)數(shù)據(jù)

為了確保構(gòu)建的雙曲拱壩模型科學(xué)合理，需要確定拱壩壩頂中軸線中點(diǎn)位置，并應(yīng)用大地坐標(biāo)系作為地形圖坐標(biāo)系，但需要注意，建模之后需要確保地形圖原點(diǎn)與拱壩原地保持一致。

2.2.4 建立雙曲拱壩模型

利用軟件系統(tǒng)建立雙曲拱壩模型時(shí)，常用的曲線方程有3 種，分別是幾何系數(shù)插值方程、拱圈中心線參數(shù)方程及拱圈厚度參數(shù)方程。在構(gòu)建模型時(shí)，需要利用幾何系數(shù)插值方程確保拱壩基本參數(shù)，然后以確定的參數(shù)等為依據(jù)，確定各高程拱圈中心線，最后以拱圈厚度參數(shù)為依據(jù)，確定上下游曲線，并形成完整的工程實(shí)體模型[2]。

建立拱壩模型需要確定方程中涉及的各項(xiàng)參數(shù)定義，本工程研究中采用集合系數(shù)插值方程為基礎(chǔ)，方程表示公式如下：

在進(jìn)行建模時(shí)，確定壩頂為左邊原點(diǎn)，方向鉛質(zhì)向下。Rl為拱冠處左半拱曲率半徑；Rr為拱冠處右半拱曲率半徑；B為拱冠梁中心線的y坐標(biāo)其中拱圈中心線參數(shù)方程分別用如下公式進(jìn)行表示：

除此之外，還需要確定拱圈厚度參數(shù)方程，其中該部分也按照左右方向分為兩部分，用Tc代表拱端厚度；Tl代表左拱端厚度；Tr代表右拱端厚度，S表示某一點(diǎn)到拱壩中心線的弧長(zhǎng)；Sl代表左半拱弧長(zhǎng)；SR代表右半拱弧長(zhǎng)，用如下公式所示：

圍繞上述5 個(gè)公式，可以充分了解拱圈相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而得出通過(guò)系統(tǒng)性計(jì)算，確定雙曲拱壩上下游曲線，為整體工程實(shí)體模型建構(gòu)提供依據(jù)。

2.2.5 導(dǎo)入開(kāi)挖后的地形數(shù)據(jù)

本次模型建構(gòu)所用軟件以細(xì)小的三角網(wǎng)絡(luò)組成地形，因此，觀看到的圖像并不是完整的曲面，但由于軟件存在的局限性，為了更為直觀保證建構(gòu)的模型充分表現(xiàn)地形實(shí)體結(jié)構(gòu)，需要自定義設(shè)置節(jié)點(diǎn)，然后以節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)確保地形形成完整曲面，此時(shí)導(dǎo)入開(kāi)挖后的地形數(shù)據(jù)是關(guān)鍵，是確保構(gòu)建的完整曲面科學(xué)的依據(jù)[3]。

2.2.6 構(gòu)建的模型與地形數(shù)據(jù)結(jié)合分析

用地形網(wǎng)格曲面對(duì)構(gòu)建的拱壩模型進(jìn)行切割，確保多余的部分徹底去除，例如拱壩開(kāi)挖地形之外的部分是關(guān)注重點(diǎn)。

2.2.7 導(dǎo)出工程量及位置等數(shù)據(jù)模型

結(jié)合上述幾點(diǎn)的計(jì)算和分析，利用軟件和公式等，按照拱壩工程整體規(guī)模，分層進(jìn)行工程量計(jì)算，并將計(jì)算的工程量和位置等信息數(shù)據(jù)模型導(dǎo)出，作為施工的參考。

3 應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)大河水庫(kù)壩利用BIM 技術(shù)進(jìn)行建模分析，可得出BIM 技術(shù)在雙曲拱壩建模中應(yīng)用具有可行性。研究過(guò)程中，通過(guò)分析應(yīng)用的軟件和信息化系統(tǒng)，從原始地形曲面創(chuàng)建、放坡開(kāi)挖、自動(dòng)化計(jì)算挖土方量和填方量等3 個(gè)方向進(jìn)行思考，最終構(gòu)建出完整的雙曲拱壩模型。

通過(guò)本次研究可知，在雙曲拱壩建模中應(yīng)用BIM 技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）雙曲拱壩多為大中型工程，其在施工建設(shè)過(guò)程中會(huì)涉及大量的土石方施工，利用傳統(tǒng)的三維建模方式進(jìn)行計(jì)算，不僅耗費(fèi)時(shí)間和人力，還存在精確度不足的問(wèn)題，而利用BIM 技術(shù)之后，整體效率顯著提升，同時(shí)耗費(fèi)時(shí)間大幅度縮減，很多計(jì)算步驟由先進(jìn)設(shè)備代勞，使得結(jié)果精確度和準(zhǔn)確度大幅度提升。

2）在建模中應(yīng)用BIM 技術(shù)軟件，提升建模的容錯(cuò)率，由于該種建模方式將工程信息轉(zhuǎn)化為多個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)一定的邏輯將節(jié)點(diǎn)組合，在算法等限定下形成模型，具備更強(qiáng)的靈活性，便于在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)進(jìn)行修改。同時(shí)，修改時(shí)無(wú)需整體調(diào)整，只需要修改相關(guān)參數(shù)，便可以在軟件支持下快速完整拱壩模型自動(dòng)化創(chuàng)建，可顯著提升效率[4]。

3）應(yīng)用BIM 技術(shù)相關(guān)軟件之后，可將該類型軟件看作一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)化采集和查詢，此時(shí)在構(gòu)建模型時(shí)，可以更為靈活利用“數(shù)據(jù)庫(kù)”功能，實(shí)現(xiàn)工程坐標(biāo)復(fù)核、后期檢查等，且該類型軟件具有良好的對(duì)外通信渠道，可以實(shí)現(xiàn)多軟件和系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接、信息實(shí)時(shí)共享，在進(jìn)行模型及相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳遞等過(guò)程中，可降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所示，文章結(jié)合實(shí)際情況，圍繞貴州省大河水庫(kù)壩工程相關(guān)信息，探究BIM 技術(shù)在雙曲拱壩建模中的具體應(yīng)用和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，通過(guò)系統(tǒng)性梳理，該技術(shù)具有可行性，可助力工程設(shè)計(jì)方更為全面了解拱壩放坡挖土方量和填土方量，并通過(guò)系統(tǒng)性梳理計(jì)算得出各項(xiàng)參數(shù)，助力工程施工建設(shè)，通過(guò)文章的研究，可為我國(guó)雙曲拱壩建模發(fā)展優(yōu)化提供更多借鑒。