BIM技术在中小型堰塞水库建模中的应用

李 腾, 黄高翔, 卢 鑫, 阚 飞, 刘旭东

(1.四川省水利科学研究院, 四川成都 610072; 2. 四川省坝导水利科技有限公司, 四川成都 617000)

0 引言

BIM技术主要应用于建筑工程项目中[1],其中Autodesk Revit是应用最广泛的建模软件之一,可以精确地实现三维实体建模,同时基于三维实体模型完成高精度的工程量分析、计算和汇总工作,另外也可以生成常规的建筑平、立、剖面图等,为设计施工以及后期运维提供极大的便利[2]。Revit软件的设计思路较好,其中“族”很重要,几乎所有的设计都是通过新建族或者已有族来实现的[3],而非使用程序语言创建参数化构建,这样可以节省设计成本,缩短工程周期。目前 BIM 软件应用最多的还是房建项目[4],对房建上的常用结构(楼板、墙壁、柱)都进行了内置分类,方便用户选取。另外,Revit建模生成的平、立图可以完全对应,出图质量几乎不受人为影响,而CAD出图与设计者的水平有直接关系,很可能出现平、立面图多处不交接的情况。而且Revit具有强大的联动功能,平、立、剖面、明细表双向关联,一处修改,处处更新,自动避免低级错误,而且可以通过平铺视图来同时观察多个视图[5]。

基于BIM技术的诸多优点,将其运用到水利工程建设的设计、施工、运维等各阶段,可为项目管理人员提供直观的工程模型,改善传统的运作方式,有效解决“错、漏、碰、缺”问题,提高工程建设效率,合理缩短工期。同时在设计施工阶段,若将BIM技术与GIS等具有三维空间分析功能的软件相结合,可获得更优化、更环保的解决方法[6]。此外BIM技术可以基于二维图纸生成三维立体模型,在设计过程中时刻对比三维模型图和立面视图来修改参数,令设计过程更加简便,大大提高出图效率[3]。

但水利工程和建筑工程有较大差异[7],水工建筑体积庞大、结构复杂、超挖现象非常普遍,涵盖专业较多,地形地貌也没有规律可言,因此BIM技术无法完全适用于水利工程[8-9]。加之水利工程的市场份额远小于房建工程,同时因地形和环境的不同导致每个水利工程都有自己特殊的结构,异形结构较多,工程重复率较低,所以现阶段BIM技术在水利工程方面的研究较少,无法像房建工程一样有许多成熟且完善的族库,因此 BIM 软件针对水利工程进行专业的适配有待进一步研究[10]。

虽然BIM技术在水利工程领域的应用仍处于初级阶段,但应用前景极为广阔。近几年大量的水利科研院所进军BIM应用领域,高英[11]以“互联网+”的思维和BIM技术相结合,跨界开拓智慧水利的创新之路。蔡庆等[12]采用BIM正向设计,利用三维模型直观地表达水工建筑的结构及配筋布置,有效地提高了工作效率;同时结合GIS系统,可根据现场开挖情况动态更新设计方案,优化塔体两侧回填混凝土工程量。值得注意的是水利水电行业内 BIM 应用在不同地区、不同类型的工程中也表现出明显的不均,中小型泵站、水闸的 BIM 应用并不理想[13]。针对此种情况黄培志等[14]以深圳共和闸站运行现状资料为基础,开发BIM运维系统,提高工作效率。随着云计算、物联网、大数据、移动互联网等信息化技术的发展[15],智慧水务受到前所未有的重视,很多城市陆续开展智慧水务构建方案[16]和应用体系研究[17],以新信息技术应用促进管理精细化、智慧化,已成为新时期水务管理的趋势[18]。作为重要的新信息技术,BIM 已在提高水利水电工程建设现代化水平等方面发挥了重要作用[19]。但与此同时,信息化和智慧水务并不能一蹴而就,而是一个随着业务和技术变化不断滚动、更新、迭代的过程[20]。

我国西南地区水资源丰富且地势险峻,处于地震多发带,由多次地质、地震引发的崩塌,被天然堆石坝堰塞而成的堰塞湖较多,而基于堰塞湖改建成的中小型水库在西南地区较为普遍。尽管中小型泵站、水闸承担了最基础最重要的防洪、防潮、排涝、供水等功能,但由于规模小、数量多、位置分散等原因,现有的中小型闸站工程运维信息化程度普遍不高。总体上仍停留在以文字、二维图表、简单台账等形式留存、使用工程运维资料的状态,信息交互效率低。因此本文以堰塞湖改建的中小型水库为研究对象,针对目前BIM技术在水利工程项目中应用程度不高,族库不健全的现状,对中小型水库的信息模型建设进行探讨,分析此种水库BIM建模的技术特点,并开发适合此种类型水库的全新模型族库。同时本文应用BIM技术对闸室、涵管、消力池等常见的水工建筑进行参数化建模,为提高中小型堰塞水库信息化程度,实现中小型水库精细化、智慧化管理奠定基础。

1 BIM模型

1.1 进水闸闸室段建模

本文以某中小型堰塞水库为研究对象,该水库的进水闸闸室顺水流向长7.0 m,闸墩厚1.5 m,闸顶高程1 104.80 m,底板厚度为1.0 m,上、下游各设0.5 m深齿墙,设置一检修闸门和工作闸门。主要的建模思路有:

(1)闸室的底板与普通建筑的承台类似(图1),但承台底部的受力面积大,上部的受力面积小,与闸室的底板结构相反。因此无法直接应用Revit中“板”功能实现,只能通过新建族画出异形轮廓,再根据闸室的纵深进行拉长。

图1 进水闸闸室纵剖面结构

(2)中小型堰塞水库的设计挡水位高于泄流控制水位,为了避免闸门过高,该闸室为胸墙式水闸。胸墙与闸墩融合,由于两者结构与材质不同,因此需要分开建模。拾取闸墩一侧的轮廓进行拉伸,将实体镜像到另一侧即可完成闸墩的绘制。而胸墙内部包含钢筋,因此首先完成胸墙的结构建模;然后载入对应形状的钢筋族,修改钢筋的材质和颜色;接着设置交叉位置钢筋的限制即可完成胸墙的绘制(图2)。

(3)利用Revit中“墙”功能完成齿墙的建模,拾取齿墙一侧的轮廓进行拉伸即可。

(4)检修闸门和工作闸门通过空心拉伸,然后载入闸门槽族,在机电样板中插入闸门族即可(图3)。

(5)在整个闸室建模中最为复杂的反而是启闭机房的仿古门窗和屋顶,由于结构复杂,且没有相似的族,因此耗费较多的时间创建门窗和屋顶的族(图4)。而启闭机房的主体部分绘制较快,通过Revit中梁、板、柱、墙等功能可以快速完成启闭机房的建模,最后在机电样板中插入2台卷扬启闭机即可(图5)。

1.2 消力池段建模

消力池的结构相对简单,可分成底板和挡土墙两部分建模。底板可应用Revit中原有的“板”族完成,设置楼板的厚度和材质即可。而挡土墙可应用“墙”族功能实现,首先根据左侧视图进行轮廓绘制,再根据消力池整体的宽度和长度进行拉伸,设置挡土墙材质即可(图6)。

图6 消力池建模

消力池平面似砍刀形,左侧边墙顺直,右侧边墙呈喇叭口形。消力池北侧为直线挡土墙,应用Revit中原有的“墙”族进行轮廓勾勒拉伸建模即可。南侧为折线挡土墙,基于“墙”族分段进行拉伸建模(图7)。

图7 消力池折线翼墙

1.3 放水涵管建模

放水涵管段由护岸、护底和涵管3个部分组成,管径为1.5 m,全长208.35 m,其中前70 m为坝下埋管,之后为坝后明管。护岸通过勾勒梯形轮廓再进行拉伸来实现主体的创建;而护底通过“板”族进行厚度和材质的设置;护坡延伸至坝基表面,与坝基表面接触,可以利用Revit自带的“裁剪”功能(图8)。

图8 放水涵管建模

1.4 南、北干渠取水闸室建模

取水闸与进水闸相比,结构更简单,规模更小。利用“板”“墙”“柱”等族功能,识别对称线,经过拉伸后形成取水闸主体,在绘制轮廓时要提前预留门槽空间(图9)。同样虽然水利工程结构复杂,涉及多专业,但在本次建模时耗费时间较多的是六角重檐亭的仿古屋顶(图10)。为了追求极致逼真,还原实际水闸,在整个建模过程中对不同材料的颜色进行反复尝试,仍然很难获得无人机实景三维的效果。同样虽然无人机实景三维建模效果逼真[21],还原程度高,但也无法实现Revit三维建模的协调性、结构优化、快速出量、现场模拟预测等功能。

图9 南、北干渠取水闸室建模

图10 六角重檐亭建模

2 总结

本文以中小型堰塞水库为研究对象,应用Revit软件创建了三维结构模型,分析Revit建模的技术特点,阐述了中小型水工建筑的建模方法,为BIM技术在水利工程中的应用提供一定的参考。虽然水利工程结构复杂,涉及专业较多,BIM技术在水利工程中的应用还存在磨合期,但是通过本工程的展示可以看出将复杂工程根据其特点进行拆分仍然可行。另外虽然Revit三维建模不如无人机实景三维建模效果逼真,但其独有的优点(协调性、结构优化、快速出量、现场模拟预测等功能)也使得Revit三维建模具有广阔的市场前景。