基于BIM技術的可視化水利工程設計仿真

李敏

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

基于BIM技術的可視化水利工程設計仿真

李敏

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

水利工程是一項建筑、能源、地質、水文、生態等多專業交叉應用的復雜項目，因此在水利工程的設計過程中，需要進行多方面的信息溝通與共享，尤其是工程技術與施工管理之間的協調。傳統的水利工程設計基于CAD技術，不利于信息共享，且難以與成本、進度等項目管理對接。BIM技術是新興的集成了3D建模+4D施工組織設計管理的建筑信息建模系統，相比傳統CAD具有可視化、時序化、集成化的仿真模擬效果。本文首先介紹BIM技術的基本構架，進而分析BIM技術的具體仿真應用及注意要點。

BIM技術；水利工程；可視化；設計仿真

引言

傳統的水利工程設計以CAD為主，在工程設計上，主要的參與者是設計與施工的專業技術人員，工程設計方案的主要形式是二維CAD的工程圖。二維CAD工程圖的識圖需要一定的專業技術基礎，參與水利工程設計施工的其他人員往往難以直觀地了解與熟悉具體的工程方案，不利于工程信息的交換與共享。BIM技術是近年來逐漸興起的一種新的可視化三維設計技術，集成了CAD建模、項目進度管理、施工過程、物業維護等多種功能，能夠實現技術信息與成本信息的共享與管理。

1BIM技術介紹

1.1BIM技術的起源

BIM即Bui1dingInformationMode1ing（建筑信息建模），最早是在20世紀70年代由美國的建筑與計算機領域的研究者提出的。其基本構想是：將建筑工程的所有幾何模型信息、構件與設備性能信息、施工信息、環境信息等，整個建筑工程項目全生命周期內的所有信息整合到一個模型中，使得建筑工程從設計、施工、維護等全部過程的信息都得以統籌管理。

1.2BIM應用模塊的構成

發展至今，BIM技術在國外已經發展地較為成熟，以較為常用的Autodesk公司出品的BIM系統為例，一般包含以下幾個模塊：CAD工程設計模塊、Civi13D地形處理模塊、Revit建筑結構建模、AIM快速表現模塊、Navisworks施工動畫模擬模塊。

CAD模塊集成了以AutoCAD為代表的二維計算機輔助設計軟件以及機電設備建模的各類三維CAD軟件。其中二維模塊可以將AutoCAD格式的工程設計圖紙以超鏈接打開進行編輯與保存。二維模塊也可以說是BIM系統最終設計產品的出口，因為無論是參數化的三維結構設計、機械設計、電氣布置，還是施工組織布置，最終還是要以二維工程圖的形式出具。三維模塊主要配置了Autodesk公司自行出品的inventor等軟件，同時兼容igs等通用格式的三維模型文件。

Civi13D軟件可以根據點、折線等傳統測量數據進行地形曲面建模。同時通過布局工具生成地塊模型，且生成的地塊模型之間有過渡關聯，即對某一地塊進行變更，其相鄰地塊與之過渡區域也會相應變化。而其道路建模與土方量計算功能則更為實用。Civi13D能將水平與垂直的幾何圖形與定制化截面組件進行結合，建立公路和其他交通道路動態三維模型。土方量計算則利用平均斷面積算法，實現曲面土方量的計算。

Revit主要支持建筑工程方面的建模與應用。其包含建筑設計、MEP工程設計與結構工程3個模塊。建筑設計模塊能夠提供強大的概念設計與外觀設計功能。MEP則給暖通、電氣和管道工程師提供了用于復雜建筑系統的設計工具。結構工程主要提供建筑結構工程的強度校核、配筋等功能。AIM可以將CAD、Civi1與Revit建立的模型導入進行布置，以展示施工不同時間點的狀況與施工布置。具體見圖1。BIM中動態效果、施工進度動畫展示，通常使用Navisworks或者3Dmax軟件，能實現優秀的可視化效果。

圖1水利工程BIM施工組織設計應用模塊

2可視化BIM水利工程設計仿真應用

2.1水利工程CAD建模應用

BIM中的仿真設計中，首先是建立水利工程的可視化工程模型。水利工程的BIM三維建模主要包括以下幾個方面：大壩總體結構的建模，如圖2所示；壩體與廠房細節結構建模，如圖3所示；水利機電設備的建模，如圖4所示。

圖2大壩總體結構建模

圖3壩體與廠房細節結構建模

圖4水利機電設備建模

在水利工程結構設計與施工組織設計中，3D建模都十分重要。在BIM中的主要用途有3個方面：①將2D工程數據轉化為3D可視化模型，便于工程人員與施工管理人員消化熟悉工程的具體結構與布置；②可賦予3D模型材料屬性與邊界條件后，用于工程力學仿真分析；③為后續的地形仿真、施工布置、施工進度仿真、施工動畫模擬提供實體模型。當前實體建模的方式有許多，可以利用AutoCAD中自帶的三維實體建模模塊，或者從其他軟件中導入通用格式的三維實體模型文件。對于水利機電設備，也可以導入由設備制造方提供So1idworks等機械三維設計軟件建立的模型。

在CAD應用中，要注意以下2點：

（1）統一三維建模標準。由于水利工程項目分工精細、工程浩大，不同的供應商和設計單位所采用的三維建模標準往往有所區別。為了提高設計效率，工程項目部應編制統一的三維建模標準，通告給參與工程的各方。

（2）明確圖紙的實效性。在水利工程設計中，往往要進行多次設計變更，可能是建筑工程方面也可能是機電設備方面。因此圖紙與模型必須保證實效性，無論參與設計各方的圖紙是哪個版本的，均應以項目部統一出具的圖紙為準，不得擅自更改。

2.2地形處理仿真應用

BIM系統中地形處理仿真一般采用Civi13D等軟件處理，可以創建三維的地形曲面，并且賦予地形地質的特征，將河流、山川、植被等數據直接賦予實體模型，如圖5所示。

圖5Civil3D地形處理效果

除了進行地形仿真之外，Civi13D還能夠在地形曲面上進行土方工程的明挖基坑與渠道、放坡、施工道路設計等操作，并且能夠計算土方量并生成土方施工圖，同時輸出土方量的計算表，見表1。

表1施工道路挖填土方計算輸出

Civi13D建模中，進行土方量計算時，應該要注意可直接用于本工程填方的挖方工程量計算以及回填用挖方的挖掘地點的設計與布置，這一點對土方工程的成本控制有十分巨大的影響。

2.3建筑施工結構仿真應用

BIM中還集成了建筑施工結構工藝仿真模塊，常見的有Revit軟件等，主要進行建筑結構配筋、施工設備建模、施工布置等。Revit軟件可以賦予三維模型多種建筑材料特性，比如結構鋼、現澆混凝土、預制混凝土、磚砌等多個種類。進行混凝土結構配筋設計時，可以直接利用現有三維模型，選取不同類型的配筋形式轉化成施工配筋模型，供后續施工進度模擬，如圖6所示。另外，還可以建立施工設備模型，并且進行布置，圖7為塔帶機模型。

圖6混凝土結構配筋模型

圖7塔帶機設備模型

使用Revit進行結構工程的設計計算時，在強度設計方面，應該要注意材料特性設置以及載荷的定義。相比PKPM等專業結構設計軟件，Revit的功能更多的體現在MEP與建筑設計方面，因此用于正式評審的強度計算報告，應該用專業的結構力學計算軟件進行分析后與Revit的計算結果進行對比。

2.4施工方案布置展示仿真

BIM系統一般還配置有AIM軟件，可用于在虛擬環境中快速布置建筑、設備、地形等模型。可以將以上幾個模塊建立的模型快速導入其中，并且進行虛擬布置，其中由Revit模塊建立不同時段的施工混凝土結構模型，也可以進行時序化布置，以進行工程各階段的施工展示，如圖8所示。

圖8AIM中的施工方案布置展示

在應用AIM模塊進行施工方案快速布置展示時，應注意不同施工場景文件的分類與時序化管理。BIM的4D施工管理除了3D之外的第4個參數就是時間，對于施工進度的體現，是BIM的一個非常重要的特色功能，因此時序化在AIM設計中要認真處理。

2.5實時動態仿真與施工進度管理

BIM系統還集成了Navisworks或者3Dmax等動態仿真與動畫渲染軟件。其中Navisworks可以將CAD、Civi13D、Revit等軟件建立的建筑結構、設備、地形、施工設備等模型導入，并且進行渲染與動態進度模擬。同時導入導出施工進度數據。另外，還能夠將力學分析數據、土方計算數據、AIM全時段施工布置數據導入其中，從而查詢水利工程的4D施工面貌與具體結構強度以及具體地形道路施工土方作業數據等，具有強大的功能。

要注意的是，Navisworks的功能雖然十分強大，但是由于需要集成前面多個模塊的數據，因此對計算機的壓力較大，多以服務器作為載體。除體現施工進度成本、施工分時效果、工程量之外，還能將結構力學計算的結果集成其中，不過建議將結構力學分析的結果單獨存儲，避免對系統造成過大壓力。

3結語

BIM技術作為能夠實現3D建模+時間管理的4D管理系統，不應該僅僅被用于出具可視化效果圖這樣的粗淺功能。但是，要實現施工進度與成本造價的模擬，則必須在地形處理、施工場地和設備模擬、成本項等方面都下足功夫，才能夠初步實現真正意義的BIM工程仿真。水電工程的設計在數十年前，經歷從手工繪圖到電腦CAD的設計方式的轉變，如今推廣BIM的可視化設計，又是一次手段與工具的革新，工程技術人員應該積極地學習并適應。

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TV222.2

B

1008-1305（2016）03-0013-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.007

2016-04-01

李敏（1982年—），女，工程師。