基于BIM技術的漆水河倒虹改建工程設計與研究

白勇，趙蕾蕾，張金輝，張玉明，申魯

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州 450016）

基于BIM技術的漆水河倒虹改建工程設計與研究

白勇，趙蕾蕾，張金輝，張玉明，申魯

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州 450016）

依托漆水河倒虹改建工程，基于project wise（簡稱PW）協同平臺，應用BIM技術完成工程的方案比選、模型創建、二維出圖、工程量統計工作。針對工程局部復雜地形應用無人機獲取三維實景地形，方案布置直接在實景地形上完成；基于BIM軟件，應用VBA語言二次開發了圖紙標注工具集，大幅縮短了圖紙的標注時間。BIM技術提高了本工程設計質量、縮短了設計周期，可為類似工程提供借鑒。

BIM；漆水河；協同設計；三維設計

目前水利行業正處于設計手段第二次重大變革的發展階段，即從傳統的二維CAD設計向BIM設計轉變[1-2]。BIM設計相比傳統的二維設計，設計表達更加形象直觀、信息更加全面完整，對設計質量和設計效率的提升具有顯著效果，為水利行業設計領域打開了更廣闊的發展空間。本文依托漆水河倒虹改建工程，應用全球先進的Bentley公司系列BIM軟件，將BIM技術應用到工程的設計和施工過程，總體效果較好。

1 工程概況

漆水河倒虹改建工程位于國家楊凌農業高新技術產業示范區東北3.5 km處，控制灌溉面積77.7萬畝（15畝=1 hm2），設計流量25.3 m3/s，加大流量29.0 m3/s，工程地震設防烈度為Ⅶ度，工程為Ⅲ等中型工程。

工程改建前為雙管淺埋式倒虹吸，倒虹吸經過50多年的運行，管道破損老化、淤積堵塞嚴重、過流能力下降，嚴重制約寶雞峽灌區整體效益的發揮，急需對倒虹吸進行改建。結合地形地質、水力條件、結構受力、投資造價等因素，經多種方案比選，改建工程由原倒虹吸方案優化為渡槽方案，改建工程總體三維布置如圖1所示。

圖1 改建工程三維布置圖Fig.1 3D layout of the reconstruction project

改建工程總干渠由進口明渠段、渡槽段、出口明渠段3部分組成。渡槽段上部槽身為單跨30 m承重與擋水一體U形簡支結構（共13跨），槽身采用現澆造槽機法施工；渡槽支撐結構邊跨采用樁式槽臺，中間跨采用重力實體墩；渡槽基礎采用承臺下接鉆孔灌注樁。

2 BIM技術應用

BIM設計的核心是設計人員在基于同一個環境，應用同一套標準，共同完成同一個項目[3-4]。工程基于project wise（簡稱PW）協同平臺進行BIM設計；應用BIM軟件進行方案布置與模型創建，局部復雜地形應用實景建模技術完成方案布置，出口明渠段在三維可視化條件下完成開挖；從BIM模型抽取大量二維結構圖紙，并借助自主開發工具完成圖紙標注，利用創建好的BIM實體模型進行三維鋼筋出圖及工程量統計，最大程度地實現了BIM正向設計。

2.1 協同設計

BIM設計的重要內容之一是協同，即不同角色人員在協同平臺上并行完成工作[5-6]。工程在BIM模型創建前，先在PW協同平臺創建標準的樹狀目錄結構，樹狀目錄結構具有層次分明的優點，極大地方便了工程項目文檔的管理；文檔按照統一的規則命名，項目參與人員僅從文檔名稱，便能快速識別文檔包含的內容，最大程度地保證文檔的準確使用；同一文件夾下同一名稱的文件可以有新、舊版本同時存在，即項目參與人員在同一文件夾內，可以快速識別新版本文件，同時也能看到同一名稱舊版本文件的留痕；文件的所屬人一旦更新了文件，引用（或參考）該文件的其他人員，能夠及時得到提醒；文檔采用嚴格的權限管理規則，即不同角色的人員具有不同的文檔讀、寫、刪等權限[7-9]。PW文檔目錄結構如圖2所示。

圖2 PW文檔目錄結構Fig.2 PW document directory structure

協同設計改變了傳統的分散交流模式，項目資源等到了集中儲存與訪問，項目信息得到了實時更新與共享，增強了信息的準確性和及時性，縮短了設計周期，提高了設計效率。

2.2 BIM建模

2.2.1 建筑物建模

BIM設計的顯著優勢之一是在三維可視化[5-9]條件下進行工程設計，形成的方案布置與建筑物模型直觀形象。本工程在初步設計階段應用AECOsim building designer（簡稱ABD）軟件，快速完成了3種方案布置與BIM模型創建，并從BIM模型提取二維圖紙與工程量用于方案比選。3種方案單跨BIM模型如圖3所示，其中，方案一為單跨30 m承重與擋水一體U形梁式渡槽，共13跨；方案二為單跨40 m承重與擋水分離矩形梁式渡槽，共10跨；方案三為單跨50 m系桿拱式渡槽，共6跨。

圖3 3種方案單跨BIM模型Fig.3 Three schemes of single-span BIM

2.2.2 明渠開挖

針對出口明渠段挖方長（長160 m）、挖深大（最深18 m）、地形起伏大的情況，應用GEOPAK三維場地開挖軟件快速完成出口明渠開挖（如圖4所示），并從三維開挖模型中提取了開挖土方量及開挖斷面圖。三維場地開挖的主要步驟：1）建立三維地形模型，將地形測量數據導入GEOPAK，形成三維原始地形模型。2）提取開挖控制線，將建筑物模型參考到開挖模型中，提取建筑物模型底邊界線作為開挖的控制線。3）三維開挖，將開挖控制線投影到設計高程，然后按照設計邊坡向原始地形放坡（設置馬道）。4）成果整理，提取開挖工程量、剖切開挖斷面并進行標注。三維場地開挖運算準確、自動化程度高、便于優化設計[10]，在本工程應用效果較好。

圖4 明渠段三維開挖模型Fig.4 3D excavation model of the open channel

2.2.3 實景建模

渡槽出口段地形地質條件復雜，主要體現在：1）邊坡坡高為18.5 m，坡比為1∶0.75；2）存在15.0～20.0 m厚滑塌堆積的壤土，該層土土質疏松，屬自重濕陷性土，地基濕陷等級Ⅳ級（很嚴重）；3）邊坡存在多處沖坑、沖溝（由農田灌溉及大雨沖刷所致）；4）前期測量數據無法準確、全面反映該處的地形特征。針對以上情況應用無人機傾斜攝影技術，獲得該處的三維實景地形模型（如圖5所示），方案布置直接在實景地形模型上進行（如圖6所示）。

圖5 實景地形模型Fig.5 Real terrain model

圖6 實景地形模型上方案布置Fig.6 Plan layout of the real terrain model

2.3 BIM模型出圖

2.3.1 結構圖

BIM模型經過三維校審之后，便可以在BIM模型中方便地抽取二維圖紙，BIM模型中抽取二維圖紙的主要步驟：1）模型篩選，根據出圖需要選擇BIM模型；2）檢查模型，檢查模型的屬性信息是否正確；3）設置剖切規則并抽取圖紙，剖切時根據需要設置剖切范圍、剖切位置、剖切方向、剖切深度、填充圖案，以及剖切出來的圖線放置的圖層、顏色、線型、線寬，剖切規則設置好后點擊剖切命令，便可形成需要的二維視圖；4）標注二維視圖，對剖切出來的視圖添加尺寸標注、文字說明、視圖名稱等要素；5）匹配圖框，將標注好的二維視圖按照一定比例縮放至標準圖框，修改完善圖簽后形成正式圖紙。本工程在平、立、剖二維視圖的基礎上，添加一個軸測視圖作為平面圖的補充與解釋，很好地增加圖紙的可視化程度與可讀性。BIM模型中形成的圖紙如圖7所示。

圖7 BIM模型中抽取的二維圖紙Fig.7 2D drawings drawn from BIM

依托該工程開發了一套圖紙標注工具集，如圖8所示。標注工具集基于ABD軟件應用VBA語言進行二次開發，將一些常見的視圖符號、折斷線、指北針、水流符號、連接符號、對稱符號、標高符號、坡度符號、引線標注、剖切符號，按照《水利水電工程制圖標準基礎制圖》要求集成到ABD軟件中。標注工具集大幅縮短了圖紙標注時間，同時也使整個工程的圖紙標注標準、統一。

圖8 標注工具集界面Fig.8 Interface of the annotation tool

2.3.2 鋼筋圖

利用創建好的BIM實體模型，將其導入到三維配筋模塊，進行參數設置和配筋操作后，便可形成三維鋼筋模型，可方便地從三維鋼筋模型中任意剖切二維鋼筋斷面圖。相比傳統的手動繪制二維鋼筋圖，三維配筋出圖具有以下優點：1）在三維可視化條件下創建三維鋼筋模型，可以直觀的編輯任意一根鋼筋；2）可從三維鋼筋模型中任意的剖切二維鋼筋斷面圖、剖面圖；3）半自動對二維斷面圖、剖面圖進行尺寸標注和文字說明，局部標注有瑕疵的地方，僅需簡單的手動操作便可；4）能夠自動、精確地形成鋼筋表及材料表，設計人員和校核人員一般只需關注布筋原則、鋼筋錨固與彎折長度，無需過多關注鋼筋編號、鋼筋型式、鋼筋長度、材料用量。本工程水工建筑物利用三維鋼筋出圖，節省了大量鋼筋圖繪制時間，較大地提高了鋼筋圖出圖效率。上部30 m跨梁式渡槽三維鋼筋模型如圖9所示。

圖9 三維鋼筋模型Fig.9 3D rebar model

2.4 工程量統計

BIM模型不僅僅是三維模型，其最重要的特點之一是具有信息，這些信息包含空間坐標信息（X，Y，Z），長、寬、高、面積、體積等尺寸信息，材料類別信息等。利用創建的BIM模型，可以按部位、分材料快速提取工程量。本工程利用BIM模型統計的渡槽主要工程量如表1所示。

表1 渡槽主要工程量表Tab.1 Table of main quantities of the aqueduct

3 結語

本工程最大程度實現了BIM正向設計，BIM技術的應用提高了設計質量、縮短了設計周期，在項目審查及施工階段得到工程相關方贊賞。今后的BIM應用中仍有兩個方面需要進一步研究，一是剔除實景地形模型中的樹木、雜草等，轉化成DTM數字地面模型，以便進行三維場地開挖。二是對體型相似、尺寸有規律的建筑物，開展參數化建模及配筋。

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Design of and Research into the Qishui River Inverted Siphon Reconstruction Based on BIM Technology

BAI Yong，ZHAO Leilei，ZHANG Jinhui，ZHANG Yuming，SHEN Lu
（Henan Water&Power Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450016，Henan，China）

In the Qishui river inverted siphon reconstruction project，based on project wise（PW）platform，BIM technology was used to make the project scheme selection，model creation， 2D mapping， and calculate engineering quantity statistics.For some complicated terrains，the UAV was used to obtain the 3D real terrain，and the scheme was then completed directly on the real terrain.The drawing annotation tool set was re-developed based on the IBM application VBA language，which greatly shortened the marking time of the drawing.The BIM technology can improve the design quality and shorten the design cycle，and provide useful references for similar projects.

building information modeling； the Qishui river；collaborative design；3D design

1674-3814（2017）07-0134-05

TV222.1；TV672+.3

A

國家科技支撐計劃項目（2015BAB07B07）。

Project Supported by the National Science&Technology Support Program of China（2015BAB07B07）.

2017-03-02。

白 勇（1982—），男，碩士，工程師，研究方向為水工BIM設計與研究；

趙蕾蕾（1986—），女，碩士，工程師，研究方向為水工BIM設計與研究；

張金輝（1978—），男，本科，高級工程師，研究方向為水工BIM設計與研究；

張玉明（1981—），男，碩士，高級工程師，研究方向為水工BIM設計與研究；

申 魯（1977—），男，碩士，高級工程師，研究方向為水工BIM設計與研究。

（編輯 李沈）