BIM技術在水庫農田防護工程規劃設計中的應用

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司 工程移民規劃研究院，湖北 武漢 430010；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)，是一個容納建筑信息的載體，是對建筑工程物理特征和功能特性信息的數字化承載和可視化表達，是建筑科學與信息技術的結合。BIM技術在工程的規劃、勘察、設計、制造、施工、運營、維護等階段均有應用，具有多維度、可視化、協同性等優點，能有效實現建筑數字化、設計建造可視化及運營智能化等目標。

近年來，隨著我國經濟社會和信息技術的發展，BIM技術的應用得到了較快發展。2017年2月21日，國務院辦公廳以“國辦發〔2017〕19號”發布了《關于促進建筑業持續健康發展的意見》，提出“加快推進建筑信息模型(BIM)技術在規劃、勘察、設計、施工和運營維護全過程的集成應用，實現工程建設項目全生命周期數據共享和信息化管理，為項目方案優化和科學決策提供依據，促進建筑業提質增效。”這標志著BIM技術在我國已提升到國家層面推進。BIM應用作為建筑業信息化的重要組成部分，是推進建筑產業現代化的有力保證，其普及推廣的趨勢已不可阻擋。

目前，BIM技術在水利水電工程中應用尚處于初級階段，隨著工程技術水平的逐步提升和三維系列軟件平臺的不斷優化，BIM技術在水利水電工程方面的研究與應用越來越多。盛曉波基于Bentley平臺創建了水庫大壩、廠房、建筑、場地等三維信息模型，提出了三維協同設計解決方案[1]；吳學雷以黃登水電站為例，提出了BIM技術在水利水電工程施工總布置中的研究思路[2]。本文將分析水庫農田防護工程的特點，提出BIM技術在防護工程設計中的應用思路，以提高規劃設計效率。

2 水庫農田防護工程特點

為了緩解大中型水利水電工程庫區人均耕地少、移民安置環境容量不足的矛盾，保護和充分利用土地資源，對經濟合理、技術可行、有條件防護的淺水區或臨時淹沒區采取工程防護是一項有效的處理措施。尤其是對于成片農田、規模較大的居民點、集鎮、城市、企(事)業單位等重要淹沒對象，淹沒深度較淺且具備防護條件，應盡量采取防護措施，減少淹沒損失。根據防護工程的范圍，水庫防護工程一般可以分為農田防護工程、城鎮防護工程和企事業單位防護工程。水庫防護工程常采用防洪堤、防洪渠、墊高、護岸工程等工程措施，植樹種草保持水土、加強洪水預報提前采取措施等非工程措施，一般在水庫防護工程中運用較少[3]。

農田防護工程規劃設計的難點是需要在保證恢復淹沒用地面積的基礎上進行多方案的比選，從技術、經濟和社會角度進行綜合比較分析，確定適宜的防護工程布置方案。另外，防護工程以往在可行性研究或初步設計階段一般采用剖面法計算工程量，對于復雜的地形區域工程量計算精度較差，可能導致實施階段發生重大變更，直接影響工程的實施進度。

水庫農田防護工程的防護對象主要為耕地，主要目的是保護耕地資源避免其受水庫淹沒影響，降低移民安置難度。防護工程一般按技術可行、經濟合理的原則進行規劃，將防護方案與移民方案進行對比分析[4]。一般而言，水庫農田防護工程規劃設計具有以下特點：

(1)多位于水庫庫尾，屬于受水庫回水影響的臨時淹沒區，淹沒深度較淺；

(2)區域地勢平緩，一般為水庫岸邊一級寬緩階地地形，土壤肥沃；

(3)農田集中成片，規模較大，涉及生產安置人口多；

(4)防護多采用低地回填墊高方案，防護技術可行；

(5)規劃設計往往需要反復調整，修改工作量大。

3 BIM應用流程

根據上述特點分析，水庫農田防護工程往往涉及場地面積較大，選擇的BIM相關軟件需要具有強大的大面積場地建模能力，同時由于防護工程往往需要進行多方案技術經濟比選，需要軟件具有較好的分析功能，方案調整與優化操作簡單。結合上述因素，本文基于Autodesk Civil 3D 軟件分析了水庫農田防護工程的BIM應用流程，詳見圖1。

圖1 BIM應用流程

3.1 創建三維地形模型

創建三維地形模型是規劃設計的基礎，地形曲面的精準程度主要與測量數據以及曲面創建方式相關。Autodesk Civil 3D 軟件創建地形曲面的方式比較靈活，可以通過測量數據導入，也可以通過拾取等高線、高程點等要素來創建。創建地形曲面后，可以按照報錯提示修正各測量數據之間的矛盾。測量數據更新后，地形曲面可以實現一鍵自動更新。

3.2 建立設計模型

根據水庫淹沒范圍，初步確定防護范圍、防護標準和防護方案。采用低地墊高防護方案的，可以通過“放坡”、“曲面填充”等功能生成放坡組，創建坡道、馬道、堤頂路、墊高田面等設計要素，從而建立設計曲面模型；對于采用擋墻、防護堤等防護方案的，可以采用“裝配”的形式實現復雜模型的定制。設計模型建立后，通過三維觀測，檢查模型中的錯誤，并查看模型是否反映了設計意圖，從而進行局部修改與調整。

3.3 工程量計算與方案比選

通過原始地形曲面和設計曲面創建體積曲面，可直接快速計算出場地墊高的土石方工程量，同時可利用Civil 3D的放坡體積工具，對放坡高程進行調整，以達到優化土石方平衡的目的。以一個設計模型為基礎，通過修改放坡要素或修改裝配的方式快速創建比選方案，實現多方案的比選。此方法能大大減少方案比選的工作量，快速實現方案調整與優化。

3.4 設計圖紙輸出

經過對方案的技術經濟比較，確定最優方案，并據此對設計模型進行細部設計。Civil 3D具有強大的出圖功能，能對模型隨意剖切，并且能滿足不同出圖樣式的定制需求。通過對斷面、標注等樣式的設置，可以根據需要生成各種圖形，并且圖形能實現隨著模型的改變而動態更新。

4 實例分析

4.1 工程概況

某水電站建設征地涉及P市，對淹沒對象進行淹沒影響分析，結合移民意愿及線上資源調查，綜合考慮移民安置規劃，規劃對5片農田區采取防護措施。其中，L農田防護區位于水庫庫尾，沿江長度330 m，農田地面高程 974.5～979 m，防護區地貌單元為河流階地，呈兩級平臺狀，農田位于第二級平臺地面上，階地前緣為寬40～60 m的河漫灘。防護區地表屬第四系，主要由粉土、卵石等組成；前緣河漫灘為卵石，稍密，厚度2～5 m；后緣農田一帶為粉土，為階地物質；下伏基巖為奧陶系喬家組灰巖。防護區岸坡屬于土質岸坡，主要由粉土構成。

本片農田防護區5 a一遇設防洪水位 981.3 m，按5 a一遇洪水回水位墊高，低地墊高后形成土地面積為1.492 hm2(22.38畝)。回填邊坡按1 ∶2.2放坡，臨金沙江的回填邊坡采用現澆混凝土護坡。其設計典型剖面見圖2。

圖2 防護區典型剖面

4.2 應用情況

該農田防護工程屬于水庫岸邊寬緩臺地，淹沒深度較淺，具備防護條件。首先利用高程點和等高線等測量數據建立三維地形模型，創建原始地形三角網曲面(見圖3,4)。

圖3 原始地形曲面模型

圖4 低地墊高設計曲面

防護采用5 a一遇設計洪水標準，采用低地墊高防護方案。根據現場地形地質條件，初步確定低地回填范圍主要為防護范圍內土地征用線(5 a一遇洪水回水位)以下的低地。防護區墊高后均形成一級平臺，防護區墊高后地面高程為 981.30 m。農田防護工程均采用坡式護岸，通過岸坡穩定計算，確定護岸坡比采用1 ∶2.2。臨水坡采用現澆混凝土護坡，堤線布置選擇時主要考慮與河勢相適應，岸線力求平順，相鄰堤段應平緩連接，不應采用折線或急彎，宜利用有利地形，修筑在土質較好、穩定的岸灘上。按照上述原則，進行3組防護工程布置方案比選，并按墊高防護面積不小于淹沒區面積控制。

隨后，直接通過放坡組創建相應設計曲面，通過原始地形曲面和不同設計曲面創建不同體積曲面，快速計算出3組方案的凈回填土石方工程量分別為12.31萬,11.58萬m3和13.02萬m3。通過軟件可以快速準確計算工程量，實現多方案比較(見圖5)。在滿足農田防護面積的基礎上，選擇回填工程量最小的方案為推薦方案，開展細化設計、剖面剖切。最后，進行標注樣式設置，完成相關出圖工作。

圖5 體積面板工具

4.3 防護效益

根據概算成果，防護工程費用722.96萬元，防護區移民補償投資為1 222.21萬元。將移民補償投資作為工程效益，工程投資作為費用，則效益費用比為1.69。從總投資來看，防護方案從經濟上優于移民方案。通過實施農田防護工程，采用墊高方案避免農田被淹沒，從而減少移民安置人口，有利于移民安置規劃的實施。

5 結 語

我國是耕地資源缺乏的國家，水庫農田防護工程可通過低地墊高等措施防護大片耕地，減少淹沒損失，降低了庫區移民安置難度。利用BIM技術開展水庫農田防護工程規劃設計，具有設計成果表達直觀、計算工程量快速準確、方案調整方便等優點，可以大幅度提高規劃設計效率，有效解決防護工程規劃設計過程中的多方案比選與優化、工程量計算精度要求高等難題。本文在分析水庫農田防護工程的特點的基礎上，針對常規的低地墊高防護方案，基于Civil 3D軟件提出了應用流程并進行了實例分析，但針對復雜的防護工程設計，還有待進一步研究。