BIM技術在調水工程中的應用

牟燕妮，常倩倩，劉 潔，楊士瑞

(山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014)

1 工程概況

山東省某調水工程由加壓泵站和輸水管道組成。加壓泵站裝機容量14.4MW，設計流量為15m3/s；輸水管道為2根直徑2.4m的螺旋鋼管和玻璃鋼管，長48.7km。工程估算總投資38億元，是山東省重點建設工程。

2 應用軟件

工程設計中，利用AutoDesk系列的Inventor和Bentley系列的Context Capture、GeoStation、AECOsim Building Designer、OpenRoads Designer、Substation、LumenRt等專業軟件，完成實景建模、建筑物和管線的三維地質建模、建筑物三維建模、金屬和電氣建模及長距離輸水管線建模等；采用ProjectWise進行設計項目管理和設計過程中的專業協同；通過BIM模型剖切二維圖紙，實現三維模型與二維圖紙的聯動；利用Restation進行水工建筑配筋，圓滿完成各項設計任務，驗證BIM設計周期在水利工程勘測設計領域里的可行性、可操作性以及優勢和特點，取得了令人滿意的效果。

3 項目設計

本項目主要設計過程包括：建立統一的工作環境和標準，進行任務分解，各專業在項目信息協同管理平臺上協同設計，創建BIM設計模型，基于工程模型進行必要的分析、計算、優化，組裝、檢查等，最終將固化的BIM模型剖切二維圖紙、生成三維圖冊等，為后續的施工和運維提供數據支持。

3.1 項目協同設計

ProjectWise為工程項目管理提供了集成平臺，利用其強大的流程管理、權限管理以及數據共享和協同方式，并基于統一的BIM模型，各專業設計工作在統一的協同設計平臺上實時進行，實現對信息的充分利用和數據共享，避免重復建模過程，實現項目集中存儲與訪問，提高數據信息的準確性、一致性、及時性；各專業基于統一的平臺實現協同設計，減少了錯漏碰缺，提高了工作效率，對保證產品質量起到了至關重要的作用。其設計流程如圖1所示。

圖1 本項目協同設計工作流程示意圖

3.2 BIM建模過程

3.2.1 實景建模

為獲取多樣的實驗數據以驗證采用不同來源數據構建實景模型的可行性，在數據采集階段確定了實景建模區域，數據源的獲取方式均采用無人機傾斜攝影測量，不同測區采用了不同的飛行設置和組合方式。

后期的數據處理過程中，根據各個測區的原始數據采集情況，對單機實景建模、計算機集群建模、分區塊建模等方式進行了深入探索，驗證其可行性。同時獲取了許多經驗值，如：控制點布設的技巧、飛行高度的設置技巧，集群處理過程中路徑設置和任務分配等經驗和技巧，用以指導后續大規模建模工作。在空中三角形解算這個建模的關鍵技術步驟上，摸索出了一套快速且行之有效的工作技巧：以低采樣率的設置進行第一次空三解算，既能排查錯誤，又能減少后續批量刺點和高精度空三解算的時間。

對Bentley不同版本軟件環境下實景模型的使用方法進行了探索，選用其最新的CE版本軟件，對實景模型的斷面剖切和正射、局部側射影像與mesh面的提取以及實景模型中坐標展繪與提取、實景模型分類顯示等關鍵技術問題進行了諸多有益的探索，初步掌握了實景模型的應用及與設計模型的融合技術。

3.2.2 三維地質建模

三維地質模型能夠全方位呈現地層環境和巖性分布情況，為工程的設計優化提供更加科學的判斷依據。本項目地質勘查的主要目的是基本查明泵站、連通閘、輸水管道等工程的工程地質及水文地質條件，對選定線路及主要建筑物進行工程地質評價，為可行性研究設計提供工程地質資料及計算參數。

本項目在GeoDataManage地質定義中完成標準地層定義，按堆積成因確定3大類，每一大類包含3至5層；勘探線布置按照建筑物位置、管線走向等要求布置10余條；地質勘探中鉆孔數據編錄139個，進尺2392m。建模過程主要包括數據庫端的地質勘探鉆孔信息數據錄入管理和圖形端的三維地質模型建立兩大部分。

首先，根據地勘資料在GeoDataManage系統數據庫端依次對地質定義、勘探布置和地質勘探等信息進行錄入和設置。待所有信息核對無誤后，在GeoStation for City中導入鉆孔和勘探剖面巖性分布信息，并依據上述信息建立工程三維地質模型。

最后對模型整理，進行地質編繪出圖。通過與建筑總裝結合，進行剖切出圖；根據勘探線的數據信息出圖。

運用GeoStation建立的模型能夠較好的全面展現地質環境等相關信息，通過模型分析，實現查明泵站、連通閘、輸水管道等工程的工程地質及水文地質條件，對選定線路及主要建筑物進行工程地質評價，為可行性研究設計提供工程地質資料及計算參數等勘察要求，所取得的結果能夠滿足設計所需的要求，并且更立體直觀，能有效的解決工程地質上的問題。

3.2.3 建筑物三維建模

3.2.3.1 水工建筑模型

項目實施前建立統一的工作環境，如：配備標準化的圖層、色表、構件屬性，以及項目統一的坐標系、軸網和樓層標高等，并將此信息在PW平臺上共享。利用AECOsim Building Designer軟件，基于線框、表面、實體、參數化構件等一系列的三維建模方式，完成建筑物水工、建筑等土建專業的BIM模型構建。

由于水工建筑物結構比較復雜，需要首先將建筑物按照部位和構件名稱進行分解，分別建模，并賦予不同的屬性(構件名稱、材料、剖切圖案、渲染特性等)，再利用參考功能組裝。建筑物模型組裝并檢查修改完成后，對BIM模型進行固化，并以此為基礎進行二維圖紙的抽取和工程量的自動統計，且所有視圖、剖面以及三維階梯剖圖具備聯動功能，一處更改之后，其他自動更新，方便設計修改。選用GeoPak軟件建立建筑物基坑開挖回填模型，與地質三維模型組裝后，可按照地層屬性分層計算開挖回填方量，計算更加簡單、結果更加準確。

利用Restation進行水工建筑三維配筋，剖圖生成二維鋼筋圖、鋼筋表，并打印成能3D展示的PDF格式文件，可視化、立體展示三維配筋，指導施工。

3.2.3.2 金屬結構模型

利用Inventor進行閘門、清污機、啟閉機的三維參數化模型建立，并根據模型相對位置關系進行裝配，將裝配完成后的總裝文件通過中間數據格式導出。

將總裝文件通過MicroStation或AECOsim Building Designer導入Bentley平臺，參考水工等相關專業模型，將金屬結構模型調整到準確位置，通過保存視圖導出可視邊等方法，完成金屬結構布置出圖。

3.2.3.3 水機模型

利用AECOsim Building Designer機電模塊參數化構件建立水機三維模型，并參考土建建筑物模型，調整相對位置關系，通過保存視圖導出可視邊等方法，完成水機模型出圖。

3.2.3.4 電氣模型

通過Substation電氣設備族庫的建立，可以在快速建模的同時精準統計各模型產品信息及構件個數，減少傳統設計過程人工統計工程量容易出現的錯誤。建立電氣設備族庫，應基于設備模型的基本參數，設備包含的各部分構件，整體組裝后再進行其他屬性的添加(如電壓等級、類型、單位等)。之后可以通過設備布置，測試參數化設置是否有效。

通過本次工程更新、添加的電氣設備族庫，可以為類似工程提供更多的設備模型選擇，避免重復建模，極大地提高工作效率。

3.2.3.5 模型組裝及檢查

各專業分部位組裝后各專業組裝，形成各專業獨立的BIM模型，各專業以參考方式嵌入其他專業的模型，進行協同設計以及模型總裝，建立建筑物整體BIM模型，通過三維的視角，精確地展現復雜的建筑物結構以及各專業的相互關系，通過其功能模塊進行模型校審、碰撞檢測，查漏補缺，優化設計，提前做好施工準備。

3.3 渲染及漫游展示

將以上各專業固化的BIM模型組裝后，利用MS(CE)、ABD(CE)實景網格工具連接，并導入LumenRt，進行后期渲染并制作漫游動畫，可以很直觀的反應項目建成后的三維整體效果，展示效果直接明了。可以通過漫游動畫從不同的視角，展現廠區內部及建筑物隱藏部位的布置情況，顛覆傳統二維設計的表達形式和效果。BIM模型建模期間賦予的構件信息可以隨時查看并實時更新，為后期施工和運行維護提供數據支持，將BIM設計應用于工程全生命周期。

4 結語

BIM技術的應用打破了常規設計的空間局限性，其高效的協同設計模式、先進的三維設計手段、快捷的成果統計輸出、與其他軟件的數據流通，是設計理念流程的全面更新，更是行業未來發展的趨勢，并將引領一場工程設計行業的革命浪潮。

目前各行業的三維數字化設計標準體系、規范尚有待進一步完善，要制定符合生產實際、行之有效、豐富各專業基礎族庫，探索不同軟件在三維協同設計平臺結合方式；將BIM技術緊密結合工程全生命周期，為施工單位和業主提供更多的管理信息，打造工程數字信息一體化，為工程全生命周期管理提供信息支持和技術服務。