BIM技術在水務工程設計中的應用

周濟華，吳鈺川

（1.深圳市水務工程建設管理中心，深圳518048；2.深圳市水務規劃設計院股份有限公司，深圳518022）

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）是指創建并利用數字化模型對建設工程項目的設計、建造和運營全過程進行管理和優化的過程、方法及技術［1］。自BIM技術產生以來，相關研究和應用也越來越廣泛［2］。目前，在建筑工程及水利工程領域，BIM技術已獲得大量應用并取得相當效益。何關培［3］對BIM和BIM相關軟件進行了闡述和比較；張建平等［4］提出了建筑工程施工BIM應用的技術架構并和4D技術進行了結合；李建成等［5］對BIM在全生命周期的應用做了概述；趙繼偉［6］對水利工程信息模型理論及應用進行了研究；劉輝［7］對水利工程BIM數據管理及BIM生態進行了探討；蘭立偉等［8］將BIM技術應用在了水利工程地形設計中；黃勇等［9］在德爾西水電站設計階段應用了BIM技術；孫少楠等［10］以水電站項目為例研究了BIM技術在水利工程中的應用點。在BIM的相關標準規范方面，深圳市建筑工務署于2015年5月份頒布全國首個《政府公共工程BIM應用實施綱要、BIM實施管理標準》。在水利行業中，中國水利水電勘測設計協會也于2017年12月發布了 《水利水電BIM標準體系》。

但河道治理等水務工程，區別于建筑工程和傳統水利工程，通常是重點解決城市水問題的系統工程，帶來了水務工程涉及專業多、專業交叉復雜、地形及邊界條件多變的特點。故現階段水務工程的BIM應用較少，以少數專業或單個節點翻模為主，但這種方式常會增加項目設計工作量，且難以達到圖模一致的要求，限制了BIM在水務工程全生命周期的應用。因此，需要研究適合水務工程的BIM設計方法。本文將以大空港截流河水環境綜合治理工程等項目為例，介紹并探討BIM技術在水務工程設計中的應用情況。

1 BIM設計技術路線

1.1 BIM設計準備

BIM設計是指采用BIM技術，并根據建設工程的要求，在項目設計前期進行介入，以前期基本設計資料為依據，編制出包含BIM模型及應用內容的建設工程設計文件的活動。BIM設計過程與傳統二維設計過程類似，但需要編制與BIM設計手段相適應的工作流程。

在河道治理等水務工程的BIM設計中，針對涉及專業多、專業交叉復雜、地形及邊界條件多變的特點，首先把河道各工程系統進行歸并劃分，按照地形地質模型、河道模型、水工建筑物模型的分類進行設計建模，最后進行各專業設計模型的校審及匯總。

1.2 BIM設計流程

大空港截流河項目位于深圳市寶安區空港新城片區，新建截流河長6.37km，南聯通渠1.19km，拓寬加深北連通渠1.19km，新建截污箱涵5.12km，排污鋼管2.18km；主要構筑物包括5座節制閘、8座截污閘、1座排澇泵站、2座污水提升泵站； 治澇標準、防洪標準、防潮標準分別達到50，100，200年一遇。在大空港截流河項目中，BIM設計采用如下工作流程。

（1）通過衛星地圖或航拍數據，創建初步地形模型；再依據地勘測量獲取數據資料，創建地形地質模型。

（2）根據地形地質模型進行設計定位、方案比選，確定河道的平縱定位。

（3）各專業根據河道定位進行子項的BIM設計，并形成河道模型和水工建筑物模型。

（4）將河道模型及水工建筑物模型進行匯總形成總體模型。

（5）設計成果（包括圖紙、模型、計算分析結果）經校審后修改完善，形成完整的BIM設計成果。

2 BIM設計應用方法

2.1 創建地形、地質模型

地形、地質建模利用測量、勘察的基礎數據，按照Civil3D建模軟件的要求進行有關前處理后，形成三維地形曲面及地質模型。

通過Infraworks軟件可將衛星影像等GIS數據與BIM模型相結合，形成片區方案模型，同時對相關構筑物進行分析匯總，輔助確定項目方案。

2.2 河道建模

對于河道、箱涵等帶狀分布的設計內容，采用Civil3D進行主要的設計工作，輔以Revit進行節點細化、支護建模。

河道治理中的巖土支護，由于河道治理邊界及河岸邊界的不規則性，分布非常不規則，建模難度高。對于此問題，利用Civil3D和Revit提供的接口，通過Visual Studio C#及Dynamo進行二次開發，解決了河道堤岸支護的快速建模問題。

2.3 水工建（構）筑物建模

水閘、泵站、截流井、配電房等建（構）筑物，采用Revit軟件進行結構、巖土、建筑、電氣、給排水專業的設計及建模，應用Inventor軟件進行金結、水機專業的建模及設計。模型間可直接通過Revit鏈接的方式進行協同設計，及時發現專業間的錯漏碰缺問題。

模型分區、命名及精度規則參考LOD300的要求。對于相對簡單的結構和構件，直接做成參數化的模型和族類，方便項目內的相互應用，并作為后期實施的資源庫。

2.4 模型匯總

截流河項目采用Navisworks軟件對各BIM正向設計成果進行匯總，由于項目子項多，內容銜接復雜，故需嚴格按照預定的命名規則及統一的建模單位及坐標實施，對模型進行合理的分級和分區。匯總后模型如圖1。

圖1 截流河片區匯總模型

3 BIM設計應用價值

BIM設計應用價值主要體現在設計制圖、設計計算、碰撞檢查、漫游模擬4個方面。

3.1 基于BIM的設計制圖

設計制圖的聯動性是BIM設計的一大優勢。傳統繪圖方式平縱橫間并無實際的相關關系，采用BIM設計方法后，通過調整模型即可調整相關圖紙，提高了效率和準確率。本項目的河道出圖主要采用Civil3D，水工建筑物采用Revit，金結采用Inventor，各專業間由于采用BIM技術，實現了更加直觀的提資和對接。截流河項目施工圖3個月即全部完成，總出圖量約4000張，相比傳統方式減少了40%的出圖時間。

3.2 基于BIM設計

3.2.1 BIM結構計算

通過BIM模型提供的信息可極大地減少設計計算中手動計算的工作量，如結構穩定計算中，泵站模型1001個構件的總重量數據僅需5min操作時間即可自動統計獲得。實踐表明，BIM模型的結構計算與以往計算相比具有準確、快速的特點。

3.2.2 工程量計算

采用BIM設計可根據自身需要從模型中提取任意信息并生成帶有工程量的明細表，并可通過BIM模型直接導出，工程量表與模型聯動。尤其對復雜結構，如流道，可通過明細表直接求出實際工程量，實現工程量的所見即所得。

3.3 碰撞檢查應用

在各專業采用BIM設計模型的基礎上，運用Revit和Navisworks運行碰撞檢查，找出各個專業之間及專業內部之間設計上發生沖突的構件，并在協同設計過程中修改解決。在截流河項目中，主要解決了與片區綜合管廊的碰撞問題、項目內部水暖電結構等專業內容的碰撞沖突問題，切實減少了工程變更。

3.4 漫游模擬應用

將BIM模型通過建模軟件導出指定格式文件，導入Infraworks及Lumion進行處理，創建虛擬環境，即可生成符合要求的漫游模擬視頻。利用建好的建筑信息模型，與虛擬現實（VR）等技術進行結合，帶來對BIM模型交互式、沉浸式的體驗，使項目的各參與方在未建成前也能夠有身臨其境的感受。

4 結語

實例研究證明，水務工程采用BIM設計可實現以下幾點突破：

（1）通過BIM技術設計可以保證圖紙與模型一致、工程量與圖紙的一致，避免人為錯漏碰缺；BIM模型三維可視化的可讀性和互動性可提高協作效率。

（2）采用面向對象的BIM設計方式，改變傳統的面向過程的設計方式，特別是與圖紙、工程量的關聯性和快速的自動統計功能，大幅提高設計效率，并通過碰撞檢查等方法，減少后期設計變更。

（3）與VR等技術結合，給項目各參與方帶來了設計成果交互式、沉浸式的良好體驗。