BIM 技術在淮安市古鹽河西安路節制閘工程的實現與運用

張洪波，王 麗，任加銳

（1.淮陰師范學院城市與環境學院，江蘇 淮安 223300；2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

BIM（Building Information Modeling），是建筑信息模型的簡稱，通過對建筑信息的數據化、信息化、模型化整合，在工程決策、設計、施工、運行維護等階段進行信息的共享和傳遞，在平臺內實現信息共享和交流，使工程技術人員正確理解各種建筑信息，作出高效應對，從而提高工作效率。目前，BIM技術由于具有可視化、協調性、優化性、模擬性、可出圖等突出特點，在建筑行業運用日益廣泛，在提高生產效率、節約工程成本、縮短工期等方面發揮了重要作用[1]。

水利工程通常是由國家主導建設、事關民生的大型基礎工程，具有工程類型復雜、涉及專業多、工程地點分散、工程周期長、投資巨大等特點，給工程決策、設計、施工、運行維護等帶來較大的難度。因此，在水利工程項目的全壽命周期推廣BIM技術非常重要。水利工程全壽命周期少則幾十年，多則上百年，甚至更長，而施工階段僅僅幾年，因此，BIM技術在全壽命周期內的運用應重點在規劃、設計和運行階段[2]。本文以淮安市古鹽河西安路節制閘工程為研究對象，介紹BIM技術在水利工程勘測設計階段的實現與運用，工程全壽命階段劃分見圖1。

圖1 工程全壽命期階段劃分圖

1 工程概況

古鹽河開通于明萬歷十年，其路線自文華寺經淮安武墩、楊廟入京杭大運河。現狀河道長16.2 km，排澇面積124 km2。古鹽河西安路節制閘位于淮安市古鹽河上，主要作用為河道上游蓄水，保持河道景觀水位；汛期承擔泄洪任務，保證片區行洪安全；承擔分洪任務，為古鹽河上游分段排澇提供前提條件。節制閘采用單塊42 m 氣盾壩型式，兩側岸墻設控制樓、管理所，中間設懸索橋連接兩岸。

節制閘中心線與河道中心線一致，采用氣盾壩型式，閘門形式為雙主橫梁實腹式結構，閘門門葉實際尺寸為寬42 m，高6 m，擋水高度4.56 m。閘室為開敞式平底板結構，1 孔，單孔凈寬為42 m。底板順水流方向長18m，閘室底板頂面高程3.22 m，閘墩頂高程9.00 m。閘上下游均設置擋墻與河岸相連接。閘身上游河底布置12 m 長C25 鋼筋混凝土鋪蓋，河底高程3.22 m。

2 三維協同設計

2.1 項目準備

項目組成立之初，編制了BIM正向設計工作大綱，通過Vault 服務端部署BIM 工作平臺（圖2），在平臺上進行項目管理設置，包括統一的工作空間、工作環境，定義統一的定位坐標系，建立各層次工作目錄，分配各專業工作任務，合理劃分模型；根據組織分工劃分管理人員組織與權限分配，并按質量管理體系建立本項目文件管理結構，通過Vault 項目管理平臺實現節制閘各專業設計協同。

圖2 Vault 服務端部署BIM 工作平臺圖

2.2 設計軟件平臺

本工程結構設計采用Revit 軟件，平臺基礎功能完善、專業模塊齊全、大模型處理能力強，是基礎設施工程領域優秀的BIM軟件。

2.3 項目決策

在古鹽河西安路閘工程閘址比選階段，將Revit 生成的方案三維圖與傾斜攝影測量獲得的三維地形地貌圖進行整合，實現方案比選可視化、直觀化。在節制閘門型比選時，利用Inventor 建立精確的氣盾壩與鋼壩門體結構三維裝配圖，并應用iLogical 編制出圖程序，生成門體結構材料明細表，方便進行閘門選型經濟技術比較。氣盾壩與鋼壩門體結構見圖3。

通過BIM+ARCGIS+傾斜攝影測量技術的應用，在超圖GIS 平臺上集成節制閘BIM模型與三維實景模型，更加直觀的反映工程與周邊環境關系，輔助總體布置和方案比選，見圖4。從而有效的提升設計效率，輔助建設方快速決策，縮短設計周期，加快工程建設總進度。

圖3 氣盾壩與鋼壩門體結構圖

圖4 項目選址地形圖

2.4 主體協同設計運用

1）為滿足節制閘水景觀及兩岸溝通的需要，采用懸索橋方案連接兩側人行交通。懸索橋設計采用單跨雙支點懸索結構，橋梁跨徑56 m，矢跨比為1/10。節制閘控制樓設計為兩幢塔樓，在滿足功能需求的基礎上，通過懸索橋相連通，形成一道美麗的天際線，突出建筑與水環境、水景觀、水文化的融合，見圖5。

圖5 項目全景三維模擬圖

2）在結構設計中，利用Revit 強大的建模能力，將Revit 建立三維模型導入有限元軟件邁達斯GTS 進行三維仿真模擬，節制閘結構分塊較多，利用GTS 結構模塊，進行施工分步三維有限元計算[3]。首先在系統中進行位移清零，對地基上、中、下游底板進行應力計算；然后分別對左側上游和下游底板和翼墻墻身進行應力計算；再對右側上游、下游底板和翼墻墻身進行應力計算；最后對左右兩側上游、下游的回填土等進行應力計算，得到施工每一個分塊的應力沉降成果，為結構設計提供科學的力學計算基礎，見圖6、圖7。

圖6 地基應力沉降有限元計算示意圖

圖7 底板、墻身應力沉降有限元計算示意圖

3）利用邁達斯GTS 滲流模塊，精確模擬節制閘的三維滲流，得到結構整體任意一點的水頭壓力，通過仿真精細化模擬計算，得出節制閘上下游水面線、水流流速分布、閘門不同開啟方式時閘門下游水流流速分布，更進一步的優化結構設計，見圖8。

圖8 水頭壓力模擬示意圖

4）利用邁達斯NFX 的CFD 模塊，對節制閘蓄水運行工況、排澇工況及閘門瞬態運行的水流流態進行模擬分析，輔助工程結構設計。通過數值模擬，得到不同運行工況下節制閘下水流的流動規律，可為節制閘的運行管理、優化調度提供科學依據[4]，見圖9。

圖9 閘門瞬態運行的水流流態模擬圖

5）工程上下游連接段擋土墻結構相似、規格眾多，手動建模周期長，設計中采用基于Dynamo 異型結構的參數化驅動進行三維正向設計，在系統中直接對尺寸、結構形式、墻高、墻厚、前趾、底板厚等參數進行設置，并對是否需要出坎、是否有踢腳、是否進行穩定性計算作出選擇，從而直接生成異型結構擋土墻，提高設計效率和質量，見圖10。

圖10 異型結構擋土墻示意圖

2.5 施工組織設計運用

1）在施工組織設計過程中，根據測量地形圖，應用Civil 3D，根據測量地形圖，生成閘址周邊地形曲面，完成地形土方量河計算，自動生成土方施工圖，用不同的顏色和樣式來反映每個地塊的填挖方工作量。根據施工組織設計規范，設計生成基坑開挖曲面、導流河設計曲面、上下游圍堰曲面并生成三維土方平衡計算體積曲面，指導工程總體土方平衡設計，為施工方案的確定、機械設備的選取提供依據，見圖11。

圖11 閘址周邊地形曲面圖

2）施工進度模擬運用。水利工程周期比較長，事關民生，因此對工期要求比較嚴格。施工總布置圖規劃設計時應引入時間軸參數，根據工期的推進展示不同的時段工程面貌。傳統的工程圖紙設計僅展示了二維平面圖形，而BIM模型展示了工程三維成像，在BIM模型的基礎上，通過BIM5D 技術結合進度信息參數，工程按照每天、每周、每旬或每月的進度要求對模型進行分塊、分段、分層切割處理，從而實現以時間軸為驅動的工程施工全過程模擬，展示各個階段的工程施工面貌，對工程進行及時的監控，有效保證各階段工作能在進度計劃中完成。

2.6 工程報表運用

成本控制是工程管理的關鍵目標之一，工程量計算是實現成本有效控制的基礎。傳統的二維設計方法導致工程量計算難度大、精度低。BIM三維設計中，應用NavisWorks 中Quantification模型算量功能，實現了一鍵就可以導出三維模型工程量，同時可以根據不同工作需求導出相應的工程量報表，如招標控制價、投標報價、項目審計報表等，大大提高了工程量計算的準確性，提升了工作效率。即使在設計過程中發生了設計變更，也可以及時地對變更部分進行計算，然后進行總體工程量的累加、匯總，實現對工程量的實時統計，便于造價工程師編制工程量清單，協助進行招投標控制報價編制。

2.7 BIM 設計成果

BIM設計的成果包括三維信息模型、三維效果圖、二維圖紙剖切圖、管線碰撞檢測報告、各類工程量報表以及項目過程中的形成的經驗總結等。

1）通過BIM技術可以實現三維、可視化技術交底，通過對施工程序進行分析，使技術交底這一關鍵的工作變得生動、直觀、容易接受，實現各工種、各專業之間的有效配合、協同合作，有利于保證工程質量與安全。

2）二維剖切圖紙是在三維模型復雜的部位進行剖切，生成動態的二維圖紙，降低了傳統“三視圖”的閱讀難度，便于對結構內部復雜部位的認識理解，提高設計效率，提高出圖效率與質量。

3）各專業建模完成后，進行模型的碰撞檢測，通過設定合理的規則自動篩選出設計中主體結構部分、安裝部分等存在不合理的地方，系統會以紅色部分顯示，便于方案修改、優化，有助于各專業的協同設計，BIM 設計的成果包括三維信息模型、二維圖紙剖切圖、管線碰撞檢測報告、各類工程量報表，以及項目過程中的形成的經驗總結等。對于工程項目而言，高質量的信息模型是實現BIM技術在全生命周期內應用的基礎[5]，從而提高設計質量、減少工程變更、節約工程投資，見圖12、圖13。

圖12 主體結構管線碰撞圖

圖13 三維信息模型安裝部分碰撞圖

3 BIM 技術的顯著優勢

1）BIM、ARCGIS 等技術的綜合應用，方便設計前期方案比較，使得與業主的匯報、溝通更加直觀、順暢，進一步提升設計品質。

2）BIM模型結合CAE 軟件進行有限元計算，大大提高了工程設計效率。各種可視化表達方式優化了各專業設計，縮短了設計周期。

3）Dynamo 可視化編程及設計協同工具的應用，在提高工作效率的同時提升了設計質量。施工實時反饋控制系統的研發，有效提高施工水平。

4）項目BIM技術的拓展應用革新了水利工程項目傳統設計手段，提高了規劃設計精細度，推動項目盡快落地，盡早發揮項目功能，帶來社會效益。

5）數字化管理系統的研發，拓展了BIM的應用，推進項目全生命周期管控。通過本項目的實施，有利于建立水利工程BIM標準化流程，為其他工程項目的實施提供寶貴的正向設計經驗[6]。

4 結語

隨著BIM技術的推廣和工程建設的需要，BIM技術在水利工程勘測設計中的應用前景會非常廣闊。既能提升工程設計的科學性、合理性；又可以優化設計方案，及早發現設計中存在的問題，節約工期，節省成本；通過利用三維信息模型還可實現建設過程的動態化管理，提高工程質量。