基于ORD的河道BIM設(shè)計與MIKE21的聯(lián)合應(yīng)用

何 雙

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

伴隨著數(shù)字化與新基建的熱潮，BIM技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)得到了越來越多的認可與發(fā)展，越來越多的設(shè)計單位開始探索BIM技術(shù)的應(yīng)用。對于水利行業(yè)，BIM設(shè)計仍舊以點狀的大型閘壩工程為主，中小型工程很少；多以建模，更多的可能只是逆向翻模為主，而真正指導設(shè)計，正向設(shè)計的很少。以這種方式發(fā)展并不利于設(shè)計人員的技能成長。本文以中小型河道整治工程入手，簡要介紹適合小團隊應(yīng)用河道BIM正向設(shè)計流程，更多的是為了體現(xiàn)BIM設(shè)計與仿真軟件的交互，體現(xiàn)精細化設(shè)計與仿真對工程設(shè)計的指導，為廣大設(shè)計人員提供借鑒。

1 工程背景

小沙河白沙島段綜合治理工程位于沈陽沈撫新區(qū)，治理河長約6.4km，河道治理主要為景觀化護岸工程，防洪標準為20年一遇，上游P=5%設(shè)計流量為439m3/s，相應(yīng)下游匯流口處河道水位高程為50.9m。護岸設(shè)計中將原有上游段采砂坑改造為人工湖，打造為金水湖公園，同時在下游段對河道進行了大量拓寬，形成白沙灣公園。

2 河道BIM正向設(shè)計

2.1 ORD軟件BIM應(yīng)用概述

OpenRoads Designer(簡稱ORD)是一款功能完善、全面詳細的道路設(shè)計BIM軟件，適用于勘測、排水、地下設(shè)施和道路設(shè)計。將其應(yīng)用于線性河道綜合治理工程，亦是水利BIM應(yīng)用的一種大膽的嘗試。 通過項目實踐，實現(xiàn)了三維設(shè)計、二維出圖、快速算量、數(shù)據(jù)報表、三維展示等方面的技術(shù)應(yīng)用。

2.2 河道工作空間

軟件各種要素的調(diào)用，依賴于軟件的工作空間，ORD軟件的工作空間，可以簡單理解為其各類后臺文件，它們關(guān)系著設(shè)計工作中的工作圖層、線形、文字標注、材料外觀、工程量統(tǒng)計、出圖等方方面面的內(nèi)容，ORD軟件的后臺文件大多是開放的，可以根據(jù)需求進行相應(yīng)的配置。

2.3 三維建模

三維建模主要包括三維地形的生成、各類河道控制線的制作、廊道模板的繪制、廊道控制等工作，其中廊道模板的制作最為考驗設(shè)計人員的邏輯思維，ORD軟件的模板功能很強大，可以實現(xiàn)很多條件邏輯判斷。

2.4 二維出圖

利用ORD軟件自帶的出圖模塊，可以實現(xiàn)平面、縱斷面與橫斷面自動出圖，其中圖紙的樁號、線形、圖框樣式、高程樣式等可通過批注組進行一鍵批注，對圖框設(shè)置后可實現(xiàn)批量打印生成PDF。

3 BIM模型與MIKE21的聯(lián)合應(yīng)用

3.1 MIKE21 簡介

MIKE21 為丹麥水力研究所(DHI)研發(fā)的二維河道數(shù)值模擬軟件，其中MIKE21 FM中的水動力模塊采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有限體積法求解二維淺水方程。該方程為沿水深積分不可壓縮的雷諾平均Navier-Stokes方程，可以模擬因各種力作用而產(chǎn)生的水位和流速變化及模擬任何忽略分層的二維自由表面流。

3.2 BIM模型生成xyz文件

由于MIKE21地形網(wǎng)格的制作并不支持BIM模型的直接導入，所以必須將BIM模型轉(zhuǎn)換為MIKE21支持的xyz文件。這里主要進行2步工作，一是將模型轉(zhuǎn)化為TIN文件，二是將TIN文件轉(zhuǎn)化為xyz文件。

將BIM模型轉(zhuǎn)化為TIN文件的工作中主要分三大類情況，一種是非BIM模型轉(zhuǎn)化為TIN文件，一種是設(shè)計的河道模型轉(zhuǎn)化為TIN文件，最后一種是由傾斜攝影實景轉(zhuǎn)化為TIN文件。其中傾斜攝影多應(yīng)用于現(xiàn)狀模擬，而且并不能得到水面以下的高程數(shù)據(jù)，故此本次項目并未采用，下面主要介紹前兩種情形。

在第一種情形中，主要利用高程線、高程點、三維特征線來創(chuàng)建地形，本工程光華湖段布置有景觀湖及若干人工島，其總體設(shè)計為其他景觀設(shè)計院設(shè)計，本文利用其提供的平面布置圖，通過樣條曲線功能描繪其各類特征線，并對其賦予高程值來生成三維特征線，如圖1所示，在通過軟件從元素生成地形的功能，生成三維地形，如圖2所示。本工程中由于入湖口段比降較大且存在彎道，對其彎道處的特征線進行了局部加密。

第二種情形中，主要利用BIM模型中各種特征線來生成三維地形，由于河道BIM模型創(chuàng)建完成后，會自然生成各類特征線，所以可以十分方便地直接從BIM模型中選擇特征線來生成三維地形，本工程光華湖下游段河道地形采用此種方法創(chuàng)建，如圖3所示。

地形模型生成完畢后，將地形文件導出為TIN文件，然后利用BentleyTIN2XYZ小工具將TIN文件轉(zhuǎn)化為xyz文件。

圖1 光華湖段三維特征線

對于地形邊界，可以通過ORD中生成的地形直接提取地形邊界，并通過平面報表模塊將其轉(zhuǎn)出為Excel文件，再對其進行簡單整理，導出為MIKE 21所識別的xyz邊界文件。

3.3 MIKE21 FM 地形文件的建立

MIKE21 FM 地形文件的建立是仿真計算前的必要工作，本例對進口流速較大處及設(shè)計河道局部束窄處的網(wǎng)格進行了加密，加密區(qū)邊界尺寸長度設(shè)為3m，最大網(wǎng)格尺寸為10，其他位置邊界尺寸長度設(shè)為8m，最大網(wǎng)格尺寸為50，6.4km河道共計節(jié)點14921個，計算網(wǎng)格單元28036個，在生成網(wǎng)格的同時，對生成的網(wǎng)格進行了4次平滑處理，并利用軟件網(wǎng)格分析功能對部分網(wǎng)格形態(tài)進行了調(diào)整，使其更有利于模型的計算，生成的地形網(wǎng)格如圖4所示。

3.4 MIKE21 FM的洪水計算

將生成好的地形文件調(diào)入MIKE21 FM仿真計算主程序，模型上邊界流量為439m3/s，下邊界水位為50.9m，初始計算水位為50.9m。

河道糙率對河道水位及流速影響較大，考慮城市段河道較天然河道更為規(guī)整，同時對比前期1維計算結(jié)果，最終設(shè)置河道全局糙率為0.023。

模型采用限制水深的方式處理動邊界問題，將計算網(wǎng)格分為干、濕、半干三類，并對其相應(yīng)數(shù)值進行了設(shè)置。在實際計算中干濕水深設(shè)置對模型穩(wěn)定性影響較大，經(jīng)多次調(diào)試，最終將干水深設(shè)置為0.1，淹沒水深設(shè)置為0.12，濕水深度設(shè)置為0.15。

圖2 光華湖公園處ORD地形模型與MIKE地形文件對比

圖3 白沙灣公園處BIM模型、ORD地形模型與MIKE地形文件對比

圖4 地形網(wǎng)格的建立及進口網(wǎng)格的加密

根據(jù)計算結(jié)果顯示，如圖5所示，整體流速分布從上游至下游成逐漸變小趨勢，上游光華湖南側(cè)流速最大，主要原因為此段為七孔閘閘下河段，受水工建筑物影響，河道比降較大，主槽流速約為2.3～3m，故此對此部位300m范圍護岸設(shè)置石籠防護，護腳水平防護長度為4m，護坡石籠防護至設(shè)計水位以上加1m，為53.5m高程。出光華湖后河道中游段主槽流速為1.5～2m，下游河道主槽流速為1～1.5m，故此光華湖下游河道護岸采用石籠護腳+草皮護坡的型式符合抗沖要求。防護型式如圖6所示。

4 結(jié)論

本次項目中基于BIM正向設(shè)計的同時與MIKE21仿真計算聯(lián)合應(yīng)用，更多的是為了倡導一種設(shè)計思維與設(shè)計行為，總結(jié)結(jié)論如下：

(1)經(jīng)模型仿真計算，小沙河護岸光華湖下游段沿線護坡采用草皮護坡的防護型式是可行的。

(2)采用ORD進行河道BIM設(shè)計是高效且可行的，除BIM建模外，也可作為MIKE21仿真計算地形處理的前處理平臺。

圖5 20年一遇洪水下的流場分布

圖6 光華湖南側(cè)護岸防護圖

(3)采用ORD軟件與MIKE21聯(lián)合應(yīng)用，可以高度還原實際與設(shè)計河道地形，仿真計算的可信度更高，為設(shè)計決策提供更為有力的技術(shù)支撐。