歐特克BIM 平臺在云南山區水庫工程設計中的應用

陳向東

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司云南分院，昆明 650000）

BIM （Building Information Modeling） 技 術 是Autodesk公司在2002年率先提出的。 歐特克平臺是建筑領域三大主流BIM平臺之一， 經過幾十年的發展目前已經有數款可以應用到建筑工程設計項目的軟件。 其軟件平臺的應用已經在全球范圍內得到業界的廣泛認可。就目前水利設計而言，BIM技術的應用還處于普及的基礎階段。 水利樞紐工程體量大、設計專業廣泛、建筑物種類多、結構復雜且與地形結合緊密， 因此在充分借鑒建筑工程BIM技術經驗的同時，必須探索出適合水利樞紐工程的三維設計方式。 合理有效的水利BIM三維設計思路能夠幫助設計單位在設計勘察階段提高水利樞紐項目的設計效率與質量。 與此同時水利BIM三維模型可使業主和評審專家在沉浸式的三維視頻中明晰設計方的設計意圖，全景展示設計思路，避免勘察設計階段的返工。

1 云南某山區水庫工程概況及BIM應用思路

本山區水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、導流輸水系統組成。 樞紐布置格局為主河床布置黏土心墻風化料壩，左岸布置導流輸水系統（初期為導流洞），左岸布置表孔溢洪道。

本工程的BIM應用思路如下：

（1）利用Revit對水庫樞紐的導流輸水系統、溢洪道進行結構建模，并且導入到Navisworks中進行碰撞檢查和分析，及單個建筑物漫游動畫的錄制。

（2）使用Civil3D對黏土心墻風化料壩進行建模，并對溢洪道、 導流輸水系統的進出口段的開挖進行邊坡設計和建模。

（3）將在Revit中建立的導流輸水系統、溢洪道的模型建筑結構模型和Civil3D中建立的大壩、 邊坡模型導入到Infraworks360中進行整合和渲染。

2 利用歐特克BIM平臺建立水利樞紐的三維模型

2.1 利用Revit建立水利樞紐結構模型

Revit是歐特克BIM平臺的結構建模軟件， 擁有強大參數化建模能力， 其族庫可以把大量的族按照特性、參數等屬性分類歸檔建立完整的數據庫。各個水利項目之間有一定的共性但是各個構件之間的可替代性并不強， 現有的Revit族庫沒有可以直接調用的水工構件， 所以作為水利工程師必須自己建立水利工程的族庫。Revit有著豐富的族樣板，可以根據需要自己開發水工族庫。

溢洪道工程基本參數： 溢洪道設計泄量48.9m3/s，校核泄量74.4m3/s，由進水渠、控制段、泄槽段及消能防沖段組成，建筑物全長283m（含進水渠），進口采用有閘控制的a型駝峰堰型式， 堰凈寬5m， 堰頂高程1797.50m。 溢洪道泄槽段由3段組成，分別為交通橋段、無壓隧洞段、明渠陡槽段，其中：交通橋段采用矩形槽斷面型式，由5.3m（高）×5m（寬）漸變至6.5m（高）×5m（寬），底坡1/10；無壓隧洞段斷面型式為城門洞型，長79m，由5m（高）×5m（寬）漸變至4m（高）×4m（寬），底坡1/10；明渠陡槽段采用矩形槽斷面型式，長110m，斷面尺寸4m（寬）×2.5m（高），底坡1/1.33。 末端消能方式采用消力池底流消能， 消力池長26m，寬10m，池深1.7m。

溢洪道建模首先利用族功能自己建立混凝土構件的基本族庫，將溢洪道的進水渠、控制段、泄槽段及消能防沖段等混凝土結構分段進行建模。 打開Revit的族樣板文件庫， 挑選適合水工建筑物異形建模的樣板格式， 常用的為公制結構框架- 綜合體和桁架、公制結構基礎等樣式。 將事先準備好的CAD草圖，以圖塊的形式整體導入Revit的族樣板文件，注意調整好坐標和縮放比例。 對照著結構圖立面、 平面圖，使用拉伸、融合、旋轉、放樣等建模方法將水工結構的三維模型構建完成。其中進水渠、控制段主要使用拉伸功能，斜槽段使用拉伸和空心放樣的功能，消力池使用實心放樣、拉伸功能。為方便在后續其他工程的溢洪道建模使用， 將各個結構的主要特征尺寸和角度進行參數化賦值， 并將其導出成可以用Excel打開的CSV格式文件。 今后在其他項目的中可以通過編輯CSV表格的方法， 對水工模型的尺寸進行直接編輯，省去了重復建模的工作量。 對進水渠、控制段、 泄槽段及消能防沖段等結構建模完成后分別保存在自己族庫文件夾中， 這樣一個基本的溢洪道族庫就基本完成了，以后隨著溢洪道種類的增多，族庫會越來越豐富。

圖1 溢洪道駝峰堰控制段

圖2 溢洪道調整段

圖3 溢洪道交通橋段

導流輸水系統基本參數： 導流系統設計流量35.59m3/s，總長567.20m。 導流系統由明渠專用段、控制段、無壓洞專用段、無壓洞共用段、陡槽段和消力池（含尾水渠）組成；其中明渠段長119.20m，進口位于壩軸線上游255.00m 岸坡腳， 進口底板高程1740.00m；控制段長4m，設1.8m×1.8m工作閘門一道；無壓洞段總長363.00m（后段199.25m為共用段），城門洞型，斷面尺寸2.2m×2.5m，進口底板高程1740.00m；陡槽和消力池段（含尾水渠）總長81.0m。 導流輸水放空隧洞布置于大壩左岸山體內， 輸水系統與導流系統通過“龍抬頭”的方式結合，導流洞采用無壓隧洞，輸水放空洞采用進口設置有壓短洞的無壓隧洞，洞內明鋪DN1200輸水放空管。 輸水系統設計引水流量2.17m3/s，總長428.35m。 輸水放空洞進口位于導流洞上方16m處，進口高程為1760.40m，輸水放空隧洞由進口豎井段、有壓隧洞段、檢修豎井段、鋼襯連接段、無壓隧洞共用段、出口閥室段等組成。其中進口豎井段長4.65m，為1.8m×1.5m的矩形豎井進水口，進水口高程1760.40m；有壓隧洞段長60m，城門洞型，斷面尺寸1.5m×1.8m；檢修豎井段長4.6m，設1.5m×1.5m檢修閘門一道； 鋼襯連接段長101.4m， 為D=1.8m圓形斷面；無壓隧洞共用段177m，城門洞型，斷面尺寸2.2m×2.5m；出口閥室段長7.5m，框架結構，內設分水閥。 輸水放空系統在檢修豎井閘室設方圓漸變直接接1.2m鋼管， 鋼管明鋪于無壓洞中， 輸水管0+350.75處設DN1200正三通，一岔為放空，一岔接入閥室。

導流輸水系統的建模方法與溢洪道的基本一致，不同的是導流輸水系統的結構數量更多，結構樣式更復雜。 在使用族樣板文件進行建模之前一定要理清思路，將輸水和導流隧洞的結構分段劃分好。對引水明渠段、控制段、無壓洞專用段、無壓洞共用段、陡槽段和消力池（含尾水渠）等段分別選用合適的族樣板文件，單獨建模。需要注意的是在隧洞的洞室段進行建模時一定要注意空心放樣的立面位置， 放樣路徑的設置。

圖4 隧洞進口段

圖5 豎井基礎

圖6 豎井控制閘室

圖7 豎井閘室內內部二期混凝土

在溢洪道、導流輸水系統族庫文件建立完成后，新建Revit的結構樣板文件將上一步中建立好的族文件全部導入。 在建模界面中布置平面軸網和標高系統，將導入的族文件拼接成完整的水工建筑物。項目瀏覽器中可以查看各個建筑物的混凝土量、 各個剖面的結構圖， 檢查完畢后將建立好的模型導出成FBX 格 式 和NWC 格 式， 以 便 導 入Infraworks360 和Navisworks中。

圖8 導流輸水系統和溢洪道的Revit聯合模型

2.2 利用Civil3D軟件進行水利樞紐的場地平整和開挖回填建模

大壩為黏土心墻風化料壩，壩頂長220m，最大壩高88.3m，壩頂寬度為10m。 壩頂高程1802.30m，壩頂上游側設L型C25鋼筋混凝土防浪墻， 防浪墻頂高程1803.50m，頂部高于壩頂1.2m。上游壩坡坡比為1：2.25，在高程1758.28m處與抬頭壩結合留10m寬平臺。下游壩坡坡比為1∶2.25， 分別在高程1780.00，1757.50m設2m寬戧臺，高程1735m以下設排水棱體，排水棱體頂寬5m，內坡比1∶1.5，外坡比1∶2.25。上游壩面護坡在1758.28m高程以上采用20cm厚長方形C20混凝土預制塊結合C20現澆混凝土護坡； 以下采用砂礫石護坡。 下游壩面護坡均采用10cm厚長方形C20混凝土預制塊護坡， 下游壩面設2m寬的C20混凝土上壩臺階。

Civil3D軟件具有強大的地形處理功能， 其強大的地形處理和分析功能能夠幫助水利設計工程師快速進行水利樞紐的三維方案布置、 土方開挖回填及計算。 另外Civil3D軟件還可對創建的三維地形曲面模型進行智能編輯、視點漫游等。

具體操作如下： 首先建獲取原始地形數據包括等高線、高程點，設置其名稱，所在圖層、高程線顯示范圍、顯示樣式等，以此立樞紐場地的三維模型。 建立大壩的放線路線，導入準備好的大壩剖面部件，利用道路建模的方法，生成大壩的三維模型。然后使用分析功能將大壩模型和樞紐場地模型進行融合，生成完整的大壩開挖的三維模型。 使用軟件自帶的對象查看器功能對地形、大壩的三維模型的合理性、準確性進行查看。對于溢洪道、隧洞進出口使用類似的方法，首先利用cad的矢量線建立目標模型，接著使用分析命令將目標曲面和場地曲面進行分析融合，生成開挖曲面。 此外還可以對生成的三維模型進行坡度坡度分析、匯水流域分析。將各個開挖回填面分別以imx格式導出。 水庫的水域用pl線閉合導出成SDF格式。

圖9 大壩及邊坡開挖模型

2.3 使用Navisworks軟件進行單體建筑物的展示

Navisworks軟件可以實現模型實時的可視化，支持項目的漫游， 檢查核對復雜的三維模型以及其中包含的所有項目信息，并且生成視點動畫，模擬施工過程，獲得非常好的可視效果。

導入nwc文件， 建立三維動畫視點錄制視點動畫，模擬施工進程，錄制施工動畫，實現360度無死角對水工混凝土模型進行游覽。 還可以對各個建筑物結構之間是否碰撞進行檢查。

圖10 Navisworks中進行模型的漫游

2.4 使用Infraworks360軟件進行水利建筑物集成的展示

Infraworks360是歐特克平臺的三維集成軟件。軟件操作門檻低，操作簡捷易懂。擬真動畫模擬逼真的渲染材質，提供使用者自定義圖庫，讓模型豐富程度更高。 具體操作如下：

（1）導入imx格式的樞紐三維模型，導入sdf格式的水域邊界。 導入fbx格式的Revit水工模型，注意調整好角度坐標系。

（2）施工道路可以直接在Infraworks360軟件中使用道路規劃功能進行設計， 打開道路縱斷可以直接檢查和調整。

（3）在九一衛圖軟件上截取地形所在范圍的TIF格式的谷歌影像圖片， 利用Civil3D 插件工具RasterDesign賦予谷歌地球影像與原始地形數據相對應的坐標系， 再將處理后的影像圖片導入Infraworks360，即可將谷歌地球影像與已經導入的三維地形模型進行準確的合成。 若影像圖片精度足夠高，貼圖后的三維效果則越逼真，九一衛圖軟件的會員級別越高，能夠下載的衛星貼圖的數據越精確。

（4） 模型集成完整后對各個可視面進行材質賦予，已達到最好的視覺效果。

（5） 打開Infraworks360軟件的動畫錄制界面，設計動畫漫游路徑，調整好天氣、光照、云量。

圖11 Infraworks360軟件界面

3 利用視頻剪輯軟件進行視頻素材渲染

將無人機現場拍攝的視頻、Navisworks軟件導出的視頻、Infraworks360軟件導出的視頻、 配音的音頻導入會聲會影軟件中， 并且加上轉場字幕等特效最終導出完整的三維視頻。

4 結語

水利工程具有地形條件復雜、設計選型獨特、涉及專業廣等特點，又面臨著工程樞紐本身布置復雜、缺少族庫的問題。本文簡要介紹了利用BIM平臺進行水利樞紐三維建模的方法和步驟， 為水利設計工程師在勘察設計前期應用BIM技術提供了思路。借助歐特克的BIM平臺建立三維模型， 其成果可視化程度高、美觀、明了，且能夠將土方開挖回填量，混凝土量實時呈現給設計人員， 同時提高施工總布置三維設計工作效率和準確性。 借助視頻剪輯軟件渲染三維視頻在項目匯報中呈現給業主和評審專家， 實現了業主、專家、設計方無障礙溝通，極大地提高了項目的推進速度。