BIM技術在水利工程設計中的應用

呂 賀

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司南華分公司，廣東 廣州 510000)

0 前言

水利工程建設中，通過對BIM技術的有效應用，可以促進水利工程設計水平的提高，不過受人員認知、技術水平等因素的影響，BIM技術在水利工程設計中的應用依然處于初級階段，沒有能夠將BIM技術的優勢最大限度地發揮出來。對此，水利工程設計人員需要加強對BIM技術的研究和應用，對存在的問題進行解決，以BIM技術為支撐，切實提高水利工程設計的質量和水平。

1 BIM技術在水利工程設計中的優勢

將BIM技術應用到水利工程設計中，有著相當明顯的優勢，一是能夠真實模擬水利工程的實際情況，從多個角度來對方案內容進行設計，選擇最為恰當的方案類型；二是能夠對工程整體進行展示，使得工程能夠具備可視化特征，也可以在BIM模型中融入具體規劃設計的理念和內容，降低設計控制難度[1]；三是能夠提高水利工程設計的效率。在傳統水利工程設計中，采用的是二維圖形設計方式，依照二維圖形進行模型構建，操作難度大，過程繁瑣，效率低下。BIM技術的應用，能夠直接構建水利工程BIM模型，簡化操作流程，水利工程設計的效率也可以得到顯著提升；四是能夠提高工程設計質量。借助BIM技術，設計人員可以建立起可視化工程模型，及時發現設計中存在的缺陷和問題，做好優化改進，對設計內容進行完善，從而不斷提高水利工程設計的質量；五是能夠對水利工程設計的效果進行改善，設計內容更加直觀地呈現出來。從技術人員的角度，可以對照可視化的設計內容，直接找出設計中存在的缺陷，做好糾正；從施工人員的角度，可以利用BIM技術，掌握工程施工的程序要求，嚴格依照設計理念進行施工作業[2]。

2 BIM技術在水利工程設計中的應用

2.1 工程概況

橫江水庫位于韶關市南雄市市區東北19 km，水庫大壩位于南雄市珠璣鎮的周地排村，工程地理位置見圖1。橫江水庫是一座多年調節的中型水庫，壩址以上控制集雨面積24.25 km2，主干河流長度10.2 km，河床坡降0.01。正常蓄水位204.00 m，相應庫容1285.64萬m3；設計水位205.89 m，相應庫容1445萬m3；校核水位206.70 m，總庫容1524萬m3，以灌溉為主，兼有防洪、發電、供水等綜合功能。根據國家防洪標準(GB 50201-2014)以及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2017)劃分工程等級及確定洪水標準[3]，本工程屬Ⅲ等中型水庫工程，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。水庫設計洪水標準為50 a一遇(P=2%)，校核洪水標準為1000 a一遇(P=0.1%)，消能防沖采用30 a一遇(P=3.33%)。

圖1 工程地理位置

橫江水庫建庫時受歷史條件限制，設計標準偏低，施工工藝較差，導致大壩建成后，在運行中出現了很多問題：一是土壩外坡左側標高181.00 m處嚴重漏水，漏水流量為0.0015 m3/s，并發生后坡跌窩現象；二是土壩外坡左端壩高32 m無反濾體，壩外一級壩坡大面積滲水濕潤成“牛皮脹”(見圖2)；三是標高186.00 m處存在幾種滲水點，滲水量隨水庫內水位的升降而增減；四是輸水涵管施工質量差，砼結構不密實，透水性大，漏水現象十分嚴重，壓力水進入土壩，在土壩外坡壩腳沿涵管的周圍都出現許多處冒水。對此，需要對水庫大壩進行重新規劃設計和改造，以保證水庫整體的運行安全[4]。

圖2 大壩下游壩面現狀

2.2 工程模型構建

在運用BIM技術對水庫大壩進行重新設計的過程中，需要充分考慮大壩的實際情況，做好相關數據信息的收集和整理工作，構建起完善的BIM水利工程模型。具體來講，BIM工程模型的構建分為兩個核心內容。

2.2.1 地形模型

地形模型能夠為施工布局提供可靠支撐，水庫庫區位于南雄盆地東北翼邊緣，位于山區。局部相對較陡，植物生長茂盛，無水土流失現象，少有崩塌現象出現[5]。在構建地形模型的過程中，涉及內容眾多，曲面是最為關鍵的一個環節，從提高曲面創建效果的角度，必須對工程中的各種數據信息進行全面分析，總結數據規律，對河道結構特征進行考察，保證等高線準確。這里采用三角網對曲面進行創建，可以將庫區地形的起伏變化清晰反映出來。

2.2.2 工程模型

水利工程建筑BIM模型構建中，主要利用BIM技術的可視化仿真功能，考慮到不同數字信息模型有著不同的特征，在建模環節，需要在順序、方法等不同角度，將差異性特征體現出來。建筑工程領域，很多部門對BIM技術的應用都提出了比較明確的規定，不過因為BIM技術在水利行業中的應用時間較短，缺乏相對完善的規定[6]。結合實踐經驗，在針對水利工程建筑BIM模型進行構建的過程中，應該從現實需求的角度，確定好BIM技術的應用方法，明確BIM模型的應用階段，提高建模的準確性(見圖3)。同時需要對CAD圖紙的內容進行豐富和完善，從不同層面了解水利工程的具體情況，把握好相關注意事項，合理分配施工人員的工作，確保其能夠得到有效的貫徹落實。應該提升工程項目管理的有效性，加強模型圖形及信息管理，將BIM技術的應用與水利工程設計要求緊密結合起來，推動設計理念的精準落實。對于建模過程中遇到的問題，應該做好詳細記錄和數據保存[7]，對照行業標準來對BIM建模的質量進行控制，提升建模效果。

圖3 水庫BIM模型

2.3 交付內容設計

在進行水利工程設計的過程中，BIM技術的應用效果將會直接影響工程的設計質量，需要設計人員的高度重視。BIM技術本身在概念和操作方面，有著比較突出的優勢，理論上可以被應用到水利工程的各個環節，不過在實踐中，往往很難全面滲透。從目前來看，水利工程設計對BIM的最優化利用，是借助BIM模型來為施工提供指導[8]，模型中包含了設計方案的尺寸數據、結構、原料、位置信息等，技術人員可以通過對BIM信息模型的分析，獲取更多的數據信息，這些數據與設計存在密切關聯，可以將設計效果直觀體現出來。以數字化技術為支撐，水利工程的施工能夠順利展開。不過結合實際效果分析，BIM模型在水利行業中的應用依然處于初級階段，尚不夠成熟，無法將模型信息和后續的施工建設結合在一起，需要技術人員做好更加深入的研究[9]。

2.4 模型信息創建

利用BIM模型，技術人員能夠通過數字化的形式，將水利工程建筑實體和功能特點表現出來，模型本身的特點十分鮮明，效率和精準度可以得到保證，專業性較強，通用性好。BIM技術在模型中一般都是表現為信息載體的形式，二維圖紙到三維圖紙的轉變環節，技術內容本身并不復雜，不過想要保證建模的效率，要求技術人員能夠做好對于建模知識和相關技術的研究學習。結合水利工程領域的現實特征，選擇恰當的模型構建方法，可以為BIM技術在設計環節的應用提供便利[10]。需要明確，BIM設計所呈現出的三維效果，并非單純的通過該效果圖體現出來，而是表現為更加精準的效果呈現形式。在將BIM技術應用到水利工程設計的過程中，應該以基礎數據為支撐，如尺寸、面積、體積等。模型是承載數據信息的關鍵，通過提高BIM實踐水平的方式，能夠對實際應用效果進行強化，確保水利工程項目的順利實施。以技術的飛速發展為支撐，建模工具變得越發多樣化，其中比較常用的建模工具有Autodesk、3Dmax等，不過因為技術條件的限制，建模平臺的通用性不夠理想，必須結合實際情況，選擇恰當的建模平臺，提升模型數據的通用性，保證BIM技術的應用效果[11]。

2.5 模型信息表達

BIM模型中包含了豐富的數據信息，這也是水利工程設計中需要關注的重點，通過對模型信息的有效提取，可以很好地滿足實際需求。新的發展環境下，應該將二維表達、模型及模型信息展現結合起來，在運用BIM技術進行設計的過程中，應該從圖紙、文字層面，對模型進行表達。在相關規范中明確提出，BIM設計應用成果應該體現在多個方面，如BIM交付可優化的設計方案、綜合協調成果、可視化溝通手段等，而這些全部都是信息模型中常見的表現方法。從實際表達的角度，BIM信息模型有著多樣化及豐富化的特點，而模型信息的表達是一個長期性的過程，現階段，BIM設計實踐一般是利用二維圖紙進行表達，這種方法相對成熟，三維方法的表達效果雖然更好，不過其尚處于探索階段，需要技術人員做好深入研究，將其所具備的優勢充分發揮出來，保證設計有效性的同時，對設計成本進行嚴格控制[12]。

3 結語

總而言之，可持續發展理念持續深化背景下，我國水利工程的數量不斷增加，一些老舊水利工程的維護翻新也受到了地方政府部門的重視。考慮到傳統水利工程設計中存在的問題，可以將BIM技術應用到水利工程設計中，借助水利工程的優勢來提升設計方案的合理性，推動工程設計與施工的緊密結合，切實保障水利工程施工建設的效果。