技術革新助力智慧發展

文｜王帥 申斌

當前，我國處于生態文明建設轉型升級的關鍵時期，新興的環保疏浚是行業生態化升級的重要轉型方向。新一輪科技革命和產業變革對環保工程領域提出了更高要求，全球疏浚行業正在進入以信息產業為主導，數字化、網絡化、智能化融合發展的新時代，利用先進技術手段實施工程全生命期智慧疏浚將成為發展趨勢。

環保疏浚工程具有項目范圍廣、水下地質環境復雜多變等特點，與傳統工程相比，環保疏浚工程在設計精細化程度上有著更高的要求。BIM 技術應用于環保疏浚工程設計階段，可以有效變革與升級設計手段，提高設計效率和成果質量。本文依托雄安新區白洋淀內源污染治理試點工程實踐，開展基于BIM 技術的三維地質信息模型在環保疏浚工程數字化與精細化設計中的應用，挖掘此類項目BIM 技術應用價值。

精細化設計 數字化模擬

雄安新區白洋淀內源污染治理試點工程位于安新縣，作為雄安新區生態環保疏浚工程首期樣板工程，項目包含南劉莊與采蒲臺2 個試點區，分別占地1.12km2和0.59km2。運用生態清淤、活水循環、原位修復和生態修復等內源治理技術對試點區域范圍內源污染進行治理，雄安新區在全國率先提出“數字城市與現實城市同步規劃、同步建設”的理念，要求全面推行BIM 和CIM 技術，實現工程建設全生命周期管理。在此背景下，項目合同中對于數字化模型（BIM/CIM）的建設、應用及交付均有明確要求。

本工程所在區域地形和地質情況復雜，圍堰交錯、坑塘密布。下淀面類型十分豐富，包括自由淀面、草林地、魚塘、葦田等多種形式。由于試點區域內植物生長旺盛，給項目勘察、測量工作帶來較大挑戰。同時，為防止疏浚過程中對底泥層造成破壞而導致淀區水體流失，工程建設單位對于污染土的“分區-分層-分級”精確疏挖設計也提出了更高要求。受二維設計方式的局限，常規的地質分析難以實現對水下不可見區域的復雜地形以及地質體空間上的清晰表達，需要結合BIM 技術開展更為精細化的設計，實現水下地質環境的數字化模擬。利用已有測繪勘探數據建立工程三維地質模型，并根據不同的淀面類型和疏挖作業方式進行詳細分區，從而為項目設計方案的分析確定提供參考。本文以南劉莊試點區域為例，介紹本工程的BIM 地質建模及應用過程。

構建BIM 模型 實施正向設計

建模工具及流程。本工程基于Bentley 系列軟件實施BIM 技術正向設計，結合軟件可容納大體量模型、建模流程與符合國內勘查測量數據要求等特點，實現具有疏浚土屬性信息的地質BIM 模型創建、方案比選、圖紙輸出、地質剖面分析等功能。BIM 地質建模及應用主要包括三維地質體模型創建、關聯疏浚土體信息、建立具有屬性信息的地質BIM 模型以及開展綜合應用等基本流程，如圖1所示。

圖1 BIM 地質建模及應用基本流程

三維地質體創建。根據現場鉆孔平面布置圖及勘察測量數據對地層環境、鉆孔布置、鉆孔巖性分布和地質勘探線布置等信息進行錄入和設置，待所有信息核對無誤后，將測繪及勘探數據導入至系統圖形端，利用開發的三維建模工具，采用克里金算法、冪函數加權算法等插值算法并結合布爾運算功能，建立本項目試點區域內包含水下原始地形面及各地層的三維地質體模型（圖2）。

圖2 試點區域三維地質體模型

為實現設計成果及信息的有效傳遞，基于模型反映工程區域完整的地質信息，系統采用EC XML 技術（全稱為Engineering Content XML）實現了三維地質體模型與數據庫中地勘數據、巖土試驗數據、力學參數等信息的自動關聯。這項技術用以在設計文件承載互通多款工程軟件的底層數據，可以完美表示工程數據的模板元數據或實例數據，同時開放接口API，支持用戶二次開發。本系統中，開發團隊采用該技術保存地質數據到dgn 文件中，并關聯數據到相應的地質圖形元素上，實現了圖形與數據的自動聯動。地質信息可有選擇地保存至dgn 文件中，便于模型后續分析應用，同時實現了無需安裝插件即可使用MicroStation 平臺查看附有屬性信息的三維地質模型。

為實現試點區域精確疏挖的設計目標，將地質模型按不同清淤深度、清淤工藝等標準進行深化及切分，從而可以直觀展示水域底泥污染程度的分布，為不同區域清理底泥深度的確定和不同水治理工藝方案的選擇提供可視化的數據支持。每個作業區域用不同顏色和編號表示，同時各個區域的清淤工藝及分區編號記錄在模型屬性中，通過軟件進行瀏覽查看。不同區域地質BIM 模型如圖3所示。

圖3 不同區域的地質BIM 模型

保證設計質量 實現工序模擬

方案比選。三維地質模型能夠全方位呈現地層環境和底泥污染程度分布情況，建立不同技術措施和施工方法的可視化方案。通過模型可直觀表達設計意圖及生態清淤工程量，為設計方案的分析和優化提供更加科學的判斷依據，同時便于各參建方理解方案，提高溝通效率。

白洋淀內源污染治理試點工程依據目標水質標準及相關規范，主要考慮兩種設計方案：一是原位治理及生態清淤方案，即在原有環境中添加化學藥劑降解部分污染物再進行生態清淤，清淤量較小；二是活水循環及生態清淤方案，即在淀區入水口及出水口適當加大挖深，增大水域流速，降低淀區污染物濃度，清淤量較大。應用BIM 模型直觀展示兩種方案對淀區水底地形的影響，并細致表現了不同區域的挖深及清淤量，為最終設計方案的確定提供參考。

二維圖紙輸出。以建立完成的地質三維模型為基礎，可以沿鉆孔排布設置剖面線，切割模型生成地質剖面圖以及鉆孔柱狀圖等二維圖紙（圖4）。相較于傳統設計方法，可以將“收集鉆孔數據→整理成表→繪制鉆孔柱狀圖等圖紙→分析圖紙→確定設計方案”這一復雜流程簡化為“收集鉆孔數據→生成三維地質體模型→確定設計方案→自動生成鉆孔柱狀圖等圖紙”，在應用BIM 技術直觀展示工程區域復雜的三維地質情況的同時，實現了三維正向設計及出圖，從而大大降低設計團隊的時間成本，更高效地完成設計方案。

圖4 基于BIM 模型的二維圖紙輸出

白洋淀水域底泥環境復雜，污染土沉積厚度不均，過度疏挖可能造成底泥隔水層破壞，導致淀區水體流失。本項目根據設計方案建立完工后地形面模型，應用設計地形面對三維地質體模型進行水平方向切割，直觀展示完工后的地層分布情況。同時，基于BIM 模型進行地質剖面分析，三維展示疏挖程度，并顯示所挖土層的詳細信息，實現污染土的三維精確疏挖。通過任意位置對地質BIM 模型的剖切分析，復核各區域疏挖設計深度，從而保證了項目設計質量。

本項目還實現了基于BIM 模型的內源污染治理過程的4D 工序模擬，在分區基礎上附加疏挖工藝、施工順序等信息，直觀展示項目疏挖過程，實現項目工序方案推演（圖5）。結合環保疏浚工程特點，及時發現并調整設計中有待完善的作業區域，驗證方案的合理性與可行性。對局部地質復雜的作業區域，進行BIM 重難點工序方案模擬，生成方案模擬文件，便于與項目各參建方協調管理。

圖5 工序模擬

當前，國家和政府層面積極引導我國基礎設施建設向綠色智慧方向發展，在此背景下，結合雄安新區白洋淀內源污染治理試點工程，實現基于BIM 技術的三維地質建模在環保工程精細化設計中的應用，并開展BIM 正向設計實踐。實現了方案比選、圖紙輸出、地質剖切分析、工序模擬等應用成果，體現了BIM技術在環保項目中對于提升設計效率和質量等方面的應用優勢。中交水運規劃設計院有限公司也將進一步探索BIM 技術在環保工程全生命期的應用價值，為促進行業轉型升級、提質增效貢獻力量。