農(nóng)田水利工程融入BIM技術(shù)探索與實(shí)踐

周林勇，熊克仁

(江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊(duì)，江西 南昌 330000)

0 引言

2012年10月11日，國土資源部召開了加快推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田示范縣建設(shè)動(dòng)員部署視頻會(huì)議，要求加快建設(shè)500個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田示范縣，“十二五”期間，建成不少于1 333.3萬hm2集中連片、設(shè)施配套、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、生態(tài)良好、抗災(zāi)能力強(qiáng)、與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營方式相適應(yīng)的高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田，確保完成全國2 666.7萬hm2高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)任務(wù)。2019年，中央安排高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)資金達(dá)859億元，同年11月國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)提升國家糧食安全保障能力的意見》明確提出，到2022年，全國要建成6 666.7萬hm2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田；到2025年建成7 166.7萬hm2，并改造提升現(xiàn)有高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田700萬hm2；到2030年建成8 000萬hm2，并改造提升現(xiàn)有高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田1 866.7萬hm2。現(xiàn)代化的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)不得脫離農(nóng)民的實(shí)際需求，其設(shè)計(jì)既要現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化，還要合理化。傳統(tǒng)的二維CAD制圖設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的設(shè)計(jì)需求，自3D制圖問世開來，以及各種計(jì)算技術(shù)集合，在建筑業(yè)逐漸出現(xiàn)了新的名詞——建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)。BIM技術(shù)已經(jīng)逐漸運(yùn)用到各行各業(yè)，全流程協(xié)同、可視化等優(yōu)勢(shì)越來越受到世人青睞。BIM技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)小型農(nóng)田水利工程可視化設(shè)計(jì)，在整個(gè)項(xiàng)日過程中發(fā)揮重要作用[1]。買合木提江卡地爾等[2-3]已通過研究將BIM技術(shù)運(yùn)用到渠道工程中。葛爭爭等[4-5]在規(guī)劃設(shè)計(jì)中對(duì)BIM技術(shù)的運(yùn)用也進(jìn)行了嘗試。BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用模式很少，一般是用在設(shè)計(jì)階段[6]。

1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)具有可視化、一體化、參數(shù)化、仿真性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、可出圖性和信息完備性等特點(diǎn)。BIM技術(shù)是一種多維模型信息集成技術(shù)，可以使建設(shè)項(xiàng)目的所有參與方(包括政府主管部門、業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、造價(jià)、運(yùn)營管理、項(xiàng)目用戶等)在項(xiàng)目從概念產(chǎn)生到完全拆除的整個(gè)生命周期內(nèi)都能夠在模型中操作信息和在信息中操作模型，從而從根本上改變從業(yè)人員依靠符號(hào)文字形式圖紙進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營管理的工作方式，實(shí)現(xiàn)在建設(shè)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)提高工作效率和質(zhì)量，以及減少錯(cuò)誤和風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)[3-7]。BIM各階段應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 BIM各階段應(yīng)用流程Fig.1 Application flow chart of BIM at each stage

市場上BIM模型設(shè)計(jì)軟件主要有以下7種[8-9]。

(1)Revit建模核心是參數(shù)化建模，通過設(shè)定參數(shù)，可以批量修改構(gòu)件的長度、大小、外觀及形態(tài)。Revit與其他軟件協(xié)同可以通過插件建立聯(lián)系，還有各種幫助設(shè)計(jì)的插件，高效地實(shí)現(xiàn)快速建模，提高設(shè)計(jì)水平[10]。

(2)廣聯(lián)達(dá)為客戶提供預(yù)算估計(jì)、預(yù)算及結(jié)算的資料匯編、檢討、累積、分析、挖掘及再利用[11]。該平臺(tái)以海量數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了全面的業(yè)務(wù)整合定價(jià)和全流程覆蓋，使成本工作更加高效、智能化、人性化。

(3)Navisworks在建筑信息模型工作流程中處于核心地位。集成高效出色的完成細(xì)部構(gòu)造的碰撞、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的碰撞，完善建筑模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。其優(yōu)點(diǎn)是項(xiàng)目被視為一個(gè)整體，而不考慮文件的大小，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)決策、建筑實(shí)施、績效預(yù)測(cè)和規(guī)劃到設(shè)施管理和運(yùn)營等各個(gè)環(huán)節(jié)。

(4)Lumion涉及到建筑、規(guī)劃、設(shè)計(jì)的渲染和動(dòng)畫。該軟件可大幅減小制作時(shí)間，來渲染建筑，為制作者省去了大量的時(shí)間、工作精力和資金。通過導(dǎo)入FBX模型給建筑上色、場地規(guī)劃、布置場景等來使模型更真實(shí)。

(5)3DS Max作為BIM的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，是國內(nèi)發(fā)展的相對(duì)比較成熟的建筑效果圖和建筑動(dòng)畫制作的軟件。

(6)Powercivil是bnetley公司開發(fā)的面向道路、橋梁和隧道的專業(yè)軟件，可用來建立農(nóng)田水利工程中地形、道路等對(duì)精度要求不高的大模型，但對(duì)建筑物的建立并不適用。

(7)CATIA軟件具有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能，且參數(shù)化方便，模型精度高。農(nóng)田水利工程中建筑物復(fù)雜且種類多樣，也可采用CATIA來建模[12]。

2 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目實(shí)施難點(diǎn)

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括土地平整工程、土壤改良工程、灌溉與排水工程、田間道路工程、農(nóng)田防護(hù)和生態(tài)環(huán)境保持工程、農(nóng)田輸配電工程及其他工程等[7]。高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目涉及的專業(yè)也比較繁多，溝渠路、水電控制、建筑安裝，樣樣俱全。運(yùn)用BIM技術(shù)可以很好地串聯(lián)這些專業(yè)和學(xué)科，打造設(shè)計(jì)施工一體化。其中灌溉與排水工程內(nèi)容比較豐富且較復(fù)雜，具體包含提灌站、機(jī)井、水陂、現(xiàn)澆渠、預(yù)制渠、涵洞、水閘、機(jī)耕橋、渡槽、下田涵等。各種單體又根據(jù)實(shí)際地形需要設(shè)計(jì)不同的型號(hào)和尺寸，或者組合單體，如橋帶渡槽、橋帶閘等。實(shí)際布置效果很難從傳統(tǒng)的二維制圖設(shè)計(jì)中表達(dá)清楚，沒有直觀性。BIM的出現(xiàn)，可以很好地解決這一系列問題和不足。

3 BIM技術(shù)在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目中的應(yīng)用

針對(duì)江西省某縣一高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目，運(yùn)用BIM技術(shù)做了一些可視化展示。簡單工程以簡易閘設(shè)計(jì)為例，復(fù)雜工程選取水泵站設(shè)計(jì)作為探索。本文選擇revit軟件進(jìn)行BIM建模學(xué)習(xí)研究。

3.1 簡易閘建模

1.5 m×1.5 m(H×B)簡易閘包括基礎(chǔ)、閘墩、木質(zhì)閘門、人行橋板4部分。單體建模可簡單理解為構(gòu)件的組合及渲染。對(duì)于簡單的構(gòu)件可在BIM軟件中直接填加族，修改族尺寸得到需要的形狀。趙繼偉等[13]已在其研究中對(duì)族的新建參數(shù)化有詳細(xì)的闡述。對(duì)于不規(guī)則形狀如閘墩，則需通過繪制俯視斷面然后拉伸實(shí)際高度形成閘墩實(shí)體。設(shè)定基準(zhǔn)面將基礎(chǔ)、閘墩、木質(zhì)閘門、人行橋板組合在一起即可組成三維簡易閘，如圖2所示。再通過簡單的渠道、植物、大地建模布置，將簡易閘置于其中，還可將人物添加進(jìn)去，得到三維場景，如圖3所示。簡易閘的整個(gè)建模過程相對(duì)較簡單，視覺效果較佳，項(xiàng)目參與者一目了然。對(duì)于設(shè)計(jì)人員人行橋板鋼筋布置，也可利用軟件菜單欄【結(jié)構(gòu)】子菜單【鋼筋】菜單布置鋼筋，鋼筋型號(hào)、大小、間距都可自由選擇，極其方便，如圖4所示。通過左側(cè)菜單欄，明細(xì)表還可以導(dǎo)出結(jié)構(gòu)尺寸表和鋼筋表等，如表1和表2所示。利用BIM軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)能大大減少設(shè)計(jì)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)建筑物可視化、生動(dòng)形象，可導(dǎo)出不同剖面結(jié)構(gòu)圖、立面圖，能自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量等。業(yè)主、施工等各方也可直觀感受設(shè)計(jì)成果，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)也起到很大作用。

圖2 簡易閘三維實(shí)體Fig.2 3D entity of simple gate

圖3 簡易閘三維場景Fig.3 3D scene of simple gate

圖4 人行橋板斷面鋼筋布置Fig.4 Reinforcement layout of pedestrian bridge slab section

3.2 取水泵站建模

取水泵站包括泵房、取水口、出水池、水泵、取水管和水渠。取水泵站相對(duì)農(nóng)水項(xiàng)目來說是比較復(fù)雜的單項(xiàng)工程，涉及建筑、水、電、設(shè)備及其安裝。但是通過BIM建模設(shè)計(jì)，也會(huì)簡單很多。特殊形狀的構(gòu)建BIM軟件自帶族一般沒有，但是可以通過創(chuàng)建構(gòu)建族，并保存下來，就可以隨時(shí)調(diào)用。整個(gè)模型的構(gòu)建與簡易閘基本相同，泵房的基礎(chǔ)、粱、門、窗、燈具、電機(jī)等都可以從【插入】菜單或者左側(cè)的【項(xiàng)目瀏覽器】菜單中添加進(jìn)去組合而成，三維泵站如圖5所示。通過BIM建模后，可以形象地反映出單體的整體效果，包括構(gòu)件材質(zhì)、顏色和形狀等，還可以出效果圖。建模成功后可任意選取剖面直接出帶圖簽的設(shè)計(jì)圖紙，甚至CAD格式，可方便與其他設(shè)計(jì)對(duì)接。選取兩個(gè)不同方向的剖面(圖6和圖7)，可以清楚地看到圖紙還有著色渲染效果及透視效果[14]。梁板的配筋、內(nèi)置設(shè)備(泵、管)等內(nèi)部物件也可以在剖面圖中反映出來。對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，設(shè)計(jì)過程比二維的設(shè)計(jì)要簡單許多，尤其是結(jié)構(gòu)圖和配筋圖，以及工程量的統(tǒng)計(jì)。通過向項(xiàng)目業(yè)主、施工、村民展示這種三維模型，也快速加強(qiáng)了他們對(duì)項(xiàng)目的理解，同樣得到了大家的一致認(rèn)可。

表1 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)明細(xì)Tab.1 List of structural foundation

表2 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)明細(xì)Tab.2 List of structural foundation

圖5 泵站三維視圖Fig.5 3D view of pump station

圖6 正面剖面圖Fig.6 Front section

圖7 側(cè)面剖面圖Fig.7 Side section

4 結(jié)束語

BIM建模技術(shù)的應(yīng)用能夠快速地實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)可視化、協(xié)同化，節(jié)省了工作時(shí)間，且有利于投資控制，更重要的是有利于項(xiàng)目參與者直觀了解工程特點(diǎn)和整體構(gòu)思，減少溝通障礙，較大程度上實(shí)現(xiàn)業(yè)主、設(shè)計(jì)、造價(jià)、施工、監(jiān)理等各方的項(xiàng)目一體化。