Civil 3D和Revit在水工建筑物建模中的應用及對比

舒裕仁,邱珍鋒*,王俊杰

(1.重慶交通大學 河海學院,重慶 400074;2.重慶交通大學 材料科學與工程學院,重慶 400074)

隨著計算機技術的快速發展,BIM技術在建筑業施工生產管理過程中已經被廣泛運用。BIM技術在三維可視化和建筑信息傳遞與保存方面具有很大的優勢。目前,BIM技術在水利工程建設領域的建模及應用仍然較少,處于探索階段。李利劍[1]通過壩體變形數據運用BIM技術建立了大數據處理模型實現壩體穩定性監測,較早期在壩體中埋入離層儀和應力計的方式,監測精度更高,數據更連續,對壩體穩定性問題預警更準確。盧建華等[2]以物聯網云計算為核心信息技術建立基于BIM、GIS、傾斜攝影等組成的三維模型庫與儀器組件及水質水文氣象等模型結合構建了大壩安全數字管理平臺。具備全生命周期、實時動態、數據雙向流動的特點,并應用于梅山水庫項目中。石慶安等[3]通過Civil 3D軟件建立宰章水庫BIM模型,進行2次開發解決了壩體填筑單元劃分困難的問題并將模型應用于工程三維信息管理平臺。樊啟祥等[4]構建了GIS+BIM+MIS技術的智能建造管理平臺具有實時動態分析和耦合仿真預測及交互協同調控等特點,實現精準動態管理,解決復雜現場環境和人員設備流動變化,工程質量施工安全和結構安全控制問題。將其應用于金沙江溪洛渡拱壩智能建設中使管理人員能迅速掌握一手數據和現場生產情況。田會靜、曾寅等[5-6]利用BIM技術開展重力式大壩工程施工技術模擬研究,模擬優化大壩混凝土施工技術參數并基于AHP評價方法分析BIM技術在水利工程中的應用效果取得良好數據。本文對重慶市巫山縣廟堂水庫工程大壩樞紐工程項目相關結構開展了三維信息模型搭建工作,分別采用Civil 3D及Revit 2種不同的BIM軟件進行建模。對比2種建模方法在建模過程、建模效率、模型精度、工程量統計的不同,為類似工程BIM建模提供借鑒。

1 工程概況

重慶市巫山縣廟堂水庫工程位于重慶市巫山縣平河鄉后溪河上游河段。項目建成后總庫容1 064萬m3,有效庫容965萬m3,多年平均供水量1 881萬m3,灌溉面積4.425萬畝(1畝約等于666.67 m2)。廟堂水庫主體工程由水庫樞紐、借水工程、輸水線路三部分組成,其中水庫樞紐又由大壩擋水建筑物和泄水建筑物、取水建筑物組成。擋水建筑物壩型采用瀝青混凝土心墻堆石壩方案利用當地材料進行筑壩。壩頂高程1 121.00 m,壩頂寬9 m,壩頂長256.00 m。大壩上游邊坡采用二級坡,坡比為(1.0∶1.8)～(1.00∶1.24),折坡點高度1 055.00 m。下游壩坡設置有“之”字型上壩公路,坡比范圍為(1.00∶1.76)～(1.0∶1.3),下游高程1 052.00 m處設有寬60 m的平臺。心墻頂部高程1 118.50 m,最大高度103.50 m,頂寬0.6 m,底寬1.6 m,上下游設置有水平寬度3.0～3.5 m的過渡層。溢洪道位于左岸,為岸坡式正槽溢洪道,軸線順直布置與大壩軸線呈83.9°夾角。由進水渠、控制段、泄槽、消能段組成,全長1 111.50 m。

2 用Civil 3D建模方案

建模對象為大壩擋水建筑物及溢洪道,首先采用Civil 3D軟件進行建模。將對象分為三部分:首先建立底部廊道及心墻模型;其次建大壩上下游部分模型;最后建立溢洪道部分模型。本文沒有采用部件編輯器進行建模,而是用“要素線”“路線”“道路”等功能進行建模。

2.1 底部廊道建模

在“要素線”選項中點選建立場地,選中相應點后指定相應高程或者距離、坡度,在放坡工具彈窗中創建放坡組對放坡面進行放坡填充,最后生成壩基開挖面。選擇“路線”命令從對象創建路線并創建心墻中心線[7]。廊道通過多段線創建部件的方法建立,將廊道外截面二維多段線黏貼到Civil 3D中通過“創建設計”選項從多段線創建部件。選擇的廊道截面須由單一多段線圖元繪制。選中生成的部件修改好裝配原點后添加點代碼與線代碼及造型代碼。多個截面按上述方法依次生成部件添加到裝配最后提取實體。廊道隧洞同理,但是形成實心體后需要通過布爾運算進行多次剪切,最后得到有隧洞的廊道實體見圖1。

圖1 Civil 3D廊道實體模型

2.2 心墻建模

創建心墻裝配用連接代碼完成,需用到Civil 3D軟件內部預設部件。首先確定心墻頂部高程并生成曲面。在左上角選項板中“常用部件”菜單中選擇“連接寬度與坡度”命令確定心墻底部的水平位置與長度。選擇“連接偏移與高程”命令確定心墻底部至頂面相對高程。選擇“指向曲面的連接坡度”命令建立心墻頂部并設立邏輯目標使其連接相應曲面。選擇“連接寬度與坡度”命令確定心墻頂部的位置與長度并將心墻頂部與底部相連。在操作過程中輸入的對應寬度、高程、坡度等參數均來自心墻的二維CAD圖紙數據。最后給心墻頂部添加“指向標記點的連接”命令,將心墻部件截面沿道路的方向上進行連接。選擇心墻中心線,目標曲面選擇心墻頂部曲面創建心墻道路。檢查代碼是否重復并刪除不需要的代碼,從曲面提取實體,心墻實體建立完成見圖2。

圖2 Civil 3D心墻實體模型

2.3 大壩上下游及溢洪道建模

選擇常用構件“指向高程的連接坡度”選項,指定目標高程與相應坡度建立大壩上游裝配。創建道路命名為“大壩壩面”。選擇常用構件“連接寬度與坡度”選項,在上游壩坡面上指定相應寬度與坡度建立平臺。選擇“指向高程的連接坡度”選項建立第2個壩坡面。因大壩上游壩面在地形曲面之上,故需為壩面尋找邏輯目標。選擇“大壩壩面”選項點選“特性”命令在彈窗中選擇“設定目標映射”,在新彈窗中指定目標曲面,選擇地形曲面為目標曲面重新生成道路。在“分析”選項卡中選擇“曲面之間最小距離”選項依次選擇大壩曲面與地形曲面,在“是否縮放到點”選項中選擇“否”,在“是否將相交部分連線轉換成CAD多段線”選項中選擇“是”。因二維圖紙的不精確導致生成的交線有中斷,故將交線轉換成二維多段線進行閉合。從曲面提取實體建立大壩上游壩體模型。因下游壩坡面有馬道,故采用繪制要素線的方法建立。首先新建立場地,在場地中根據馬道輪廓及壩面輪廓繪制相應高程的要素線再生成曲面。將下游壩面曲面與地形曲面取交線進行裁剪后通過曲面生成帶有馬道的下游壩坡面見圖3。

圖3 Civil 3D大壩實體模型

3 用Revit建模方案

3.1 模型拆分

用Revit進行參數化建模需對模型進行拆分。拆分的詳細程度越高可以提高族庫的重復利用性[8]。因廟堂水庫壩型為瀝青混凝土心墻壩,故在拆分模型時考慮橫向和縱向2個方向進行拆分。本文根據實際需求用橫向和縱向結合的方法將瀝青混凝土心墻壩進行拆分。縱向上,將模型按壩頂、心墻及基座、灌漿廊道拆分;橫向上,按上游壩坡、心墻過渡層、心墻,拆分見圖4。

3.2 建模思路

將模型進行拆分后再對各個部件進行參數化建模。對各部件建立相應的構件族庫,通過標高及軸網進行定位,用搭積木的方式進行裝配[9]。對于相似部件只需調整相應參數值即可重復利用減少了工作量節省時間。具體思路如下:選擇合適的族樣板創建族文件;創建參照平面;通過拉伸、放樣、融合等命令定義族構件尺寸創建構件實體形狀;添加尺寸參數并進行調試;添加材質及其他屬性;按以上步驟建立各構件族形成構件族庫;選擇項目樣板創建項目文件;將構件載入項目文件創建實例模型;建好軸網標高定位構件模型;最后拼接各構件模型形成建筑物整體模型,見圖5。

圖5 Revit建模流程

3.3 上下游壩體建模

擋水壩段按材料進行分區拆分。一共分為5個部分:上游開挖料利用區(灰巖夾頁巖料)、上下游灰巖壩殼區(灰巖料)、下游壩殼區(頁巖石渣料)、下游蓋重區(土石混合料)和下游排水區(灰巖大塊石料)。因每個部分形狀不同且大多不是規則形狀,故需選擇既滿足水利工程需求同時通用程度較高的族樣板文件進行模型創建。具體建模步驟如下:①首先新建族樣板文件,在對話框中選擇“公制常規模型”選項。②因各個部件形狀不規則且截面不斷改變,故需要多次使用“放樣融合”創建命令。選擇“放樣融合”創建命令,確定好所建部件2個截面相對高程及距離,分別對2個截面輪廓進行參數化繪制。因為部件形狀不規則,其截面也是不規則圖形。截面輪廓的繪制可將CAD截面圖導入Revit使用。CAD截面圖導入Revit中需設置導入單位與導入位置[10]。Revit默認單位是“英尺”或“英寸”需根據 CAD圖比例進行調整。定位設置設為“原點到原點”使模型坐標統一。③繪制部件模型時對參數進行修改,將截面尺寸標注與選項卡中“標簽”選項進行關聯設置。參數設置完成后要對參數進行試調確保參數改變驅動模型變化。④部件形狀建好后進行材料設置,考慮外觀顯示及材料不同,對每個部件新建材質并按原材料命名。通過Revit中自帶材質庫,選擇具有相似外觀表現與物理屬性的材料,并對細節部分進行調整來滿足工程需要,見圖6。

圖6 Revit壩體部分結構模型

3.4 心墻及過度層建模

瀝青混凝土心墻厚度依照SL 501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》確定為0.6～1.6 m。考慮CAD圖紙存在角度誤差及Revit建模時產生的部件數量較多,一旦出現角度偏差難以調整,故在Revit建模過程中將心墻頂部與底部寬度保持一致。心墻截面形狀較為規則,心墻與壩基混凝土基座接觸處設置為弧形,以增加心墻與壩基基座的接觸面積,弧形半徑為0.3 m。心墻采用混凝土C25。在心墻厚度變化處進行分段,因此將心墻分為三部分。考慮到心墻除了厚度不一樣,其材料及物理屬性完全相同,心墻參數化建模以心墻厚度為變量,導入各段心墻截面圖,使用“拉伸”創建命令,后面步驟與建立壩體過程一樣,繪制出各段心墻模型。心墻過渡層水平寬度為3.0～3.5 m,截面形狀規則,將截面導入Revit進行放樣操作也可以在Revit里進行心墻過渡層截面繪制然后進行拉伸操作,見圖7。

圖7 Revit心墻實體模型

3.5 基座廊道建模

大壩左岸基座灌漿廊道坡比為1∶2,出口位于溢洪道旁高程113.50 m;右岸基座灌漿廊道坡比1∶1出口位于大壩壩頂。基座頂寬11.2 m底寬5.5 m高6.6 m,基座內灌漿廊道凈空3.0 m×3.5 m。基座廊道截面形狀較為規則且內有空心,所以在建模中要用到“空心形狀”里的“空心放樣”與“空心拉伸”命令。新建族文件選擇公制常規模型,依照 CAD圖紙在Revit繪制出廊道的截面形狀。廊道截面形狀不同故對廊道進行分段具有相同截面部分通過“空心拉伸”的命令進行繪制,需確定好空心拉伸長度及整部分模型長度。截面形狀不同部分要用到“空心放樣”命令其操作同“空心拉伸”命令相似。需注意族屬性選項卡中勾選“加載剪切的空心”這樣在項目中才可以載入空心構件,見圖8。

圖8 Revit廊道實體模型

3.6 模型裝配及導入地形曲面

在Revit中新建項目文件,主要進行軸網標高的布置,目的是定位單一構件的空間坐標及確定所有構件的空間布局。標高對應高程信息,在之前創建族構件的時候統一以壩頂高程為參照標準,所以現只需創建4條標高,分別是壩頂高程、壩底高程、心墻高程、廊道高程。因為模型體積較大,所以“視圖范圍”屬性要設置成無限制視圖深度[11]。軸網對應水平位置,其布置參照壩軸線、心墻、廊道的位置進行布置。將各部分族構件載入項目文件中通過建立的軸網標高進行定位安放最終裝配成完整的瀝青混凝土心墻壩BIM模型。

地形是影響工程項目施工的重要因素,為了建筑物模型的正確布置,建立精確的地形模型具有重要意義。Civil 3D軟件與Revit軟件具有良好的互通性。因此本文采用Civil 3D軟件建立地形[12]。從Civil 3D軟件建立的地形提取等高線、高程點等地形信息,將地形保存為DWG格式導入到Revit中選擇“體量和場地”菜單欄的“地形表面”的命令,通過導入實例創建Revit地形模型。再將瀝青混凝土心墻壩模型與地形模型通過空間點定位組合起來,見圖9。

圖9 Revit大壩實體及地形曲面模型

4 兩種方案建模對比

4.1 兩種軟件的適用性

Civil 3D是滿足土木工程專業需求而定制的設計軟件。在軟件中可以進行流域分析、道路設計、場地測量等操作。對設計的平面、橫縱斷面、道路模型都是動態且相互關聯的。在創建地形模型的基礎上可進行復雜道路設計,所有構件裝配的模型均包含參數化信息[13]。軟件的動態可視化在修改的同時能看到修改后的三維視圖使三維模型更加直觀。Revit則是偏向于建筑設計結構分析管線設計專業的設計軟件。具有較強的兼容性,有豐富的接口可與多種格式文件進行交互如DWG、DWF、IFC,與其他軟件進行協同提供極大便利。所有的圖紙、平面圖、三維視圖及明細表都建立在建筑信息模型的同一個數據庫中,實現模型參數化,修改與維護方便,模型與圖紙動態關聯。

4.2 建模效率及工程量對比

用Revit進行放樣拉伸融合創建模型需要手動繪制路線并為路線兩端進行斷面輪廓繪制。當截面輪廓較為規則時,可以直接將CAD截面圖導入Revit使用。但大部分構件在拆分時其截面輪廓并非規則圖形所以需要手動繪制,即使直接將CAD截面圖導入Revit也需要在變坡點或拐點處進行處理或重新繪制。不同結構層甚至需要多次繪制截面并進行創建。這對二維圖紙的精確度要求較高,造成工作量大的高重復性操作。并且Revit建模機制無法處理空間曲線建模曲率控制等問題,容易造成模型出現偏差。建立的模型與地層地質幾乎沒有關聯,而實際工程中不同地層開挖會影響大壩的受力及穩定性等問題。用Civil 3D建模方案,模型精度較Revit模型精度更高,同時大幅減少重復工作量,在建立部件時確定好路線及斷面軟件會自動生成構件模型。Civil 3D建模高度結合地質信息,模型與三維地質緊密結合符合工程實際,且更加直觀方便后續將模型進行力學分析,大幅提升模型應用價值。以擋水壩段為例,用Revit建模方案建模過程耗時近6周投入人力4人,采用Civil 3D建模耗時3周投入人力2人,考慮人員及時間因素,Civil 3D建模效率對比Revit建模至少提升4倍。以廊道建模為例,見圖10、11和表1。

圖10 Revit廊道實體及細節部分

圖11 Civil 3D廊道實體及細節部分

表1 廊道建模對比

統計對比2種建模方案工程方量偏差達3 000余m3,見表2。

表2 壩體模型工程統計 單位:m3

根據表格數據分析Revit模型工程量小于Civil 3D模型,這是由于大壩的構件大多是不規則形狀體,Revit對于這種結構無法精確建模只能近似模擬其輪廓并以此建立模型。另外Revit默認比例與CAD圖紙的比例不同且數據傳輸中存在部分數據丟失情況,導致此次建模中Revit圖形比例略小于CAD,而Civil 3D與CAD數據傳輸更加便捷,CAD圖紙能無需調整直接導入Civil 3D故不存在上述問題,且將CAD圖形導入Revit中需要手動調試圖形比例和原點位置。CAD圖形或線段導入Revit中有時會發生無法拾取的情況,需要手動繪制連接線。這些是導致Revit建立大壩模型出現誤差的主要原因。

4.3 兩種軟件建模優缺點對比

分析建模優點發現:對于大型水利工程的建模,使用Civil 3D軟件建模較Revit軟件建模具有更大優勢。Civil 3D建立的模型后續應用也更加廣泛。將Civil 3D與Revit建模方案對比分析,能夠發現Civil 3D建模方法在建模效率和模型精度及斷面查詢方面較于Revit建模方法有明顯的優勢,見表3。

表3 Civil 3D與Revit建模應用對比

分析建模缺點發現:Revit建立水工建筑模型時,在面對復雜截面構件時無法精確建模,導入CAD圖形也存在數據丟失的問題,針對復雜截面構件,可通過 Civil 3D建模再通過插件將模型導入 Revit中的方法解決,或者將復雜構件細分成有多個簡單形狀的構件后再將簡單部件模型進行拼接組成復雜構件模型。Civil 3D多段線方法建立水工建筑模型雖然精度比Revit高,但模型參數化程度較低,需重新生成實體模型。可通過Civil 3D附帶工具部件編輯器進行可視化編程來建立模型。對于截面簡單的構件用部件編輯器建模調整參數即可重復利用節省時間。復雜構件仍按多段線方法建模即可。

5 結語

通過Civil 3D和Revit軟件對廟堂水庫上下游堆石區、心墻、基座廊道及溢洪道進行了建模。并分析了2種軟件在水工大壩建模中的適用性。結果表明,采用Revit軟件建模的方法存在工作重復率高、工作量大、模型精度不高的問題。采用Civil 3D軟件建模的方法在水工建筑復雜截面的構件建模中展現出高效率,優勢明顯,且模型精度高于Revit建模。Civil 3D建的模型與地質模型高度融合比Revit軟件處理地形問題更加方便。針對心墻土石壩大型水利工程項目建模,Civil 3D軟件建模方法更加符合工程實際。