BIM二次開發(fā)在水利工程施工設計中的應用

邱浩揚，呂 彬，傅志浩，黃殷婷

(中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

1 概述

隨著BIM技術的推廣與廣泛應用，三維設計手段逐步被運用于水利工程整個設計周期中[1-6]。李海圣[7]、王寧[8]等分析了水利工程在BIM技術支持下的三維設計路徑，對三維設計流程進行了詳細梳理和研究；張鵬利[1]等以黃金峽水利樞紐工程為對象研究了基于CATIA平臺的3DExperience在水利水電工程中的應用，系統(tǒng)研究了參數(shù)化建模、工程量統(tǒng)計及三維出圖等問題；陳龍[9]等借助BIM技術進行了水利工程施工組織設計的應用探討；范浩威[10]等利用BIM技術建立泵站模型，在流道模型建立、深化設計、施工方案模擬與優(yōu)化、土方結(jié)算三維算量復核等方面深入運用BIM技術進行輔助管理。由于水利工程施工建筑物受地形、地質(zhì)條件影響較大，難以直接套用房建的BIM技術，需進行針對性地二次開發(fā)。

基于BIM技術的二次開發(fā)，眾多學者進行了研究。陳接永[11]通過對Autodesk軟件二次開發(fā)編程，初步形成了一套可用于水土保持工程勘測設計的流程體系；吳含[12]等基于Bentley ORD道路設計軟件建立水工隧洞BIM正向設計系統(tǒng)，研究了水工隧洞的洞線、橫斷面設計以及參數(shù)化建模；賈興斌[13]對鐵路隧道棄渣場設計進行了提高設計效率和質(zhì)量的研究；陳萬寶[14]等基于Civil3D研發(fā)了適用于水土保持工程棄渣場設計的專業(yè)平臺，實現(xiàn)了容渣量分析、穩(wěn)定性計算、以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心的快速建模與出圖算量等功能。

針對特定的水利工程施工建筑物的設計，仍存在三維設計軟件建模過程繁瑣、操作不便且算量結(jié)果不精確等問題。鑒于上述問題，本文基于Bentley平臺進行二次開發(fā)，對常見的施工建筑物如圍堰、導流建筑物、棄渣場等，研發(fā)了水利工程三維施工設計工具。

2 開發(fā)方式

本工具以Bentley MicroStation CONNECT Edition Update11(以下簡稱MS)平臺為基礎平臺，基于C#語言的Addins方式進行開發(fā)，對需要調(diào)用的MDL C++函數(shù)，通過C++/CLI的方式進行封裝，用C#語言調(diào)用。該開發(fā)方式難度適中，開發(fā)成果為.dll文件，成果無需向用戶提供源代碼，有利于保護知識產(chǎn)權。

三維施工設計工具主要針對水利水電工程設計中施工專業(yè)涉及的導截流建筑物如圍堰、導流隧洞等，棄渣場動態(tài)設計等快速建模、工程算量及方案比選等。二次開發(fā)工具共分為5個模塊：通用工具、圍堰設計、導流設計、棄渣場設計、施工場平，共計工具20個，工具功能結(jié)構示意見圖1。

圖1 三維施工設計工具功能結(jié)構示意

3 功能實現(xiàn)及應用

3.1 圍堰建模算量

對于水利水電工程設計中的截流建筑物圍堰，常用形式可分為土石圍堰、混凝土圍堰及鋼板樁圍堰等。土石圍堰的建基面通常是對原始地形進行適當清基后形成，建基面極不規(guī)則，另外考慮到堰體防滲效果及當?shù)氐耐潦显磧淝闆r，堰體斷面通常進行材料分區(qū)；混凝土圍堰建基面通常經(jīng)開挖形成，相比土石圍堰較為規(guī)則；鋼板樁圍堰一般不進行建基面開挖，僅根據(jù)軸線布置進行鋼板樁的布置。

圍堰建模的總體思路是將附加有材料屬性信息的圍堰斷面沿軸線生成三維堰體，堰體繼承對應橫斷面的材料屬性，最終經(jīng)由附加材料屬性信息的三維堰體模型統(tǒng)計工程量。堰體材料屬性附加采用的是MicroStation 軟件提供的ItemType屬性信息附加接口，通過二次開發(fā)的工具給堰體橫斷面附加屬性信息。

土石圍堰和混凝土圍堰模型創(chuàng)建時，先用附加屬性的橫斷面沿圍堰軸線生成堰體基本體。對于土石圍堰采用清基后的地形面和堰體基本體進行布爾運算，最終生成堰體三維模型；對于混凝土圍堰采用經(jīng)由三維開挖設計軟件[15]開挖后形成的三維建基面模型和堰體基本體進行布爾運算最終生成堰體三維模型。

鋼板樁圍堰創(chuàng)建時，采用鋼板樁的截面沿圍堰軸線進行陣列，因樁體截面一般均為定型產(chǎn)品，陣列布置過程中，程序會自動根據(jù)樁體截面尺寸對給定的圍堰軸線進行微調(diào)，確保堰體布置的合理性，鋼板樁的深度采用相對不透水層界面控制。

生成的堰體三維模型和附加材料屬性信息的斷面存在對應關系，程序內(nèi)部提取斷面的材料屬性信息附加至堰體三維模型，最終通過二次開發(fā)的工程量統(tǒng)計工具提取堰體三維模型的工程量。

土石圍堰三維建模算量流程見圖2，通過二次開發(fā)工具實現(xiàn)，輸入為圍堰的軸線、分區(qū)橫斷面及地形面，輸出為堰體三維模型及對應工程量。

圖2 土石圍堰建模算量工具應用流程示意

土石圍堰應用實例見圖3～圖5，圖3示例的圍堰分區(qū)橫斷面由12個分區(qū)構成，圖4示例了圍堰的三維分區(qū)模型，圖5示例圍堰工程量統(tǒng)計。

圖3 土石圍堰分區(qū)橫斷面示意

圖4 土石圍堰三維模型示意

圖5 土石圍堰工程量統(tǒng)計示意

3.2 導流洞建模算量

導流洞是水利水電工程中常見的施工導流建筑物，斷面形式有城門洞形、馬蹄形和圓形等；洞軸線一般由直線和圓弧組成，并且具有一定的縱坡。在三維正向設計過程中，導流洞建模通常是將隧洞斷面沿洞軸線拉伸成體。洞軸線為三維空間軸線，采用傳統(tǒng)方式由平面軸線生成空間軸線有一定難度，為提高三維正向設計效率，通過二次開發(fā)方式研究三維空間軸線生成方法及隧洞模型快速創(chuàng)建方法。

三維空間軸線的生成通過幾何運算方式實現(xiàn)，具體流程見圖6，實現(xiàn)思路如下：① 在隧洞縱坡變化處或存在圓弧段時將平面軸線分段；② 對于直線段采用平面直線長度與對應縱坡的乘積確定線段的始末點高差，根據(jù)高差調(diào)整直線段的末點高程，得到三維軸線段；③ 對于圓弧采用平面圓弧長度與對應的縱坡乘積確定圓弧的始末點高差，將平面圓弧沿Z方向拉伸高差距離形成圓弧面，而后將圓弧面的對角點進行連線生成分割線，利用分割線將圓弧面進行分割，最終得到平面圓弧線對應的空間軸線；④ 通過平行移動的方式將逐段生成的三維軸線按照順序進行始末點相連，最終生成導流洞三維軸線。軸線處理示例見圖7，示例圖中平面軸線由兩條直線段及1條圓弧段組成。

圖6 導流洞軸線處理工具使用流程示意

圖7 導流洞軸線處理示例示意

導流隧洞三維模型創(chuàng)建思路基于已創(chuàng)建完成的導流洞三維軸線，結(jié)合二次開發(fā)建模工具進行模型創(chuàng)建。二次開發(fā)工具定義了常用導流洞斷面形式，用戶僅需要根據(jù)設計情況進行對應斷面參數(shù)調(diào)整，即可完成橫斷面的創(chuàng)建，然后內(nèi)部程序?qū)M斷面沿三維空間軸線拉伸形成導流洞三維模型，并自動統(tǒng)計隧洞結(jié)構工程量及開挖工程量。

導流洞三維模型創(chuàng)建示例見圖8，圖示導流洞軸線由4段直線和3段圓弧間隔布置形成，進口高程為46.20 m，出口高程為44.57 m，洞軸線長465 m，隧洞縱坡為0.35%，隧洞斷面為城門洞形。

圖8 導流洞三維模型創(chuàng)建示例示意

3.3 棄渣場設計

水利水電工程設計中，進行開挖料土石方平衡后，多余的土石方通常存放于棄渣場，因此棄渣場的設計需要考慮渣料運距及堆渣容量等因素。傳統(tǒng)二維設計采用有限斷面法進行容量統(tǒng)計，設計效率較低、工程量精度較差，針對以上問題，本文基于三維模型采用二次開發(fā)方式研發(fā)了棄渣場設計及堆高容量動態(tài)統(tǒng)計工具。

棄渣場按照地形條件可分為沖溝型和非沖溝型渣場，兩種類型渣場堆渣三維模型均是通過計算堆渣表面Mesh面和三維地形模型之間的包圍體生成；對于沖溝型渣場堆渣表面Mesh面采用渣場縱斷面沿沖溝兩側(cè)拉伸形成，對于非沖溝型渣場堆渣表面Mesh面通過堆渣邊界線按照堆渣坡比放坡生成。

創(chuàng)建渣場三維模型過程中，可根據(jù)給定的堆高增量參數(shù)統(tǒng)計不同堆高高程的堆渣量，并生成渣場容量曲線；可根據(jù)給定的目標堆渣量，確定當前堆渣坡比情況下的堆渣高程。

在方案比選過程中，對于非沖溝型渣場僅需要調(diào)整堆渣邊界范圍及堆渣坡比，對于沖溝型渣場僅需要調(diào)整堆渣縱斷面線即可完成渣場模型及堆渣容量的動態(tài)調(diào)整更新。

示例為一沖溝型棄渣場，渣場攔渣壩高9.6 m，堆渣坡面坡比為1∶2.75，高差為15 m，設置3 m寬平臺，棄渣場堆渣目標容量為30萬m3。采用渣場設計工具進行快速設計，在給定堆渣剖面的情況下，目標量對應的堆渣高度為67.9 m，堆渣體頂高程為1 385.0 m。堆渣三維模型見圖9，堆渣量動態(tài)統(tǒng)計示意見圖10。

圖9 沖溝型棄渣場三維模型創(chuàng)建示意

圖10 渣場容量動態(tài)統(tǒng)計示意

4 結(jié)語

針對水利水電工程三維正向設計過程中施工專業(yè)三維模型創(chuàng)建效率低等問題，本文基于Bentley平臺通過二次開發(fā)方式研發(fā)了三維施工設計工具軟件。經(jīng)應用表明：

1)各功能模塊以工程實際需求為指引，將傳統(tǒng)設計流程進行優(yōu)化、簡化及固化，并采用工具界面引導設計流程，降低了三維模型創(chuàng)建的難度。

2)采用研究成果軟件可基于三維設計平臺快速進行方案設計及比選，利用三維可視化等優(yōu)勢可明顯提升設計效率及輸出成果的質(zhì)量。

3)研發(fā)工具軟件彌補了現(xiàn)有三維設計平臺在專業(yè)設計領域工具缺失的問題，推動了BIM三維正向設計技術在水利工程設計中的應用。