基于BIM正向設(shè)計(jì)的某公園溝道治理方案比選

王 兵，解 豪，楊 礫

（1.陜西省渭河生態(tài)區(qū)管理局,陜西 西安710001;2.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

BIM技術(shù)簡單來說，狹義上指的就是三維建模。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程設(shè)計(jì)的大力發(fā)展，BIM技術(shù)在各行業(yè)尤其建筑行業(yè)得到迅猛發(fā)展。水利行業(yè)由于其工程特點(diǎn)的特殊性，尤其是地質(zhì)地形的復(fù)雜性，一定程度上阻礙了BIM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。但隨著科技發(fā)展和提升設(shè)計(jì)技術(shù)水平的需要，國家也開始在水利行業(yè)大力推廣BIM技術(shù)，其中以大型設(shè)計(jì)院為代表的設(shè)計(jì)單位走在了水利行業(yè)的前列。而水利行業(yè)BIM技術(shù)在走過10年左右的發(fā)展道路，于近兩年正式進(jìn)入正向設(shè)計(jì)階段。

BIM正向設(shè)計(jì)是直接在三維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成參數(shù)化設(shè)計(jì)、方案比選、設(shè)計(jì)優(yōu)化、工程算量、造價、出圖完成設(shè)計(jì)的全過程[1]，保證設(shè)計(jì)的完成度和精細(xì)度，減少二維的設(shè)計(jì)盲區(qū)，并讓模型服務(wù)后期施工和管理運(yùn)行成為可能，達(dá)到工程建設(shè)全生命周期的BIM應(yīng)用，這也是BIM正向設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)[2]。這是完全區(qū)別于以前從二維CAD到三維BIM逆向建模為主要方法的BIM設(shè)計(jì)理念。

文章采用CATIA三維軟件以項(xiàng)建階段花園溝溝道為例，以地質(zhì)測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過地質(zhì)建模、設(shè)計(jì)方案建模、設(shè)計(jì)方案優(yōu)化等過程，完成從地質(zhì)數(shù)據(jù)到設(shè)計(jì)方案選定的BIM正向設(shè)計(jì)過程。

1 溝道綜合治理的BIM正向設(shè)計(jì)

公園位于秦嶺北麓淺山區(qū)丘陵地帶，北鄰S107省道，南至北麓淺山山區(qū)，西臨田峪河，東接赤峪河，南北寬約1.85 km，東西長約2.63 km，總用地面積4.87 km2?；▓@溝是公園內(nèi)較大一條溝道，溝道總長約1.3 km，溝道前900 m平均坡降約5%,后400 m平均坡降約17%。溝道最大深度90 m，溝底平均寬度25 m，兩岸山體較為雄厚，兩岸自然坡比較緩，左岸坡比約1∶1.8，右岸坡比約1∶2.3。溝道上部為殘坡積粉土根孔十分發(fā)育，厚一般1.0 m～1.5 m；其下部為中更新統(tǒng)洪積離石黃土，其厚度為大于10.0 m，堅(jiān)硬致密；其底部為中元古界基巖。

1.1 地質(zhì)建模

地質(zhì)建模包括地形模型和地質(zhì)模型。以原始資料包括地形數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料建立合理準(zhǔn)確的地質(zhì)模型[3]。由于設(shè)計(jì)階段深度限制，地質(zhì)資料缺乏，設(shè)計(jì)模型僅地形數(shù)據(jù)進(jìn)行地形建模。

模型采用地形數(shù)據(jù)為測繪專業(yè)提供地形圖，采用1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)和1985國家高程基準(zhǔn)，測量精度1∶1000。通過地形圖提取三維地形點(diǎn)云，由地形點(diǎn)云設(shè)定擬合精度，形成地形曲面，擬合地形面誤差平均小0.2 m?；▓@溝地形建模結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 三維地形點(diǎn)云圖

圖2 三維地形圖

圖3 溝道地形縱剖面圖

1.2 正向設(shè)計(jì)思路

以地質(zhì)模型為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，建立溝道主要建筑物三維參數(shù)化模型，根據(jù)設(shè)計(jì)方案要求，分別建立大壩軸線參數(shù)，大壩剖面參數(shù)，擋墻及谷坊斷面及位置參數(shù)，利用參數(shù)驅(qū)動，布置出不同的設(shè)計(jì)方案，并得到其主要工程量、建筑物主要參數(shù)、水庫庫容、匯水面積、回水長度等主要工程特性。

溝道綜合治理的設(shè)計(jì)任務(wù)為溝道治理（防止溝道下切，溝岸擴(kuò)展，防止泥石流）和溝道防洪，保護(hù)下游某村莊人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全為為主，兼估公園生態(tài)治理，形成一定水域的觀景水面，美化和提升公園環(huán)境。根據(jù)地形，花園溝前段坡度較緩、后段坡度較陡，為達(dá)到溝道治理要求同時滿足公園生態(tài)環(huán)境提升要求，溝道總體設(shè)計(jì)方案為溝進(jìn)口采用大壩擋水蓄洪，后段采用多級谷坊或擋墻防止溝道下切破壞。正向設(shè)計(jì)思路見流程圖4。

圖4 溝道治理正向設(shè)計(jì)流程圖

2 治理方案

2.1 方案1：混凝土重力大壩+2級谷坊

為與周圍生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，及保證建筑物可靠性及耐久性，采用大壩攔洪（全攔全蓄）+2級谷坊的布置型式。大壩為重力式混凝土大壩，采用表孔溢流；2級谷坊為漿砌石重力擋墻型式，三維設(shè)計(jì)模型見圖5。

圖5 方案1三維設(shè)計(jì)模型

方案1充分利用地形地貌，根據(jù)溝岸雄厚程度及溝岸高程，修建單庫，2級谷坊方案。大壩可修筑最大壩高為50 m的重力壩。

大壩為混凝土重力壩，大壩壩頂高程560 m，最大壩高50m。壩頂長度326 m，最大回水長度約600 m，庫容約167萬m3。大壩壩體混凝土量約14.8萬m3。大壩及2級谷坊造價約6000萬元，考慮基礎(chǔ)開挖，壩基防滲處理等，工程造價約7000萬元。

此方案能充分利用溝道地形地貌，形成較大有效庫容和較大水域面積，形成良好的水面景觀，但投資較大，同時壩體較高，庫水位較高，對溝岸穩(wěn)定不利。

2.2 方案2：混凝土重力大壩+3級谷坊

方案2修建單庫、多級谷坊方案。修筑高度較低重力壩，大壩最大壩高25 m，三維設(shè)計(jì)模型見圖6。

圖6 方案2三維設(shè)計(jì)模型

大壩為混凝土重力壩，大壩壩頂高程540 m，最大壩高25 m。壩頂長度202 m，最大回水長度約440 m，庫容約31.7萬m3。大壩壩體混凝土量約2.1萬m3。大壩及3級谷坊造價約800萬元，考慮基礎(chǔ)開挖，壩基防滲處理等，工程造價約1000萬元。

此方案能充分利用溝道地形，形成一定有效庫容和有效水域面積，形成一定的水面景觀，投資較小。

2.3 方案3：土石壩+3級谷坊

本方案布置型式和規(guī)模與方案二相同，區(qū)別為大壩考慮采用土石壩。

土石壩填筑方量約12.7萬m3，土石壩及3級谷坊造價約500萬元，考慮基礎(chǔ)開挖，壩基防滲處理等，工程造價約700萬元。同時由于土壩壩頂不能過水，須增修排水設(shè)施，溢洪道及排洪臥管等，此方案總造價約950萬元。

2.4 方案比選

上述3個方案雖均能滿足花園溝溝道治理任務(wù)及形成有效水面景觀兼顧公園生態(tài)治理的要求，但方案1投資巨大，顯然不夠合理，方案2及方案3投資均接近1000萬元，相對投資較小，具體對比見表1。

表1 花園溝治理方案主要工程量成果對比表

花園溝坡降較陡，欲通過水庫攔蓄形成有效水域面積，壩址宜選擇距溝口向內(nèi)300 m溝道收窄處，壩頂高程宜在540 m高程，壩高宜在20 m左右。考慮攔洪蓄水，保證相應(yīng)群眾安全及適應(yīng)周邊景觀環(huán)境，推薦大壩為混凝土重力壩型式。即推薦方案2。

但對于溝道治理而言，方案2投資仍較大，若不考慮形成水面景觀、僅考慮溝道治理，建議取消大壩建筑物，沿溝道根據(jù)坡降布置多級谷坊，雖不能形成較大水域，但可形成多級較小觀景水面，亦可成為溝道景觀，同時可較大程度降低工程量，節(jié)省投資。

3 結(jié)論及建議

通過花園溝溝道治理方案比選對BIM正向設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探究，根據(jù)設(shè)計(jì)成果可見BIM技術(shù)在項(xiàng)目前期方案比選中體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢。但BIM正向設(shè)計(jì)是BIM設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，本文僅對項(xiàng)目前期方案比選做了粗淺研究。BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全過程，仍需要設(shè)計(jì)人員做出更多努力和研究實(shí)踐。