BIM技術(shù)在河道整治工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

單其寬，吳藝文，朱 程

(1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣州市花都區(qū)水務(wù)建設(shè)管理中心，廣東 廣州 510800)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為世界上工程建設(shè)活躍的地區(qū)，BIM(Building Information Modeling)[1]技術(shù)也逐漸引發(fā)工程建設(shè)領(lǐng)域的第二次數(shù)字革命，國(guó)家和地方政府及行業(yè)積極制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)BIM應(yīng)用。由于BIM技術(shù)的不斷快速發(fā)展[2]，各行業(yè)逐漸接受采用BIM設(shè)計(jì)、分析、交付、運(yùn)維等，建筑和工業(yè)行業(yè)在BIM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域突飛猛進(jìn)，如北京奧運(yùn)會(huì)水立方、上海中心大廈等。國(guó)內(nèi)多個(gè)大型水電工程[3-5]逐步引入BIM技術(shù)，同時(shí)BIM在水運(yùn)航道領(lǐng)域也有較多應(yīng)用[6-9]，王軍[10]對(duì)水利工程BIM標(biāo)準(zhǔn)編碼及清單計(jì)價(jià)進(jìn)行了研究，但總的來說，國(guó)內(nèi)水利行業(yè)應(yīng)用普及率依然很低，BIM在水利行業(yè)應(yīng)用仍然處于起步發(fā)展階段。

目前國(guó)內(nèi)沒有水利專用的BIM設(shè)計(jì)軟件，通用BIM軟件在水利的應(yīng)用中存在較多問題，以河道整治為例：①河道設(shè)計(jì)斷面雖然簡(jiǎn)單，但是由于水利行業(yè)的特殊性，對(duì)每個(gè)橫斷面標(biāo)注要求非常詳細(xì)，常用BIM軟件切出斷面圖后仍需逐個(gè)手動(dòng)標(biāo)注，難以體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)；②學(xué)習(xí)成本較高；③現(xiàn)階段河道整治趨向生態(tài)治理，蜿蜒曲折，與道路、鐵路設(shè)計(jì)方法有所不同。

基于Bentley[11]平臺(tái)中Open Roads Designer[12-14](以下簡(jiǎn)稱ORD)軟件，是一款功能全面的道路設(shè)計(jì)BIM軟件，具有平、縱、橫剖面圖紙數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、設(shè)計(jì)出圖及設(shè)計(jì)更改過程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本文通過研究分析傳統(tǒng)河道整治[15]設(shè)計(jì)思路和流程，充分利用BIM軟件的優(yōu)勢(shì)，通過ORD建造模型，批量完成橫斷面圖紙標(biāo)注，形成一套完整的河道整治工程BIM應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。并通過二次開發(fā)[16]，優(yōu)化工程量生成與輸出流程，解決BIM軟件在河道整治“最后一公里”問題。

1 設(shè)計(jì)方法

1.1 傳統(tǒng)河道整治工程設(shè)計(jì)方法

①根據(jù)河道走向進(jìn)行大致平面布置，一般河道長(zhǎng)度為數(shù)千米，按照實(shí)際地形對(duì)河道進(jìn)行分段。②依據(jù)河道分段進(jìn)行典型橫斷面設(shè)計(jì)。③依據(jù)典型橫斷面，反向設(shè)計(jì)平面布置圖。④根據(jù)平面布置圖及典型橫斷面，進(jìn)行斷面圖設(shè)計(jì)(間距約50～100 m)。⑤計(jì)算工程量。

傳統(tǒng)河道整治工程采用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是學(xué)習(xí)成本低，操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是重復(fù)作業(yè)量大，河道橫斷面圖紙數(shù)量一般幾十至上百不等，返工時(shí)需要花費(fèi)同樣多的時(shí)間處理橫斷面圖，且平面圖與橫斷面易出現(xiàn)不對(duì)應(yīng)的問題。特別是對(duì)于生態(tài)河道工程，蜿蜒曲折，平面圖與橫斷面圖不對(duì)應(yīng)的問題尤其嚴(yán)重。

1.2 ORD在河道整治工程設(shè)計(jì)方法

①根據(jù)河道走向進(jìn)行平面布置，按照實(shí)際地形對(duì)河道進(jìn)行分段。②依據(jù)河道分段進(jìn)行典型橫斷面設(shè)計(jì)。③通過典型橫斷面生成BIM模型。④設(shè)置標(biāo)注信息。⑤自動(dòng)出圖并計(jì)算工程量。

1.3 不同設(shè)計(jì)方法對(duì)比

對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和ORD設(shè)計(jì)方法(圖1)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用二維設(shè)計(jì)方法表達(dá)三維物體，易出現(xiàn)表達(dá)不全面、圖紙不對(duì)應(yīng)、工程量不準(zhǔn)確等的問題，ORD設(shè)計(jì)方法本身即為三維設(shè)計(jì)，可以有效避免以上設(shè)計(jì)問題。

圖1 河道整治設(shè)計(jì)流程對(duì)比

2 二次開發(fā)定制

2.1 標(biāo)注信息CELL庫(kù)

ORD軟件主要是針對(duì)道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與水利行業(yè)相比，出圖標(biāo)注信息相對(duì)簡(jiǎn)單，滿足不了水利專業(yè)出圖要求。通過對(duì)水利行業(yè)標(biāo)注信息研究，建立了符合河道整治工程標(biāo)注特征的CELL庫(kù)，每個(gè)CELL代表一種標(biāo)注樣式，見圖2，可以根據(jù)設(shè)計(jì)不同需求裝配到橫斷面上，最終形成完整的橫斷面圖。

a)設(shè)計(jì)水位標(biāo)注信息

b)護(hù)坡類型標(biāo)注信息(草皮護(hù)坡)

c)護(hù)坡類型標(biāo)注信息(混凝土護(hù)坡)

d)岸頂路面標(biāo)注信息

2.2 橫斷面模板Points規(guī)則

橫斷面標(biāo)注均由點(diǎn)名稱或特征定義進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮與標(biāo)注一一對(duì)應(yīng)，因此需要建立一套標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)注框架，例如：需標(biāo)注高程的點(diǎn)定義為BG_1，BG_2，BG_3……，需標(biāo)注邊坡材料的點(diǎn)定義為BP_1,BP_2,BP_3……，水位標(biāo)注位置定義一個(gè)空點(diǎn)，定義為SW等。當(dāng)不同設(shè)計(jì)斷面之間需要過度銜接時(shí)，需對(duì)點(diǎn)名稱及特征定義開啟Override。橫斷面模板Points規(guī)則見表1。

表1 橫斷面模板Points規(guī)則

2.3 優(yōu)化工程量輸出格式

水利水電工程設(shè)計(jì)階段一般分為項(xiàng)目建議書、可行性研究、初步設(shè)計(jì)和招標(biāo)施工圖設(shè)計(jì)，不同設(shè)計(jì)階段對(duì)工程量的階段系數(shù)要求不同。ORD軟件生成的工程量不含階段系數(shù)，輸出格式為XML格式(圖3)，設(shè)計(jì)人員還需針對(duì)不同設(shè)計(jì)階段進(jìn)行工程量的二次編輯。且XML不易于操作，也不利于向下游專業(yè)提資。通過對(duì)軟件中工程量輸出格式進(jìn)行二次開發(fā)，以C#語(yǔ)言為底層語(yǔ)言，借用算法對(duì)工程量輸出格式及內(nèi)容進(jìn)行編程設(shè)計(jì)(圖4)，自動(dòng)生成工程量列表(表2)，輸出為EXCEL表格，針對(duì)不同設(shè)計(jì)階段自動(dòng)添加階段系數(shù)，不僅提高設(shè)計(jì)精確度，又提高生產(chǎn)效率。

圖3 改進(jìn)前工程量匯總

圖4 工程量輸出修改截面

表2 改進(jìn)后工程量匯總

3 工程應(yīng)用

江西省南昌市某河道整治工程初步設(shè)計(jì)，擬建的河道護(hù)岸總長(zhǎng)3.7 km，位于城區(qū)核心地段，主要任務(wù)為防洪，兼顧水環(huán)境和水生態(tài)治理，基本維持原河道自然走向，充分體現(xiàn)自然、生態(tài)的河道治理理念，宜彎則彎，宜灘則灘，并滿足周邊居民親水需求。該工程按照本文提出的ORD應(yīng)用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

a)首先利用高程點(diǎn)及等高線生成三維地理模型，利用復(fù)雜多段線進(jìn)行河道平面布置，確定河道岸線軸線，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算的岸頂高程進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)。

b)典型橫斷面模板設(shè)計(jì)。橫斷面模板由簡(jiǎn)單組件、受約束組件、空點(diǎn)、末端條件組件、重疊(Override)等組成，每個(gè)組件由點(diǎn)、線、面形成，且均含有特征定義，本河道工程典型橫斷面模板見圖5。

圖5 典型河道護(hù)岸參數(shù)化設(shè)計(jì)斷面模板

c)標(biāo)注信息設(shè)置。河道斷面標(biāo)注主要含有高程標(biāo)注、洪水位標(biāo)注、材料標(biāo)注、尺寸標(biāo)注、填筑材料標(biāo)注等。根據(jù)常用的標(biāo)注，生成標(biāo)注Cell庫(kù)，再通過調(diào)用Cell，根據(jù)標(biāo)注點(diǎn)不同的位置關(guān)系進(jìn)行標(biāo)注。①高程標(biāo)注。定義高程標(biāo)注Cell，通過引用Cell庫(kù)文件，插入需要標(biāo)注高程的位置BG_1，BG_2，BG_3……等。②邊坡標(biāo)注。定義邊坡標(biāo)注Cell，根據(jù)坡面上下頂點(diǎn)和不同護(hù)坡類型，進(jìn)行邊坡標(biāo)注定位及型式選擇。③水位標(biāo)注。在橫斷面模板中定義空點(diǎn)，空點(diǎn)需根據(jù)與堤頂高程的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行鎖定，水位即可根據(jù)堤頂高程的不同進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。通過引用水位標(biāo)注Cell，標(biāo)注到相應(yīng)位置。④構(gòu)筑物標(biāo)注。通過每個(gè)構(gòu)筑物特殊的編碼，例如排水溝(PSG)、防浪墻(FLQ)、親水平臺(tái)(QSPT)等進(jìn)行編碼標(biāo)記。⑤尺寸標(biāo)注。通過上述定義點(diǎn)，軟件自動(dòng)生成連續(xù)的點(diǎn)串，{ BP_1、BP_2、BG_1、BG_2……}，通過點(diǎn)串進(jìn)行尺寸標(biāo)注。

d)利用上述平、縱、剖面設(shè)計(jì)，即可根據(jù)工程實(shí)際需要在任意樁號(hào)處對(duì)模型進(jìn)行剖切并生成最終斷面圖，設(shè)計(jì)按照間距50 m生成斷面圖，并采用斷面面積法計(jì)算工程量，帶有特殊編碼的BIM三維模型見圖6，部分橫斷面見圖7，工程量見表3。

圖6 帶有特殊編碼的BIM三維模型

a)K0+000橫斷面

表3 工程量

將ORD設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工日及修改返工工日進(jìn)行對(duì)比(表4、5)，兩者總工日相差較大，主要原因在于傳統(tǒng)橫斷面圖繪制和工程量耗時(shí)較多，BIM則可依據(jù)三維模型自動(dòng)出圖和工程量，節(jié)約大量的時(shí)間。

表4 設(shè)計(jì)工日對(duì)比

表5 返工工日對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

水利水電BIM技術(shù)應(yīng)用逐步在全面普及，從方案展示逐漸往施工圖階段延申,將ORD的優(yōu)勢(shì)引入到河道整治工程設(shè)計(jì)中。通過制定CELL和橫斷面模板Points規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了橫斷面的詳細(xì)標(biāo)注，并通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)計(jì)階段的工程量計(jì)算，有效解決了河道整治橫斷面出圖量大，斷面尺寸多變，平面與橫斷面不對(duì)應(yīng)，工程量計(jì)算不準(zhǔn)確的難題，可為河道整治工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)借鑒。