郭 瑞， 王 丽， 徐鹏飞， 邢 杰

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 淮安 223005)

在水利工程可行性研究设计过程中，站址及总体布置的比选是必不可少且至关重要的环节。传统二维设计往往以CAD作图为基础，绘制不同方案进行比选，不同方案三视图绘制工作量大且繁琐，各种方案比选往往也是自说自话，各方案优缺点无法有效表达与传递，业主方就不能完全领会意图，造成方案反复。随着BIM技术的发展与应用，基于GIS数据，应用Infraworks、Civil 3D、Revit等软件建立不同方案的三维模型，可直观表达各方案的优缺点，BIM数据的传递也可为方案比选提供精确的数据支撑。在西河泵站工程可研设计中，采用上述设计方法，提高设计工作效率，提升设计成果质量。通过本文的研究，希望对水利工程中的GIS与BIM协同应用起到一定的探索和借鉴作用。

1 工程概况

西河泵站工程位于中顺大围西干堤岐江河西出口的西河水闸西侧，外临磨刀门水道，主要功能为排涝，同时兼顾反向引水，排涝设计流量400 m3/s，引水设计流量145 m3/s。站身采用堤身式块基型结构，采用8台套竖井贯流泵机组，中间4台套为双向泵，其余4台套为单向泵。单机排涝流量50 m3/s，反向灌溉流量36.25 m3/s，水泵叶轮直径3.9 m，单机配套电机功率2 300 kW，总装机容量18 400 kW，水泵与电机采用齿轮箱连接。工程主要建设内容包括：泵房(站身)、翼墙、上下游连接段、交通桥、清污机桥、检修间、控制楼及管理房、站区景观绿化等。

2 模型建立

2.1 场地模型

Civil 3D可以利用高程数据建立三维的原始地形曲面，但众所周知工程测量数据有限，平面范围狭小，仅用测量数据建立三维场地模型不能给人以沉浸式的体验，也就失去三维模型最显著的优势。而增大测量范围又需要增加更多的投资，也超出规范规定的工程测量范围要求，往往也不可行。为此，可借助GIS公开数据和测量数据叠加建立既满足大范围要求又满足局部精度要求的三维地形。具体步骤及技术路线详见图1。

图1 技术路线

(1)借助GIS下载与工程测量图相同坐标系的高程及影像数据。

(2)应用Civil 3D，通过“创建曲面”命令自定义一个“原始地形曲面”，以“点文件”及 “点”方式向“原始地形曲面”添加地形数据来自动生成曲面，通过编辑曲面，对生成的曲面进行符合性检查，排除奇异点，最后对曲面进行平滑及简化处理。

(3)在Infraworks中将该区域的卫星地图与地形信息贴合在一起，从而起到非常好的渲染效果[1]。具体步骤如下：首先在Infraworks中通过数据源导入“AutoCAD Civil 3D dwg”命令将上述原始地形曲面导入；其次将下载好的区域卫星图片通过“Raster”插入到Infraworks中，Infraworks软件会自动根据两者在坐标系中的位置对他们进行整合[2]。

2.2 方案模型

西河泵站主体水工建筑物包括站身、清污机桥、交通桥、上下游翼墙等。三维模型创建复杂，Autodesk AECC套件集提供了一整套解决方案，设计过程中采用Revit建立水工建筑物、房建、辅机、电气、景观等三维模型。

(1)基于Revit建立各方案的模型。Revit是为建筑信息模型而设立的系列软件，为建筑工程行业提供BIM解决方案，是建筑全生命周期的BIM解决方案的基础[3]。在Revit项目文件中绘制构件首先选择构件的类型，然后修改构件所需的具体参数来创建模型。但就水利工程设计而言，项目文件大多数情况下缺少合适的构件类型，此时通过Revit强大的族功能，根据需求创建所需要的族。

族是组成项目的构件，同时也是信息的载体，是Revit进行水工建筑物构件设计的基础，是一个开放的几何图形创建系统。设计师能够自主地创建形状、构思设计，并能按自己的设计理念、设计思想进行表达和调整。创建族的一般步骤为：①通过新建族菜单选择合适的族样板，作为水利工程而言一般选公制常规模型或公制轮廓族；②定义族的子类别，若选择常规模型后，类别可不设置，系统默认为常规模型；③绘制构件几何图形所需的参照平面或参照线；④选择合适的工作平面绘制模型的轮廓线，然后通过拉伸、融合、放样等命令创建实心或空心的几何图形；⑤添加尺寸标注对指定几何图形进行参数化；⑥全部标注尺寸以创建类型或实例参数；⑦调整新模型以核对构件行为是否正确；⑧用子类别和实体可见性设置设定二维和三维几何图形的显示特征，包括模型显示精细度、显示方式；⑨通过指定不同的参数定义族类型的变化，但在水利工程设计中水工建筑物此项工作往往意义不大；⑩保存新定义的族，然后将其载人新项目并且观察运行状态[4]。不同布置方案的BIM模型详见图2。

图2 不同布置方案的BIM模型

(2)三维模型碰撞检测。在三维模型中布置的各水工构件之间是否有碰撞，可通过软件的碰撞检查功能进行测试，如果有碰撞发生，则可调整尺寸或位置，以满足实际生产的需要，避免错、漏、碰、缺等低级错误的发生。

2.3 模型整合

在Infraworks中将三维场地模型与BIM模型进行整合。具体步骤如下：①在Infraworks中通过数据源导入“Raster”命令将BIM模型导入；②在Infraworks中通过模型移动、旋转、缩放等命令对BIM模型进行调整；③在三维地形中对场地地块、道路、水域、河道进行设计。

3 方案比选

在对方案进行技术经济比较时，三维BIM模型不仅可以直观的进行水流条件、交通条件、运行管理条件等定性分析；BIM模型自带的属性还可以统计征占地、土方开挖等信息数据进行定量分析。2种站址方案定性定量比选如下：

(1)方案二船闸位于西河水闸和西河泵站之间，对船闸和泵站正常运行影响大，不利于枢纽功能充分发挥；岐江河侧位置局促，由于紧邻船闸，受船闸上下游引航道影响，即使将上游引河进行拓宽，其水力条件仍较差，易产生回流和旋涡区，不利于枢纽工程正常运行。

(2)方案二较方案一需多征占地约41.33 hm2。

(3)方案一需新开引河约620 m，开挖土方量约50.84万m3，方案二需新开挖引河长约1 060 m，开挖方量约86.92万m3，东侧位置较西侧位置开挖土方多约36.08万m3。

(4)方案二泵站距离西河水闸管理所位置较远，不利于枢纽运行管理。

综上，通过定性定量分析结果，推荐方案一，即西河水闸西侧方案。

4 结 语

与传统设计相比较， BIM+GIS在西河泵站工程设计中的协同应用有着以下优势：

(1)通用性强。随着BIM发展及大数据的应用，BIM+GIS的协同设计不仅可以服务于水利工程设计，该方法也可以在交通、市政、房建等多领域进行广泛应用。文章中涉及的BIM软件均为Autodesk公司产品，各软件之间不存在壁垒，协同程度高，可高效精确地建立三维模型。

(2)提高设计质量。Infraworks软件强大的三维设计能力可直观、真实地反映征占地、场地布置、交通布置等信息，Civil 3D可精确获得土方信息，包括开挖量的计算和开挖边线的确定等，为方案比选提高精确的数据支撑。

(3)良好的三维展示效果。Infraworks平台能提供美观的三维展示效果，可以用任意角度观察工程的整体面貌或局部特征，增强观察者沉浸式的体验，从而促进方案高效传递。