陈向东

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司云南分院，昆明 650000）

BIM （Building Information Modeling） 技 术 是Autodesk公司在2002年率先提出的。 欧特克平台是建筑领域三大主流BIM平台之一， 经过几十年的发展目前已经有数款可以应用到建筑工程设计项目的软件。 其软件平台的应用已经在全球范围内得到业界的广泛认可。就目前水利设计而言，BIM技术的应用还处于普及的基础阶段。 水利枢纽工程体量大、设计专业广泛、建筑物种类多、结构复杂且与地形结合紧密， 因此在充分借鉴建筑工程BIM技术经验的同时，必须探索出适合水利枢纽工程的三维设计方式。 合理有效的水利BIM三维设计思路能够帮助设计单位在设计勘察阶段提高水利枢纽项目的设计效率与质量。 与此同时水利BIM三维模型可使业主和评审专家在沉浸式的三维视频中明晰设计方的设计意图，全景展示设计思路，避免勘察设计阶段的返工。

1 云南某山区水库工程概况及BIM应用思路

本山区水库枢纽工程由大坝、溢洪道、导流输水系统组成。 枢纽布置格局为主河床布置黏土心墙风化料坝，左岸布置导流输水系统（初期为导流洞），左岸布置表孔溢洪道。

本工程的BIM应用思路如下：

（1）利用Revit对水库枢纽的导流输水系统、溢洪道进行结构建模，并且导入到Navisworks中进行碰撞检查和分析，及单个建筑物漫游动画的录制。

（2）使用Civil3D对黏土心墙风化料坝进行建模，并对溢洪道、 导流输水系统的进出口段的开挖进行边坡设计和建模。

（3）将在Revit中建立的导流输水系统、溢洪道的模型建筑结构模型和Civil3D中建立的大坝、 边坡模型导入到Infraworks360中进行整合和渲染。

2 利用欧特克BIM平台建立水利枢纽的三维模型

2.1 利用Revit建立水利枢纽结构模型

Revit是欧特克BIM平台的结构建模软件， 拥有强大参数化建模能力， 其族库可以把大量的族按照特性、参数等属性分类归档建立完整的数据库。各个水利项目之间有一定的共性但是各个构件之间的可替代性并不强， 现有的Revit族库没有可以直接调用的水工构件， 所以作为水利工程师必须自己建立水利工程的族库。Revit有着丰富的族样板，可以根据需要自己开发水工族库。

溢洪道工程基本参数： 溢洪道设计泄量48.9m3/s，校核泄量74.4m3/s，由进水渠、控制段、泄槽段及消能防冲段组成，建筑物全长283m（含进水渠），进口采用有闸控制的a型驼峰堰型式， 堰净宽5m， 堰顶高程1797.50m。 溢洪道泄槽段由3段组成，分别为交通桥段、无压隧洞段、明渠陡槽段，其中：交通桥段采用矩形槽断面型式，由5.3m（高）×5m（宽）渐变至6.5m（高）×5m（宽），底坡1/10；无压隧洞段断面型式为城门洞型，长79m，由5m（高）×5m（宽）渐变至4m（高）×4m（宽），底坡1/10；明渠陡槽段采用矩形槽断面型式，长110m，断面尺寸4m（宽）×2.5m（高），底坡1/1.33。 末端消能方式采用消力池底流消能， 消力池长26m，宽10m，池深1.7m。

溢洪道建模首先利用族功能自己建立混凝土构件的基本族库，将溢洪道的进水渠、控制段、泄槽段及消能防冲段等混凝土结构分段进行建模。 打开Revit的族样板文件库， 挑选适合水工建筑物异形建模的样板格式， 常用的为公制结构框架- 综合体和桁架、公制结构基础等样式。 将事先准备好的CAD草图，以图块的形式整体导入Revit的族样板文件，注意调整好坐标和缩放比例。 对照着结构图立面、 平面图，使用拉伸、融合、旋转、放样等建模方法将水工结构的三维模型构建完成。其中进水渠、控制段主要使用拉伸功能，斜槽段使用拉伸和空心放样的功能，消力池使用实心放样、拉伸功能。为方便在后续其他工程的溢洪道建模使用， 将各个结构的主要特征尺寸和角度进行参数化赋值， 并将其导出成可以用Excel打开的CSV格式文件。 今后在其他项目的中可以通过编辑CSV表格的方法， 对水工模型的尺寸进行直接编辑，省去了重复建模的工作量。 对进水渠、控制段、 泄槽段及消能防冲段等结构建模完成后分别保存在自己族库文件夹中， 这样一个基本的溢洪道族库就基本完成了，以后随着溢洪道种类的增多，族库会越来越丰富。

图1 溢洪道驼峰堰控制段

图2 溢洪道调整段

图3 溢洪道交通桥段

导流输水系统基本参数： 导流系统设计流量35.59m3/s，总长567.20m。 导流系统由明渠专用段、控制段、无压洞专用段、无压洞共用段、陡槽段和消力池（含尾水渠）组成；其中明渠段长119.20m，进口位于坝轴线上游255.00m 岸坡脚， 进口底板高程1740.00m；控制段长4m，设1.8m×1.8m工作闸门一道；无压洞段总长363.00m（后段199.25m为共用段），城门洞型，断面尺寸2.2m×2.5m，进口底板高程1740.00m；陡槽和消力池段（含尾水渠）总长81.0m。 导流输水放空隧洞布置于大坝左岸山体内， 输水系统与导流系统通过“龙抬头”的方式结合，导流洞采用无压隧洞，输水放空洞采用进口设置有压短洞的无压隧洞，洞内明铺DN1200输水放空管。 输水系统设计引水流量2.17m3/s，总长428.35m。 输水放空洞进口位于导流洞上方16m处，进口高程为1760.40m，输水放空隧洞由进口竖井段、有压隧洞段、检修竖井段、钢衬连接段、无压隧洞共用段、出口阀室段等组成。其中进口竖井段长4.65m，为1.8m×1.5m的矩形竖井进水口，进水口高程1760.40m；有压隧洞段长60m，城门洞型，断面尺寸1.5m×1.8m；检修竖井段长4.6m，设1.5m×1.5m检修闸门一道； 钢衬连接段长101.4m， 为D=1.8m圆形断面；无压隧洞共用段177m，城门洞型，断面尺寸2.2m×2.5m；出口阀室段长7.5m，框架结构，内设分水阀。 输水放空系统在检修竖井闸室设方圆渐变直接接1.2m钢管， 钢管明铺于无压洞中， 输水管0+350.75处设DN1200正三通，一岔为放空，一岔接入阀室。

导流输水系统的建模方法与溢洪道的基本一致，不同的是导流输水系统的结构数量更多，结构样式更复杂。 在使用族样板文件进行建模之前一定要理清思路，将输水和导流隧洞的结构分段划分好。对引水明渠段、控制段、无压洞专用段、无压洞共用段、陡槽段和消力池（含尾水渠）等段分别选用合适的族样板文件，单独建模。需要注意的是在隧洞的洞室段进行建模时一定要注意空心放样的立面位置， 放样路径的设置。

图4 隧洞进口段

图5 竖井基础

图6 竖井控制闸室

图7 竖井闸室内内部二期混凝土

在溢洪道、导流输水系统族库文件建立完成后，新建Revit的结构样板文件将上一步中建立好的族文件全部导入。 在建模界面中布置平面轴网和标高系统，将导入的族文件拼接成完整的水工建筑物。项目浏览器中可以查看各个建筑物的混凝土量、 各个剖面的结构图， 检查完毕后将建立好的模型导出成FBX 格 式 和NWC 格 式， 以 便 导 入Infraworks360 和Navisworks中。

图8 导流输水系统和溢洪道的Revit联合模型

2.2 利用Civil3D软件进行水利枢纽的场地平整和开挖回填建模

大坝为黏土心墙风化料坝，坝顶长220m，最大坝高88.3m，坝顶宽度为10m。 坝顶高程1802.30m，坝顶上游侧设L型C25钢筋混凝土防浪墙， 防浪墙顶高程1803.50m，顶部高于坝顶1.2m。上游坝坡坡比为1：2.25，在高程1758.28m处与抬头坝结合留10m宽平台。下游坝坡坡比为1∶2.25， 分别在高程1780.00，1757.50m设2m宽戗台，高程1735m以下设排水棱体，排水棱体顶宽5m，内坡比1∶1.5，外坡比1∶2.25。上游坝面护坡在1758.28m高程以上采用20cm厚长方形C20混凝土预制块结合C20现浇混凝土护坡； 以下采用砂砾石护坡。 下游坝面护坡均采用10cm厚长方形C20混凝土预制块护坡， 下游坝面设2m宽的C20混凝土上坝台阶。

Civil3D软件具有强大的地形处理功能， 其强大的地形处理和分析功能能够帮助水利设计工程师快速进行水利枢纽的三维方案布置、 土方开挖回填及计算。 另外Civil3D软件还可对创建的三维地形曲面模型进行智能编辑、视点漫游等。

具体操作如下： 首先建获取原始地形数据包括等高线、高程点，设置其名称，所在图层、高程线显示范围、显示样式等，以此立枢纽场地的三维模型。 建立大坝的放线路线，导入准备好的大坝剖面部件，利用道路建模的方法，生成大坝的三维模型。然后使用分析功能将大坝模型和枢纽场地模型进行融合，生成完整的大坝开挖的三维模型。 使用软件自带的对象查看器功能对地形、大坝的三维模型的合理性、准确性进行查看。对于溢洪道、隧洞进出口使用类似的方法，首先利用cad的矢量线建立目标模型，接着使用分析命令将目标曲面和场地曲面进行分析融合，生成开挖曲面。 此外还可以对生成的三维模型进行坡度坡度分析、汇水流域分析。将各个开挖回填面分别以imx格式导出。 水库的水域用pl线闭合导出成SDF格式。

图9 大坝及边坡开挖模型

2.3 使用Navisworks软件进行单体建筑物的展示

Navisworks软件可以实现模型实时的可视化，支持项目的漫游， 检查核对复杂的三维模型以及其中包含的所有项目信息，并且生成视点动画，模拟施工过程，获得非常好的可视效果。

导入nwc文件， 建立三维动画视点录制视点动画，模拟施工进程，录制施工动画，实现360度无死角对水工混凝土模型进行游览。 还可以对各个建筑物结构之间是否碰撞进行检查。

图10 Navisworks中进行模型的漫游

2.4 使用Infraworks360软件进行水利建筑物集成的展示

Infraworks360是欧特克平台的三维集成软件。软件操作门槛低，操作简捷易懂。拟真动画模拟逼真的渲染材质，提供使用者自定义图库，让模型丰富程度更高。 具体操作如下：

（1）导入imx格式的枢纽三维模型，导入sdf格式的水域边界。 导入fbx格式的Revit水工模型，注意调整好角度坐标系。

（2）施工道路可以直接在Infraworks360软件中使用道路规划功能进行设计， 打开道路纵断可以直接检查和调整。

（3）在九一卫图软件上截取地形所在范围的TIF格式的谷歌影像图片， 利用Civil3D 插件工具RasterDesign赋予谷歌地球影像与原始地形数据相对应的坐标系， 再将处理后的影像图片导入Infraworks360，即可将谷歌地球影像与已经导入的三维地形模型进行准确的合成。 若影像图片精度足够高，贴图后的三维效果则越逼真，九一卫图软件的会员级别越高，能够下载的卫星贴图的数据越精确。

（4） 模型集成完整后对各个可视面进行材质赋予，已达到最好的视觉效果。

（5） 打开Infraworks360软件的动画录制界面，设计动画漫游路径，调整好天气、光照、云量。

图11 Infraworks360软件界面

3 利用视频剪辑软件进行视频素材渲染

将无人机现场拍摄的视频、Navisworks软件导出的视频、Infraworks360软件导出的视频、 配音的音频导入会声会影软件中， 并且加上转场字幕等特效最终导出完整的三维视频。

4 结语

水利工程具有地形条件复杂、设计选型独特、涉及专业广等特点，又面临着工程枢纽本身布置复杂、缺少族库的问题。本文简要介绍了利用BIM平台进行水利枢纽三维建模的方法和步骤， 为水利设计工程师在勘察设计前期应用BIM技术提供了思路。借助欧特克的BIM平台建立三维模型， 其成果可视化程度高、美观、明了，且能够将土方开挖回填量，混凝土量实时呈现给设计人员， 同时提高施工总布置三维设计工作效率和准确性。 借助视频剪辑软件渲染三维视频在项目汇报中呈现给业主和评审专家， 实现了业主、专家、设计方无障碍沟通，极大地提高了项目的推进速度。