舒裕仁,邱珍锋*,王俊杰

(1.重庆交通大学 河海学院,重庆 400074;2.重庆交通大学 材料科学与工程学院,重庆 400074)

随着计算机技术的快速发展,BIM技术在建筑业施工生产管理过程中已经被广泛运用。BIM技术在三维可视化和建筑信息传递与保存方面具有很大的优势。目前,BIM技术在水利工程建设领域的建模及应用仍然较少,处于探索阶段。李利剑[1]通过坝体变形数据运用BIM技术建立了大数据处理模型实现坝体稳定性监测,较早期在坝体中埋入离层仪和应力计的方式,监测精度更高,数据更连续,对坝体稳定性问题预警更准确。卢建华等[2]以物联网云计算为核心信息技术建立基于BIM、GIS、倾斜摄影等组成的三维模型库与仪器组件及水质水文气象等模型结合构建了大坝安全数字管理平台。具备全生命周期、实时动态、数据双向流动的特点,并应用于梅山水库项目中。石庆安等[3]通过Civil 3D软件建立宰章水库BIM模型,进行2次开发解决了坝体填筑单元划分困难的问题并将模型应用于工程三维信息管理平台。樊启祥等[4]构建了GIS+BIM+MIS技术的智能建造管理平台具有实时动态分析和耦合仿真预测及交互协同调控等特点,实现精准动态管理,解决复杂现场环境和人员设备流动变化,工程质量施工安全和结构安全控制问题。将其应用于金沙江溪洛渡拱坝智能建设中使管理人员能迅速掌握一手数据和现场生产情况。田会静、曾寅等[5-6]利用BIM技术开展重力式大坝工程施工技术模拟研究,模拟优化大坝混凝土施工技术参数并基于AHP评价方法分析BIM技术在水利工程中的应用效果取得良好数据。本文对重庆市巫山县庙堂水库工程大坝枢纽工程项目相关结构开展了三维信息模型搭建工作,分别采用Civil 3D及Revit 2种不同的BIM软件进行建模。对比2种建模方法在建模过程、建模效率、模型精度、工程量统计的不同,为类似工程BIM建模提供借鉴。

1 工程概况

重庆市巫山县庙堂水库工程位于重庆市巫山县平河乡后溪河上游河段。项目建成后总库容1 064万m3,有效库容965万m3,多年平均供水量1 881万m3,灌溉面积4.425万亩(1亩约等于666.67 m2)。庙堂水库主体工程由水库枢纽、借水工程、输水线路三部分组成,其中水库枢纽又由大坝挡水建筑物和泄水建筑物、取水建筑物组成。挡水建筑物坝型采用沥青混凝土心墙堆石坝方案利用当地材料进行筑坝。坝顶高程1 121.00 m,坝顶宽9 m,坝顶长256.00 m。大坝上游边坡采用二级坡,坡比为(1.0∶1.8)～(1.00∶1.24),折坡点高度1 055.00 m。下游坝坡设置有“之”字型上坝公路,坡比范围为(1.00∶1.76)～(1.0∶1.3),下游高程1 052.00 m处设有宽60 m的平台。心墙顶部高程1 118.50 m,最大高度103.50 m,顶宽0.6 m,底宽1.6 m,上下游设置有水平宽度3.0～3.5 m的过渡层。溢洪道位于左岸,为岸坡式正槽溢洪道,轴线顺直布置与大坝轴线呈83.9°夹角。由进水渠、控制段、泄槽、消能段组成,全长1 111.50 m。

2 用Civil 3D建模方案

建模对象为大坝挡水建筑物及溢洪道,首先采用Civil 3D软件进行建模。将对象分为三部分:首先建立底部廊道及心墙模型;其次建大坝上下游部分模型;最后建立溢洪道部分模型。本文没有采用部件编辑器进行建模,而是用“要素线”“路线”“道路”等功能进行建模。

2.1 底部廊道建模

在“要素线”选项中点选建立场地,选中相应点后指定相应高程或者距离、坡度,在放坡工具弹窗中创建放坡组对放坡面进行放坡填充,最后生成坝基开挖面。选择“路线”命令从对象创建路线并创建心墙中心线[7]。廊道通过多段线创建部件的方法建立,将廊道外截面二维多段线黏贴到Civil 3D中通过“创建设计”选项从多段线创建部件。选择的廊道截面须由单一多段线图元绘制。选中生成的部件修改好装配原点后添加点代码与线代码及造型代码。多个截面按上述方法依次生成部件添加到装配最后提取实体。廊道隧洞同理,但是形成实心体后需要通过布尔运算进行多次剪切,最后得到有隧洞的廊道实体见图1。

图1 Civil 3D廊道实体模型

2.2 心墙建模

创建心墙装配用连接代码完成,需用到Civil 3D软件内部预设部件。首先确定心墙顶部高程并生成曲面。在左上角选项板中“常用部件”菜单中选择“连接宽度与坡度”命令确定心墙底部的水平位置与长度。选择“连接偏移与高程”命令确定心墙底部至顶面相对高程。选择“指向曲面的连接坡度”命令建立心墙顶部并设立逻辑目标使其连接相应曲面。选择“连接宽度与坡度”命令确定心墙顶部的位置与长度并将心墙顶部与底部相连。在操作过程中输入的对应宽度、高程、坡度等参数均来自心墙的二维CAD图纸数据。最后给心墙顶部添加“指向标记点的连接”命令,将心墙部件截面沿道路的方向上进行连接。选择心墙中心线,目标曲面选择心墙顶部曲面创建心墙道路。检查代码是否重复并删除不需要的代码,从曲面提取实体,心墙实体建立完成见图2。

图2 Civil 3D心墙实体模型

2.3 大坝上下游及溢洪道建模

选择常用构件“指向高程的连接坡度”选项,指定目标高程与相应坡度建立大坝上游装配。创建道路命名为“大坝坝面”。选择常用构件“连接宽度与坡度”选项,在上游坝坡面上指定相应宽度与坡度建立平台。选择“指向高程的连接坡度”选项建立第2个坝坡面。因大坝上游坝面在地形曲面之上,故需为坝面寻找逻辑目标。选择“大坝坝面”选项点选“特性”命令在弹窗中选择“设定目标映射”,在新弹窗中指定目标曲面,选择地形曲面为目标曲面重新生成道路。在“分析”选项卡中选择“曲面之间最小距离”选项依次选择大坝曲面与地形曲面,在“是否缩放到点”选项中选择“否”,在“是否将相交部分连线转换成CAD多段线”选项中选择“是”。因二维图纸的不精确导致生成的交线有中断,故将交线转换成二维多段线进行闭合。从曲面提取实体建立大坝上游坝体模型。因下游坝坡面有马道,故采用绘制要素线的方法建立。首先新建立场地,在场地中根据马道轮廓及坝面轮廓绘制相应高程的要素线再生成曲面。将下游坝面曲面与地形曲面取交线进行裁剪后通过曲面生成带有马道的下游坝坡面见图3。

图3 Civil 3D大坝实体模型

3 用Revit建模方案

3.1 模型拆分

用Revit进行参数化建模需对模型进行拆分。拆分的详细程度越高可以提高族库的重复利用性[8]。因庙堂水库坝型为沥青混凝土心墙坝,故在拆分模型时考虑横向和纵向2个方向进行拆分。本文根据实际需求用横向和纵向结合的方法将沥青混凝土心墙坝进行拆分。纵向上,将模型按坝顶、心墙及基座、灌浆廊道拆分;横向上,按上游坝坡、心墙过渡层、心墙,拆分见图4。

3.2 建模思路

将模型进行拆分后再对各个部件进行参数化建模。对各部件建立相应的构件族库,通过标高及轴网进行定位,用搭积木的方式进行装配[9]。对于相似部件只需调整相应参数值即可重复利用减少了工作量节省时间。具体思路如下:选择合适的族样板创建族文件;创建参照平面;通过拉伸、放样、融合等命令定义族构件尺寸创建构件实体形状;添加尺寸参数并进行调试;添加材质及其他属性;按以上步骤建立各构件族形成构件族库;选择项目样板创建项目文件;将构件载入项目文件创建实例模型;建好轴网标高定位构件模型;最后拼接各构件模型形成建筑物整体模型,见图5。

图5 Revit建模流程

3.3 上下游坝体建模

挡水坝段按材料进行分区拆分。一共分为5个部分:上游开挖料利用区(灰岩夹页岩料)、上下游灰岩坝壳区(灰岩料)、下游坝壳区(页岩石渣料)、下游盖重区(土石混合料)和下游排水区(灰岩大块石料)。因每个部分形状不同且大多不是规则形状,故需选择既满足水利工程需求同时通用程度较高的族样板文件进行模型创建。具体建模步骤如下:①首先新建族样板文件,在对话框中选择“公制常规模型”选项。②因各个部件形状不规则且截面不断改变,故需要多次使用“放样融合”创建命令。选择“放样融合”创建命令,确定好所建部件2个截面相对高程及距离,分别对2个截面轮廓进行参数化绘制。因为部件形状不规则,其截面也是不规则图形。截面轮廓的绘制可将CAD截面图导入Revit使用。CAD截面图导入Revit中需设置导入单位与导入位置[10]。Revit默认单位是“英尺”或“英寸”需根据 CAD图比例进行调整。定位设置设为“原点到原点”使模型坐标统一。③绘制部件模型时对参数进行修改,将截面尺寸标注与选项卡中“标签”选项进行关联设置。参数设置完成后要对参数进行试调确保参数改变驱动模型变化。④部件形状建好后进行材料设置,考虑外观显示及材料不同,对每个部件新建材质并按原材料命名。通过Revit中自带材质库,选择具有相似外观表现与物理属性的材料,并对细节部分进行调整来满足工程需要,见图6。

图6 Revit坝体部分结构模型

3.4 心墙及过度层建模

沥青混凝土心墙厚度依照SL 501—2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》确定为0.6～1.6 m。考虑CAD图纸存在角度误差及Revit建模时产生的部件数量较多,一旦出现角度偏差难以调整,故在Revit建模过程中将心墙顶部与底部宽度保持一致。心墙截面形状较为规则,心墙与坝基混凝土基座接触处设置为弧形,以增加心墙与坝基基座的接触面积,弧形半径为0.3 m。心墙采用混凝土C25。在心墙厚度变化处进行分段,因此将心墙分为三部分。考虑到心墙除了厚度不一样,其材料及物理属性完全相同,心墙参数化建模以心墙厚度为变量,导入各段心墙截面图,使用“拉伸”创建命令,后面步骤与建立坝体过程一样,绘制出各段心墙模型。心墙过渡层水平宽度为3.0～3.5 m,截面形状规则,将截面导入Revit进行放样操作也可以在Revit里进行心墙过渡层截面绘制然后进行拉伸操作,见图7。

图7 Revit心墙实体模型

3.5 基座廊道建模

大坝左岸基座灌浆廊道坡比为1∶2,出口位于溢洪道旁高程113.50 m;右岸基座灌浆廊道坡比1∶1出口位于大坝坝顶。基座顶宽11.2 m底宽5.5 m高6.6 m,基座内灌浆廊道净空3.0 m×3.5 m。基座廊道截面形状较为规则且内有空心,所以在建模中要用到“空心形状”里的“空心放样”与“空心拉伸”命令。新建族文件选择公制常规模型,依照 CAD图纸在Revit绘制出廊道的截面形状。廊道截面形状不同故对廊道进行分段具有相同截面部分通过“空心拉伸”的命令进行绘制,需确定好空心拉伸长度及整部分模型长度。截面形状不同部分要用到“空心放样”命令其操作同“空心拉伸”命令相似。需注意族属性选项卡中勾选“加载剪切的空心”这样在项目中才可以载入空心构件,见图8。

图8 Revit廊道实体模型

3.6 模型装配及导入地形曲面

在Revit中新建项目文件,主要进行轴网标高的布置,目的是定位单一构件的空间坐标及确定所有构件的空间布局。标高对应高程信息,在之前创建族构件的时候统一以坝顶高程为参照标准,所以现只需创建4条标高,分别是坝顶高程、坝底高程、心墙高程、廊道高程。因为模型体积较大,所以“视图范围”属性要设置成无限制视图深度[11]。轴网对应水平位置,其布置参照坝轴线、心墙、廊道的位置进行布置。将各部分族构件载入项目文件中通过建立的轴网标高进行定位安放最终装配成完整的沥青混凝土心墙坝BIM模型。

地形是影响工程项目施工的重要因素,为了建筑物模型的正确布置,建立精确的地形模型具有重要意义。Civil 3D软件与Revit软件具有良好的互通性。因此本文采用Civil 3D软件建立地形[12]。从Civil 3D软件建立的地形提取等高线、高程点等地形信息,将地形保存为DWG格式导入到Revit中选择“体量和场地”菜单栏的“地形表面”的命令,通过导入实例创建Revit地形模型。再将沥青混凝土心墙坝模型与地形模型通过空间点定位组合起来,见图9。

图9 Revit大坝实体及地形曲面模型

4 两种方案建模对比

4.1 两种软件的适用性

Civil 3D是满足土木工程专业需求而定制的设计软件。在软件中可以进行流域分析、道路设计、场地测量等操作。对设计的平面、横纵断面、道路模型都是动态且相互关联的。在创建地形模型的基础上可进行复杂道路设计,所有构件装配的模型均包含参数化信息[13]。软件的动态可视化在修改的同时能看到修改后的三维视图使三维模型更加直观。Revit则是偏向于建筑设计结构分析管线设计专业的设计软件。具有较强的兼容性,有丰富的接口可与多种格式文件进行交互如DWG、DWF、IFC,与其他软件进行协同提供极大便利。所有的图纸、平面图、三维视图及明细表都建立在建筑信息模型的同一个数据库中,实现模型参数化,修改与维护方便,模型与图纸动态关联。

4.2 建模效率及工程量对比

用Revit进行放样拉伸融合创建模型需要手动绘制路线并为路线两端进行断面轮廓绘制。当截面轮廓较为规则时,可以直接将CAD截面图导入Revit使用。但大部分构件在拆分时其截面轮廓并非规则图形所以需要手动绘制,即使直接将CAD截面图导入Revit也需要在变坡点或拐点处进行处理或重新绘制。不同结构层甚至需要多次绘制截面并进行创建。这对二维图纸的精确度要求较高,造成工作量大的高重复性操作。并且Revit建模机制无法处理空间曲线建模曲率控制等问题,容易造成模型出现偏差。建立的模型与地层地质几乎没有关联,而实际工程中不同地层开挖会影响大坝的受力及稳定性等问题。用Civil 3D建模方案,模型精度较Revit模型精度更高,同时大幅减少重复工作量,在建立部件时确定好路线及断面软件会自动生成构件模型。Civil 3D建模高度结合地质信息,模型与三维地质紧密结合符合工程实际,且更加直观方便后续将模型进行力学分析,大幅提升模型应用价值。以挡水坝段为例,用Revit建模方案建模过程耗时近6周投入人力4人,采用Civil 3D建模耗时3周投入人力2人,考虑人员及时间因素,Civil 3D建模效率对比Revit建模至少提升4倍。以廊道建模为例,见图10、11和表1。

图10 Revit廊道实体及细节部分

图11 Civil 3D廊道实体及细节部分

表1 廊道建模对比

统计对比2种建模方案工程方量偏差达3 000余m3,见表2。

表2 坝体模型工程统计 单位:m3

根据表格数据分析Revit模型工程量小于Civil 3D模型,这是由于大坝的构件大多是不规则形状体,Revit对于这种结构无法精确建模只能近似模拟其轮廓并以此建立模型。另外Revit默认比例与CAD图纸的比例不同且数据传输中存在部分数据丢失情况,导致此次建模中Revit图形比例略小于CAD,而Civil 3D与CAD数据传输更加便捷,CAD图纸能无需调整直接导入Civil 3D故不存在上述问题,且将CAD图形导入Revit中需要手动调试图形比例和原点位置。CAD图形或线段导入Revit中有时会发生无法拾取的情况,需要手动绘制连接线。这些是导致Revit建立大坝模型出现误差的主要原因。

4.3 两种软件建模优缺点对比

分析建模优点发现:对于大型水利工程的建模,使用Civil 3D软件建模较Revit软件建模具有更大优势。Civil 3D建立的模型后续应用也更加广泛。将Civil 3D与Revit建模方案对比分析,能够发现Civil 3D建模方法在建模效率和模型精度及断面查询方面较于Revit建模方法有明显的优势,见表3。

表3 Civil 3D与Revit建模应用对比

分析建模缺点发现:Revit建立水工建筑模型时,在面对复杂截面构件时无法精确建模,导入CAD图形也存在数据丢失的问题,针对复杂截面构件,可通过 Civil 3D建模再通过插件将模型导入 Revit中的方法解决,或者将复杂构件细分成有多个简单形状的构件后再将简单部件模型进行拼接组成复杂构件模型。Civil 3D多段线方法建立水工建筑模型虽然精度比Revit高,但模型参数化程度较低,需重新生成实体模型。可通过Civil 3D附带工具部件编辑器进行可视化编程来建立模型。对于截面简单的构件用部件编辑器建模调整参数即可重复利用节省时间。复杂构件仍按多段线方法建模即可。

5 结语

通过Civil 3D和Revit软件对庙堂水库上下游堆石区、心墙、基座廊道及溢洪道进行了建模。并分析了2种软件在水工大坝建模中的适用性。结果表明,采用Revit软件建模的方法存在工作重复率高、工作量大、模型精度不高的问题。采用Civil 3D软件建模的方法在水工建筑复杂截面的构件建模中展现出高效率,优势明显,且模型精度高于Revit建模。Civil 3D建的模型与地质模型高度融合比Revit软件处理地形问题更加方便。针对心墙土石坝大型水利工程项目建模,Civil 3D软件建模方法更加符合工程实际。