目前, 我国水利行业处在一个转型时期, 从传统向现代科技转变。随着信息化发展, 2 0 1 5年水利部正式提出为促进水利现代化大力发展建设水利信息化的理念。推进水利工程信息化建设, 就要结合BIM技术和G IS技术在水利工程的应用。

茨竹水库是一座具有农业灌溉及农村人畜供水等综合利用功能的小 (I) 型水利工程, 位于重庆市秀山县洪安镇境内, 坝址位于洪安镇猛董村红岩溪, 距离洪安镇场镇约14km, 距离秀山县城约37km。该工程经国家防总批准列入全国2014—2 0 1 6年抗旱应急水源工程, 概算总投资1.1 7亿元, 总库容146.6万m3, 正常蓄水位库容131.3万m3, 正常蓄水位545m。大坝为埋石混凝土重力坝, 坝顶高程547.8m, 坝高45.8m。茨竹水库工程建成后可解决猛董、新田沟、平马、溜沙4个村3 9 4 2亩农田灌溉难题, 同时解决了7 4 7 6人、4 5 8 1头大牲畜和54 471头小牲畜的生活用水问题。

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, 存在图纸信息繁冗、工程枢纽布置复杂、土方量计算不精确等问题。本项目综合运用GIS技术和BIM技术, 通过绘制水利工程的地形及水利工程建筑物BIM模型, 完整实现水利工程仿真信息的数字化查询, 完成水利工程的枢纽布置、土方量计算, 用三维模型直观、生动地表达出水工建筑物的各个细节, 有效防止施工过程的返工风险。

茨竹水库项目采用Autodesk平台的系列软件进行G IS及BIM相关应用, 其中, 采用Infraworks软件进行湖泊、河流、临时道路等相关G IS地形建模。基于G IS模型, 结合实际地形及地质情况, 完成料场、渣场选择工作, 并对后期开挖及回填进行模拟。采用R evit软件进行大坝分仓建模及坝肩开挖体的建模, 并通过添加共享参数的方式, 预先将各分仓模型进行编号, 方便后期自动挂接进度信息, 形成施工模拟, 并进行施工时的进度对比分析;施工期间, 采用Synchro软件进行工期的模拟对比, 实现对施工进度的精确管控;另一方面, 将模型与成本信息关联, 形成5D模型, 提高各专业间的信息交流效率, 减少信息孤岛问题。

运用G IS技术主要处理如地形等宏观数据, 地形模型是描述工程施工总布置的基础, 是建筑物及施工活动的场所, 也是地形开挖的受体。

水利工程地形条件复杂, 挖填土方量大, 土方量计算精度对项目工程量的计算影响重大, 利用数字地形模型, 既可直观地查看场地的三维效果, 也可用于土方计算、纵横断面绘制等设计与计算功能。基于G IS技术的土方量计算建立在与实际地形完全吻合的模型上, 首先建立原始地形曲面模型和设计曲面模型, 这2个空间三维曲面会产生交点并连接成线, 所包围的空间体积即为需要开挖或填筑的土方量。基于G IS技术的原始地形曲面和设计地形曲面是动态关联的, 在方案选择阶段可在模型基础上快速进行土方开挖和填筑试验, 准确计算土方的开挖和填筑量, 从而选出最佳土方开挖方案。

另外, 水利工程的枢纽布置直接影响施工场地的布局, 合理确定枢纽中各组成建筑物之间的相互位置, 对于找到最佳的临时设施位置, 使现场人员和设备运距最小化, 从而对节省工程量、方便施工、缩短工期有重要意义。在方案比选阶段, 建立各水工建筑物的BIM模型, 并结合地形模型形成完整的项目总体沙盘, 能使决策人员直观了解建筑物之间、建筑物与周围地形条件之间的制约关系。基于参数的BIM模型可在G IS数字沙盘中任意移动, 实现一处更改、处处更改, 使每种决策方都成为完整可视的沙盘。

建立 (JIS模型的意义在于, 通过在软件中还原现场真实情况, 布置施工临时道路并完成施工临时场地布置方案的比选, 在项目施工前期相关人员即可对项目体量及周边概况有深人了解。

本项目通过Infraworks软件进行G IS地形地貌建模, 软件通过访问云端数据, 获取真实的地形地貌及高程信息, 直观地还原了施工现场的原始情况。对于精度要求较高的部分, 通过导人DOM、DEM、实测等高线及点云等数据, 形成更为接近实际情况的W S模型 (见图1) 。基于此模型, 完成了施工临时道路及临建设施的布置, 并通过软件快速计算出各布置方案的填挖方量, 通过综合考虑得到最优方案, 完成施工布置的方案比选工作。

工程施工前设计阶段必须对土石方量进行预算, 它直接关系到工程概算及方案优选。本项目填挖方计算主要应用在临时道路边坡的挖填及施工总平面布置。通过调整道路走向、高程或施工场地的布置位置、高程, 达到挖填平衡或尽量减少填挖方量的目的, 从而减少施工工作量, 实现降本增效。

1) 临时施工道路布置基于建立好的G IS模型, 在设置好道路横断面后, 可直接在合适的位置布置道路, Infraworks软件可自动使道路贴合地形, 通过调整道路控制点的位置及高程, 优化道路布置, 并最终分析填挖方量验证道路布置方案效果。

2) 施工总平面布置施工总平面布置的目的是把场外交通引入现场, 因此在满足施工需要前提下, 应尽量减少施工用地, 不占或少占农田, 施工现场布置要紧凑合理。本项目通过在Infmworks中框选合理的施工范围, 建立覆盖区域, 并设定设计平整标高, 获得设计标高上覆盖区域内的一个平面, 并以此和原有地形求差集, 得到填挖方体积, 在合理范围内, 尽量减少施工用地及填挖方工作量 (见图2) 。

基于BIM技术的土方量计算严密科学, 方便修改, 弥补了水利工程中传统土方算量方法的不足, 提高了土方量计算的精度和效率, 为项目方案决策奠定基础。

由于相关的设计工作都需在Civil 3D软件中进行, 且.dw g格式文件更具通用性。因此需要将In­fraworks中的地形数据导出到Civil 3D软件中, 完成数据交互。Infraworks与Civil 3D间的交互主要有以下3种方式。

1) 通过选择需要导出的某条路或桥梁模型, 将其导出成为.dw g模型, 用Civil 3D直接打开便可编辑, 此种方法的限制只能导出道路或桥梁的曲面模型, 不能同时导出周边地形。

2) 通过导出中间格式.imx, 再导人Civil 3D软件中, 此种方法的优势在于, 可以自己框选导出范围, 导出的文件为.dw g格式的等高线, 且涵盖框选范围内的全部模型, 包括道路、桥梁、覆盖区域等。

3) 在Civil 3D软件中, 通过安装插件可直接启Infraworks保存的数据库文件, 常用文件格式为.sqlite, 便可将Infraworks软件内所做的编辑交互传递到Civil 3D软件中, 但此方案对较大的模型支持较差, 同一模型用Civil 3D软件打开对计算机硬件的要求更高。

本项目采取第2种方式进行数据交互, 框选水库及周边渣场、料场等地块后, 导出.im x交互导入Civil 3D软件。

Infraworks软件可进行道路或桥梁的初步设计, 主要是在地形数据基础上, 通过绘制线路中心线确定道路或桥梁走向, 添加中间点, 可将道桥模型分段, 从而分别更改各分段的尺寸信息或桥梁的上、下部分的结构形式。本项目主要用于施工临时道路的布置, 绘制道路中线后, 通过调整各控制点的标高和平面位置, 以确定道路的纵断面及走向, 如图3所示。另外, 在样式管理器中设计好需要的道路横断面形式, 设计参数包括道路路面的布置、宽度、型式及尺寸等, 完成装配后即形成临时道路模型。

相较Civil 3D软件而言, Infraworks有着不错的实时渲染功能, 通过选取合适的连续视角, 并设置关键帧, 软件能平滑过渡连接各关键帧, 形成漫游路径。形成漫游动画后, 可便捷地展示设置路径上项目的概况。另外设置视频文件导出参数后, 还可导出视频文件, 方便传递给项目参与各方, 使相关人员更快了解项目情况。

运用BIM技术主要处理如水工建筑物施工单元等微观数据, 通过建立一个真实描述工程设计的数字信息模型, 实现可视化仿真技术。水利工程与普通建筑工程特点不同, 其建模顺序、方法、要求也有所不同。

1) 确定建模精度 水利工程模型精度划分还未有详细界定, 可参照建筑项目B IM模型精度划分, 按照LODIOO~LOD5 0 0划分为5个等级。

2) 搜集资料, 划分施工单元水工建筑物的形式、构造和尺寸, 与建筑物所在地的地形、地质、水文等条件密切相关, 设计选型独特, 各构件不具有通用性。由于软件本身限制, 进行族划分时应尽量分解到最小单元, 方便后期施工模拟。

3) 模型管理对于模型进行图形管理和信息管理。图形管理包括模型配色和线型要求;模型信息管理包括几何信息和非几何信息。

4) 模型审查模型建成后要进行质量审核。审核内容包括:模型是否达到最初设定的建模标准;构件定位是否准确;关键节点是否与图纸一致等。

基于建立好的水工建筑物BIM模型, 添加进度及成本信息后, 可完成5D施工模拟, 从而加强对项目各方面的把控, 逐步推进水利工程从粗放化向精细化管理转变, 实现施工前可模拟, 施工中可记录, 完工后可追溯等B IM目标。

施工进度是工程管理的一大重点问题, 本项目采用P6软件编辑好细化到单元的进度计划文件后, 将模型与进度计划文件同时导人Synchro平台, 通过设定好的映射规则, 完成三维模型与进度计划作业的自动挂接, 即可形成直观的4 D施工动画, 全面了解计划中各个时间点项目的完成情况, 明确施工顺序及工程量, 不仅深化、丰富了设计阶段的进度编排成果, 更为施工阶段的进度管理提供了直观、可靠的依据。

另外, 通过导入合同数据, 还可同时展示出项目的成本管控状况, 将进度及成本数据可视化, 提高数据的直观性及可读性。

本项目通过录人实际施工进展情况, 可实现计划与实际进度对比, 并将延期及超前的模型单元通过颜色区分, 实现进度的精确管控。项目从以下2方面对进度进行跟踪及迭代优化。

1) 通过导人多个进度计划, 利用Synchro软件对多个方案做对比分析, 并以报表的形式统计2个方案的不同之处, 为进度优化提供一个参考。

2) 将计划进度与实际进度进行对比, Synch件可展开多个3D窗口, 并将每个3D窗口关联一个不同的进度计划, 这样就可在同一时间下进行多个进度计划的4D模拟对比, 进而达到优化迭代的目的。

通过4 D模拟, 将施工计划细化到一周以内, 将原施工计划中不合理的地方显现出来, 提前预判施工中的各种进度及资金风险 (见图4) 。

本项目导入模型、计划进度、成本信息形成5 D模型后, 可导出丰富的E xcel报表, 如进度比对、资源分析、挣值曲线等, 用于汇总形成周报文件或提取工程量等方面。通用性较强的E xcel文件, 使未安装Synchro软件的参与人员更为直观详细了解项目各单项指标, 为实现精细化管理与进度优化提供支持 (见图5) 。

由于模型的通用性问题, 对于未安装R evit软件的协同参与方, 查看.rv t格式的模型文件较为困难。为解决此通用性问题, 本项目采用插件导出3D-PD F文件, 此文件使用Adobe Reader即可打开, 可可供模型查看, 不需安装专业软件, 降低沟通成本, 提提高沟通效率。

水利工程有着施工条件复杂、工程量大、施工难点多等特点。BIM作为一种对建筑物物理和功能特性进行数字描述的信息库, 其模型在工程设计、施工等过程中支持多种应用, 对于一个完整使用BIM技术的工程来说, 不仅包括虚拟的三维可视化模型, 也应包括可视化的施工任务和施工顺序。建立水利工程的BIM 3D模型, 可对工程建造中的成本、质量、进度和安全进行精细化控制, 实现了施工前可模拟、施工中可记录、完工后可追溯等B IM目标。但BIM技术更偏重于微观管理, 集成G IS技术后, 则可提高长线工程和大规模区域性工程的设计、施工及运维管理能力。G IS技术在水利工程中的应用已经相对成熟, 但是BIM技术在此领域的应用刚刚起步。推进水利工程建设的信息化程度, 融合以上2种信息技术是关键。

虽然BIM技术还处于应用尚不成熟, 但项目证明应用BIM技术对整个项目管理流程有极大应用意义, 可合理控制成本和工期, 在确定了B IM实施标准后, 相信BIM技术将给建筑业带来一次新的革命。同时BIM和G IS的整合, 为不同设计专业人员之间的合作提供桥梁, 使得设计准确, 参数更精确, 也为后期的运营维护奠定良好的基础。