李敏

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

基于BIM技術(shù)的可視化水利工程設(shè)計(jì)仿真

李敏

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

水利工程是一項(xiàng)建筑、能源、地質(zhì)、水文、生態(tài)等多專業(yè)交叉應(yīng)用的復(fù)雜項(xiàng)目，因此在水利工程的設(shè)計(jì)過程中，需要進(jìn)行多方面的信息溝通與共享，尤其是工程技術(shù)與施工管理之間的協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計(jì)基于CAD技術(shù)，不利于信息共享，且難以與成本、進(jìn)度等項(xiàng)目管理對(duì)接。BIM技術(shù)是新興的集成了3D建模+4D施工組織設(shè)計(jì)管理的建筑信息建模系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)CAD具有可視化、時(shí)序化、集成化的仿真模擬效果。本文首先介紹BIM技術(shù)的基本構(gòu)架，進(jìn)而分析BIM技術(shù)的具體仿真應(yīng)用及注意要點(diǎn)。

BIM技術(shù)；水利工程；可視化；設(shè)計(jì)仿真

引言

傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計(jì)以CAD為主，在工程設(shè)計(jì)上，主要的參與者是設(shè)計(jì)與施工的專業(yè)技術(shù)人員，工程設(shè)計(jì)方案的主要形式是二維CAD的工程圖。二維CAD工程圖的識(shí)圖需要一定的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，參與水利工程設(shè)計(jì)施工的其他人員往往難以直觀地了解與熟悉具體的工程方案，不利于工程信息的交換與共享。BIM技術(shù)是近年來逐漸興起的一種新的可視化三維設(shè)計(jì)技術(shù)，集成了CAD建模、項(xiàng)目進(jìn)度管理、施工過程、物業(yè)維護(hù)等多種功能，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)信息與成本信息的共享與管理。

1BIM技術(shù)介紹

1.1BIM技術(shù)的起源

BIM即Bui1dingInformationMode1ing（建筑信息建模），最早是在20世紀(jì)70年代由美國的建筑與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究者提出的。其基本構(gòu)想是：將建筑工程的所有幾何模型信息、構(gòu)件與設(shè)備性能信息、施工信息、環(huán)境信息等，整個(gè)建筑工程項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的所有信息整合到一個(gè)模型中，使得建筑工程從設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等全部過程的信息都得以統(tǒng)籌管理。

1.2BIM應(yīng)用模塊的構(gòu)成

發(fā)展至今，BIM技術(shù)在國外已經(jīng)發(fā)展地較為成熟，以較為常用的Autodesk公司出品的BIM系統(tǒng)為例，一般包含以下幾個(gè)模塊：CAD工程設(shè)計(jì)模塊、Civi13D地形處理模塊、Revit建筑結(jié)構(gòu)建模、AIM快速表現(xiàn)模塊、Navisworks施工動(dòng)畫模擬模塊。

CAD模塊集成了以AutoCAD為代表的二維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件以及機(jī)電設(shè)備建模的各類三維CAD軟件。其中二維模塊可以將AutoCAD格式的工程設(shè)計(jì)圖紙以超鏈接打開進(jìn)行編輯與保存。二維模塊也可以說是BIM系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品的出口，因?yàn)闊o論是參數(shù)化的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣布置，還是施工組織布置，最終還是要以二維工程圖的形式出具。三維模塊主要配置了Autodesk公司自行出品的inventor等軟件，同時(shí)兼容igs等通用格式的三維模型文件。

Civi13D軟件可以根據(jù)點(diǎn)、折線等傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行地形曲面建模。同時(shí)通過布局工具生成地塊模型，且生成的地塊模型之間有過渡關(guān)聯(lián)，即對(duì)某一地塊進(jìn)行變更，其相鄰地塊與之過渡區(qū)域也會(huì)相應(yīng)變化。而其道路建模與土方量計(jì)算功能則更為實(shí)用。Civi13D能將水平與垂直的幾何圖形與定制化截面組件進(jìn)行結(jié)合，建立公路和其他交通道路動(dòng)態(tài)三維模型。土方量計(jì)算則利用平均斷面積算法，實(shí)現(xiàn)曲面土方量的計(jì)算。

Revit主要支持建筑工程方面的建模與應(yīng)用。其包含建筑設(shè)計(jì)、MEP工程設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)工程3個(gè)模塊。建筑設(shè)計(jì)模塊能夠提供強(qiáng)大的概念設(shè)計(jì)與外觀設(shè)計(jì)功能。MEP則給暖通、電氣和管道工程師提供了用于復(fù)雜建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具。結(jié)構(gòu)工程主要提供建筑結(jié)構(gòu)工程的強(qiáng)度校核、配筋等功能。AIM可以將CAD、Civi1與Revit建立的模型導(dǎo)入進(jìn)行布置，以展示施工不同時(shí)間點(diǎn)的狀況與施工布置。具體見圖1。BIM中動(dòng)態(tài)效果、施工進(jìn)度動(dòng)畫展示，通常使用Navisworks或者3Dmax軟件，能實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的可視化效果。

圖1水利工程BIM施工組織設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊

2可視化BIM水利工程設(shè)計(jì)仿真應(yīng)用

2.1水利工程CAD建模應(yīng)用

BIM中的仿真設(shè)計(jì)中，首先是建立水利工程的可視化工程模型。水利工程的BIM三維建模主要包括以下幾個(gè)方面：大壩總體結(jié)構(gòu)的建模，如圖2所示；壩體與廠房細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)建模，如圖3所示；水利機(jī)電設(shè)備的建模，如圖4所示。

圖2大壩總體結(jié)構(gòu)建模

圖3壩體與廠房細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)建模

圖4水利機(jī)電設(shè)備建模

在水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工組織設(shè)計(jì)中，3D建模都十分重要。在BIM中的主要用途有3個(gè)方面：①將2D工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D可視化模型，便于工程人員與施工管理人員消化熟悉工程的具體結(jié)構(gòu)與布置；②可賦予3D模型材料屬性與邊界條件后，用于工程力學(xué)仿真分析；③為后續(xù)的地形仿真、施工布置、施工進(jìn)度仿真、施工動(dòng)畫模擬提供實(shí)體模型。當(dāng)前實(shí)體建模的方式有許多，可以利用AutoCAD中自帶的三維實(shí)體建模模塊，或者從其他軟件中導(dǎo)入通用格式的三維實(shí)體模型文件。對(duì)于水利機(jī)電設(shè)備，也可以導(dǎo)入由設(shè)備制造方提供So1idworks等機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件建立的模型。

在CAD應(yīng)用中，要注意以下2點(diǎn)：

（1）統(tǒng)一三維建模標(biāo)準(zhǔn)。由于水利工程項(xiàng)目分工精細(xì)、工程浩大，不同的供應(yīng)商和設(shè)計(jì)單位所采用的三維建模標(biāo)準(zhǔn)往往有所區(qū)別。為了提高設(shè)計(jì)效率，工程項(xiàng)目部應(yīng)編制統(tǒng)一的三維建模標(biāo)準(zhǔn)，通告給參與工程的各方。

（2）明確圖紙的實(shí)效性。在水利工程設(shè)計(jì)中，往往要進(jìn)行多次設(shè)計(jì)變更，可能是建筑工程方面也可能是機(jī)電設(shè)備方面。因此圖紙與模型必須保證實(shí)效性，無論參與設(shè)計(jì)各方的圖紙是哪個(gè)版本的，均應(yīng)以項(xiàng)目部統(tǒng)一出具的圖紙為準(zhǔn)，不得擅自更改。

2.2地形處理仿真應(yīng)用

BIM系統(tǒng)中地形處理仿真一般采用Civi13D等軟件處理，可以創(chuàng)建三維的地形曲面，并且賦予地形地質(zhì)的特征，將河流、山川、植被等數(shù)據(jù)直接賦予實(shí)體模型，如圖5所示。

圖5Civil3D地形處理效果

除了進(jìn)行地形仿真之外，Civi13D還能夠在地形曲面上進(jìn)行土方工程的明挖基坑與渠道、放坡、施工道路設(shè)計(jì)等操作，并且能夠計(jì)算土方量并生成土方施工圖，同時(shí)輸出土方量的計(jì)算表，見表1。

表1施工道路挖填土方計(jì)算輸出

Civi13D建模中，進(jìn)行土方量計(jì)算時(shí)，應(yīng)該要注意可直接用于本工程填方的挖方工程量計(jì)算以及回填用挖方的挖掘地點(diǎn)的設(shè)計(jì)與布置，這一點(diǎn)對(duì)土方工程的成本控制有十分巨大的影響。

2.3建筑施工結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)用

BIM中還集成了建筑施工結(jié)構(gòu)工藝仿真模塊，常見的有Revit軟件等，主要進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)配筋、施工設(shè)備建模、施工布置等。Revit軟件可以賦予三維模型多種建筑材料特性，比如結(jié)構(gòu)鋼、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土、磚砌等多個(gè)種類。進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接利用現(xiàn)有三維模型，選取不同類型的配筋形式轉(zhuǎn)化成施工配筋模型，供后續(xù)施工進(jìn)度模擬，如圖6所示。另外，還可以建立施工設(shè)備模型，并且進(jìn)行布置，圖7為塔帶機(jī)模型。

圖6混凝土結(jié)構(gòu)配筋模型

圖7塔帶機(jī)設(shè)備模型

使用Revit進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該要注意材料特性設(shè)置以及載荷的定義。相比PKPM等專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，Revit的功能更多的體現(xiàn)在MEP與建筑設(shè)計(jì)方面，因此用于正式評(píng)審的強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告，應(yīng)該用專業(yè)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行分析后與Revit的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.4施工方案布置展示仿真

BIM系統(tǒng)一般還配置有AIM軟件，可用于在虛擬環(huán)境中快速布置建筑、設(shè)備、地形等模型。可以將以上幾個(gè)模塊建立的模型快速導(dǎo)入其中，并且進(jìn)行虛擬布置，其中由Revit模塊建立不同時(shí)段的施工混凝土結(jié)構(gòu)模型，也可以進(jìn)行時(shí)序化布置，以進(jìn)行工程各階段的施工展示，如圖8所示。

圖8AIM中的施工方案布置展示

在應(yīng)用AIM模塊進(jìn)行施工方案快速布置展示時(shí)，應(yīng)注意不同施工場景文件的分類與時(shí)序化管理。BIM的4D施工管理除了3D之外的第4個(gè)參數(shù)就是時(shí)間，對(duì)于施工進(jìn)度的體現(xiàn)，是BIM的一個(gè)非常重要的特色功能，因此時(shí)序化在AIM設(shè)計(jì)中要認(rèn)真處理。

2.5實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真與施工進(jìn)度管理

BIM系統(tǒng)還集成了Navisworks或者3Dmax等動(dòng)態(tài)仿真與動(dòng)畫渲染軟件。其中Navisworks可以將CAD、Civi13D、Revit等軟件建立的建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備、地形、施工設(shè)備等模型導(dǎo)入，并且進(jìn)行渲染與動(dòng)態(tài)進(jìn)度模擬。同時(shí)導(dǎo)入導(dǎo)出施工進(jìn)度數(shù)據(jù)。另外，還能夠?qū)⒘W(xué)分析數(shù)據(jù)、土方計(jì)算數(shù)據(jù)、AIM全時(shí)段施工布置數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中，從而查詢水利工程的4D施工面貌與具體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及具體地形道路施工土方作業(yè)數(shù)據(jù)等，具有強(qiáng)大的功能。

要注意的是，Navisworks的功能雖然十分強(qiáng)大，但是由于需要集成前面多個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，因此對(duì)計(jì)算機(jī)的壓力較大，多以服務(wù)器作為載體。除體現(xiàn)施工進(jìn)度成本、施工分時(shí)效果、工程量之外，還能將結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果集成其中，不過建議將結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的結(jié)果單獨(dú)存儲(chǔ)，避免對(duì)系統(tǒng)造成過大壓力。

3結(jié)語

BIM技術(shù)作為能夠?qū)崿F(xiàn)3D建模+時(shí)間管理的4D管理系統(tǒng)，不應(yīng)該僅僅被用于出具可視化效果圖這樣的粗淺功能。但是，要實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度與成本造價(jià)的模擬，則必須在地形處理、施工場地和設(shè)備模擬、成本項(xiàng)等方面都下足功夫，才能夠初步實(shí)現(xiàn)真正意義的BIM工程仿真。水電工程的設(shè)計(jì)在數(shù)十年前，經(jīng)歷從手工繪圖到電腦CAD的設(shè)計(jì)方式的轉(zhuǎn)變，如今推廣BIM的可視化設(shè)計(jì)，又是一次手段與工具的革新，工程技術(shù)人員應(yīng)該積極地學(xué)習(xí)并適應(yīng)。

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1008-1305（2016）03-0013-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.007

2016-04-01

李敏（1982年—），女，工程師。