趙萌萌，李芬花，楊榮海，李 壯

(華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院，北京 102206)

目前，BIM技術(shù)在房屋建筑、水暖電設(shè)備、交通等行業(yè)順利應(yīng)用，而在水利行業(yè)還處于初級(jí)階段，發(fā)展相對(duì)滯后[2]。國(guó)內(nèi)對(duì)于閘門井的研究主要是用有限元軟件進(jìn)行建模[3- 5]以及閘門井在施工中的應(yīng)用[6- 9]，而對(duì)于BIM技術(shù)在閘門井設(shè)計(jì)應(yīng)用卻很少。抽水蓄能電站進(jìn)出水口閘門井是引水系統(tǒng)工程的主要建筑物，用于設(shè)置事故閘門。由于事故閘門在緊急情況下具有分隔航道與上下水庫(kù)及廠房的功能，因此對(duì)閘門井在模型設(shè)計(jì)方面有很高的要求。在設(shè)計(jì)閘門井時(shí)，會(huì)存在重復(fù)性建模和繪圖工作，導(dǎo)致各專業(yè)人員協(xié)調(diào)時(shí)出錯(cuò)等問題，影響了設(shè)計(jì)進(jìn)度、拖延了工程工期。鑒于此，本文將用BIM技術(shù)中的Revit設(shè)計(jì)軟件對(duì)閘門井的設(shè)計(jì)、建模過程進(jìn)行詳細(xì)闡述，為后續(xù)工程智能化管理提供依據(jù)，也為BIM技術(shù)在閘門井應(yīng)用方面做探索性的工作，并為實(shí)際工程提供一些參考。

1 創(chuàng)建閘門井模型

1.1 工程概況

文登抽水蓄能電站位于山東省膠東地區(qū)文登市界石鎮(zhèn)境內(nèi)，距文登市約35km，電站裝機(jī)容量1800MW，年發(fā)電量26.28億kW·h，年抽水用電量35.04億kW·h。電站擬建上水庫(kù)進(jìn)/出水口布置在堆石壩上游右岸分水嶺兩沖溝之間的突起部位，正常蓄水位625.0m，死水位585m，地面高程590m。引水事故閘門井位于進(jìn)出水口后山體內(nèi)，中心底板高程556.9m，平臺(tái)高程635.5m。引水事故閘門井由漸變段、井座、井身等組成，均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘門井井座前后各有一個(gè)漸變段，分別為圓變方和方變圓結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)12.0m，圓端內(nèi)徑6.8m，方端5.4m×6.8m(寬×高)的矩形，襯砌厚1.2m。井座，底板坡度8%，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)12.5m，內(nèi)腔橫斷面尺寸5.4m×6.8m(寬×高)，襯砌厚1.5m。井身為圓形，襯砌直徑10m，井身高70.3m，井壁為鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.8m。

1.2 Revit軟件創(chuàng)建井身構(gòu)件族

Revit是BIM軟件中應(yīng)用最廣泛的設(shè)計(jì)輔助工具，其中Revit Structure是專門針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具，集多材質(zhì)常規(guī)建模與自定義建模的設(shè)計(jì)特性于一體，可以滿足用戶需求的智能化建模，并為常用的結(jié)構(gòu)分析軟件提供雙向鏈接，提高項(xiàng)目的精確度[10]。圖元是創(chuàng)建項(xiàng)目最重要的元素，Revit將圖元分成類別、族和類型三類[11]如圖1所示。族是Revit建筑項(xiàng)目的基礎(chǔ)，不論是模型圖元、專有圖元還是注釋圖元，均由各種族及其類型組成。其中自定義族的步驟如下[12]：

(1)前期準(zhǔn)備工作：在對(duì)項(xiàng)目所處地形了解的基礎(chǔ)上，首先在立面視圖中確定高程，再根據(jù)所建模型構(gòu)件的族的性質(zhì)，選擇一個(gè)合適的族(系統(tǒng)族、可載入族和自定義族)，接著選擇族的子類，最后對(duì)子類的屬性進(jìn)行設(shè)置。

(2)繪制模型構(gòu)件前處理：在構(gòu)件對(duì)應(yīng)的高程上，對(duì)于系統(tǒng)族，可直接根據(jù)構(gòu)件的幾何尺寸進(jìn)行繪制；對(duì)于可載入族，直接載入即可；對(duì)于自定義族，常用到拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、放樣融合以及空心形狀等命令，有時(shí)甚至是其中的兩種或三種命令結(jié)合進(jìn)行繪制。

(3)繪制模型構(gòu)件后處理：根據(jù)需要標(biāo)注尺寸，在族類型中將尺寸對(duì)應(yīng)的約束創(chuàng)建出來，并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的族類別和族參數(shù)。為確保所建族構(gòu)件的正確性，可以在族類型中通過調(diào)整約束參數(shù)觀察所建構(gòu)件的行為來判斷。

(4)整合：在一個(gè)新的項(xiàng)目文件中，插入鏈接Revit(模型構(gòu)件)，定位選項(xiàng)為原點(diǎn)到原點(diǎn)。首先是在結(jié)構(gòu)平面中嘗試通過移動(dòng)、對(duì)齊等操作將構(gòu)件整合在一起，然后在立面中查看構(gòu)件的高程是否正確，最后通過設(shè)置共享坐標(biāo)來即時(shí)修正構(gòu)件的定位，最終整合完成。

圖1 圖元的分類

井身構(gòu)件族的創(chuàng)建步驟如下：

(1)確定所處工作平面后，在自定義族中選擇-基于線的公制常規(guī)模型。如圖2(a)。

(2)選擇拉伸命令，按照模型截面尺寸，在“繪制”面板中選擇合適的繪制工具進(jìn)行繪制，將參數(shù)在族類型中一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)設(shè)置族類別和族參數(shù)。如圖2(b)(d)所示。

將完成后的模型載入項(xiàng)目中，通過平面、立面、剖面等視圖調(diào)整構(gòu)件位置，最終生成實(shí)體結(jié)構(gòu)。如圖2(e)所示。

圖2 閘門井-井身的制作步驟

1.3 創(chuàng)建整體模型

漸變段、井座、井身等構(gòu)件創(chuàng)建完后，在項(xiàng)目中進(jìn)行整合。將井座構(gòu)件族在“鏈接Revit”中打開，定位“原點(diǎn)到原點(diǎn)”，以同樣的方式打開漸變段和井身等構(gòu)件族。通過二維與三維視圖對(duì)構(gòu)件進(jìn)行一系列對(duì)齊、平移、偏移、旋轉(zhuǎn)等命令，再結(jié)合共享坐標(biāo)共同修正項(xiàng)目中構(gòu)件族的定位，最終創(chuàng)建完成閘門井整體模型，如圖3—4所示。

圖3 閘門井(線框形式)

圖4 閘門井(著色形式)

2 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

2.1 BIM出圖

現(xiàn)場(chǎng)施工要根據(jù)圖紙進(jìn)行，因此設(shè)計(jì)階段圖紙的質(zhì)量對(duì)最終建筑的質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙過程繁瑣，若發(fā)生設(shè)計(jì)變更，設(shè)計(jì)人員就要將所有與之相關(guān)聯(lián)的部分找到，并逐一修改，增加了出圖時(shí)間，影響了施工進(jìn)度[13]，而BIM技術(shù)的可出圖性功能很好的解決了上面的問題。在出圖前，只需對(duì)模型進(jìn)行修改，相應(yīng)圖紙上的部分就會(huì)自動(dòng)修改，對(duì)于模型平面視圖、立面視圖在項(xiàng)目瀏覽器中已經(jīng)提供，剖面功能可取得模型任意位置的剖面圖，對(duì)模型進(jìn)行展示、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化等一系列操作后還可以得到綜合管線圖和預(yù)埋套管圖，最后通過復(fù)制視圖到指定圖紙中便可生成相應(yīng)圖紙[14]，如圖5所示。

圖5 閘門井圖紙

2.2 BIM+VR模式

Revit虛擬模型有所見即所得的特點(diǎn)。對(duì)于現(xiàn)實(shí)模型來說，有些部件是不可隨意觸碰的。但為了對(duì)某些部件進(jìn)行排查、診斷，就需要提前在虛擬模型中對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)，以達(dá)到同現(xiàn)實(shí)一樣的效果。VR技術(shù)是虛擬與現(xiàn)實(shí)之間連接的橋梁，是一種使使用者可以沉浸式感官體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，具有具象性及交互性功能[15]。BIM+VR模式，在設(shè)計(jì)階段有以下主推方面：①提高了BIM模型的渲染真實(shí)度；②VR的介入提高了動(dòng)作捕捉度和顯示分辨率；③營(yíng)銷領(lǐng)域得到推廣；④施工領(lǐng)域得到推廣。因此，VR技術(shù)的引入，對(duì)于上述問題有了很大的幫助[16]。

2.3 工程量和成本估算

長(zhǎng)期以來，造價(jià)工程師在計(jì)算工程預(yù)算時(shí)，常常使用圖紙導(dǎo)入工程量計(jì)算軟件或手工計(jì)算方法，不論何種方法，由于設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)信息不能即時(shí)準(zhǔn)確的反饋給工程師，使得他們沒有足夠多的時(shí)間來精確計(jì)算，導(dǎo)致成本估算率不高。BIM模型中存在著幾何數(shù)據(jù)信息、可運(yùn)算物理數(shù)據(jù)信息和規(guī)則數(shù)據(jù)信息，通過這些信息，計(jì)算機(jī)對(duì)模型中不同構(gòu)件的幾何和物理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并自動(dòng)計(jì)算構(gòu)件工程量，再加上BIM模型在整個(gè)項(xiàng)目生命周期中的共享和傳遞，大大提高了成本估算率以及在前期對(duì)設(shè)計(jì)成本的控制[17]。Revit軟件中，可以使用“明細(xì)表”來統(tǒng)計(jì)模型構(gòu)建中的材質(zhì)提取、圖紙列表、視圖列表和注釋塊等各種樣式的明細(xì)表，如圖6所示。

2.4 碰撞檢查

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師很難對(duì)各個(gè)專業(yè)所設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行整合檢查，不可避免在繪圖中發(fā)生碰撞和沖突，而BIM軟件的碰撞檢查功能很好地解決了這個(gè)難題。碰撞檢查分為行業(yè)內(nèi)碰撞檢查和行業(yè)間碰撞檢查，碰撞檢查完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)出具一份含有創(chuàng)建時(shí)間、成組條件、發(fā)生沖突的單元對(duì)象類別、圖元類型以及ID號(hào)的“沖突報(bào)告”，如圖7所示。雙重檢查加“沖突報(bào)告”使設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)沖突，大大減少了施工階段存在的返工風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

本文采用以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的Revit設(shè)計(jì)軟件對(duì)文登抽水蓄能電站閘門井在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了探索，所得結(jié)論如下：

(1)Revit軟件中的“族”在模型構(gòu)建的過程中起到很重要的作用，是模型的基本元素，幾乎所有的模型都需要通過自定義族或系統(tǒng)族建立。

(2)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，如參數(shù)化建模、協(xié)同設(shè)計(jì)、出圖、VR模型、工程量和成本估算、碰撞檢查等，使得模型在設(shè)計(jì)階段有效的解決了檢修人員在虛擬模型下對(duì)構(gòu)件的診斷問題、設(shè)計(jì)階段前期的成本預(yù)算問題及專業(yè)內(nèi)、專業(yè)間出現(xiàn)的碰撞問題，不僅提高了模型渲染的真實(shí)度，還提高了成本的估算率，對(duì)于后續(xù)階段的進(jìn)行夯實(shí)了基礎(chǔ)。

圖6 井座明細(xì)表

圖7 沖突報(bào)告

BIM技術(shù)在閘門井方面的應(yīng)用比較少，因此，參照BIM技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用情況，BIM技術(shù)在閘門井的受力分析及配筋可作為下一階段重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。