潘 瑩

（深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來，隨著城市人口的急劇增加，原水需求量也日益增長。為應(yīng)對當前水資源短缺的緊張局面，不斷增加原水供水管線，導(dǎo)致管理部門的工作職能不斷增加，傳統(tǒng)的管理模式和手段已無法滿足當前“安全用水，優(yōu)質(zhì)服務(wù)”的要求，更難以滿足高效、及時處理各種突發(fā)事故的應(yīng)變處理需求，相對落后的管理手段成為制約管理水平進一步提升的瓶頸。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)既能實現(xiàn)水利工程仿真信息的數(shù)字化查詢，實現(xiàn)一處更改，處處更改的實時動態(tài)可視化修改更新方案，使得工程參與各方共享實時信息；還能在成本控制上起到很大的作用，項目決策者可以直觀高效地選擇最合適的設(shè)計方案，也減少各參與方和專業(yè)間由于溝通困難、各自為營而導(dǎo)致的大量重復(fù)勞動，可以節(jié)省項目成本。

逆向設(shè)計是根據(jù) BIM 三維模型的特點，協(xié)同平臺下各專業(yè)可從唯一的 BIM 三維模型中獲取項目信息[1]，通過 BIM 三維模型為設(shè)計的可視化、精準性提供基礎(chǔ)平臺，提高設(shè)計質(zhì)量，為實現(xiàn)建筑的智能化提供堅實基礎(chǔ)。目前，BIM 的逆向設(shè)計在水利水電工程應(yīng)用較為成功，如南水北調(diào)工程、云南金沙江阿海水電站、凱樂塔水利樞紐等水利水電工程。因此，為全面提高水利水電工程的管理水平，對BIM 逆向設(shè)計及技術(shù)應(yīng)用展開論述。

1 基于 BIM 技術(shù)的逆向設(shè)計實施模式

1.1 BIM 逆向設(shè)計技術(shù)路線

BIM 技術(shù)路線如下：

1）在進行 BIM 的逆向設(shè)計之前，需要進行資料的收集和整理，包括地形地質(zhì)勘察，水工建（構(gòu)）筑物，檢修井、閥門井、排氣閥等建筑物，測量管線特征點的坐標和高程數(shù)據(jù)，各種真實影像，管線運行狀態(tài)，以及維修加固相關(guān)圖紙、文本、影像、人員的資料。

2）通過改擴建時的地形地質(zhì)勘察資料，結(jié)合自然資源局的空間地理數(shù)據(jù)和三維傾斜攝影圖像等，創(chuàng)建地形地質(zhì)模型。

3）根據(jù)地形地質(zhì)模型進行定位，確定各水工建（構(gòu)）筑物、引水管線的平縱位置。根據(jù)水工建（構(gòu)）物、引水管線、檢修井、閥門井、排氣閥的設(shè)計竣工和運行維護等資料構(gòu)建建筑物模型。

4）將水庫地形地質(zhì)與水工建（構(gòu)）筑物等模型進行匯總，形成水庫逆向設(shè)計 BIM 模型。

5）采用 GIS 軟件疊加 BIM 模型，構(gòu)建 BIM +GIS 管控平臺，導(dǎo)入各種實時監(jiān)控系統(tǒng)信息，附加水庫運行維護業(yè)務(wù)管理功能，實現(xiàn)水庫的可視化運行管理。

BIM 技術(shù)路線流程如圖1 所示。

圖1 BIM 逆向設(shè)計技術(shù)路線

1.2 BIM 逆向設(shè)計平臺配備軟件

采用 Autodesk 平臺軟件進行 BIM 逆向設(shè)計。Autodesk 擁有非常全面的產(chǎn)品分布且多行業(yè)覆蓋，尤其在基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)領(lǐng)域，項目在整個生命周期中的全部階段，從方案立項、規(guī)劃、設(shè)計、施工，到運營維護和日常管理等都有相應(yīng)的三維產(chǎn)品為用戶服務(wù)，且與現(xiàn)行 AutoCAD 兼容性好，可滿足項目要求。Autodesk 平臺下開展 BIM 設(shè)計應(yīng)配備的軟件如表1 所示，平臺下的所有 BIM 設(shè)計軟件，是通過購買軟件服務(wù)實現(xiàn)的。

1.3 BIM 逆向設(shè)計模式

水利工程涉及的工程內(nèi)容多、專業(yè)多，BIM 建模內(nèi)容包括地形地質(zhì)、水庫、大壩、泵站、水閘、管線、渠道、金屬結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備等[2]。由于不同專業(yè)、分項工程各具特點，對建模軟件的要求也不盡相同，其中：Civil 3D 負責三維地質(zhì)、渠道堤防基礎(chǔ)等的建模；Revit 負責水庫大壩、水閘、泵站等建（構(gòu)）筑物及電氣的復(fù)雜模型設(shè)計；Inventor 負責金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計；Navisworks 負責模型匯總、碰撞檢查等?；诮y(tǒng)一平臺架構(gòu)的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，簡化了協(xié)同流程，減少了數(shù)據(jù)入口，能有效避免差錯和重復(fù)勞動，提高設(shè)計效率。

在傳統(tǒng)的 AutoCAD 制圖條件下，外部相關(guān)專業(yè)提供的數(shù)據(jù)會發(fā)生變化，可能需要重新布置和繪制相關(guān)結(jié)構(gòu)圖紙，而 BIM 逆向設(shè)計通過信息化、可視化、可尋化、模擬化、便攜化等手段對管理工作進行科學(xué)高效管理[3]，打破了管理地域空間屏障，使管理模式突破二維平面管理的瓶頸，提升至三維可視化管理的新高度，實現(xiàn)各水庫沿線水工建筑的應(yīng)急搶修、停水檢修、綜合調(diào)蓄、運維管理和有效決策分析工作的有機結(jié)合，進一步提升管理部門在運行管理決策和應(yīng)用服務(wù)方面的水平，提高管理部門的管理能力、經(jīng)濟效益和服務(wù)水平。

2 基于 BIM 技術(shù)的水利水電工程逆向設(shè)計

2.1 地形地質(zhì)的逆向設(shè)計

2.1.1 三維地形建模

為更好地支持下游專業(yè)在渠道設(shè)計、土方開挖、力學(xué)計算、可視化創(chuàng)建等方面工作的開展，根據(jù)三維點云和傾斜影像數(shù)據(jù)資料，快速建立精細的工程區(qū)域、建筑物外表三維模型，利用三維地面激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)建立地下、建筑物內(nèi)部空間的三維模型，為后續(xù)三維設(shè)計及工程建設(shè)、運維工作提供個性化的地理信息數(shù)據(jù)支撐。同時，三維地形模型的輕量化需從數(shù)據(jù)引擎及運算等機制方面加以研究，解決因地形模型數(shù)據(jù)量過大而影響地形開挖等應(yīng)用方面的問題。例如在南水北調(diào)工程中，利用 Civil 3D 快速完成勘察測繪、土方開挖、場地規(guī)劃、道路建設(shè)等的三維建模及設(shè)計和分析等工作，提高設(shè)計效率，簡化設(shè)計流程。

表1 Autodesk 平臺下開展 BIM 設(shè)計所應(yīng)配備的軟件

2.1.2 BIM + GIS 的應(yīng)用

建立 BIM 與 GIS 技術(shù)（尤其是 3D GIS）的集成應(yīng)用方案，實現(xiàn)工程設(shè)計、建設(shè)、運維等全生命周期完整信息的充分表達，整合 BIM 精細化工程模型、全面的工程屬性數(shù)據(jù)（設(shè)計、施工、運維等參數(shù)），以及 GIS 工程區(qū)域完整的空間地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用、專業(yè)的空間信息查詢分析展示能力[4]，將工程區(qū)域的宏觀信息、建筑物及設(shè)備的詳細信息有機地融合在一起，促進整體工程建設(shè)管理工作的精細化、一體化管理。BIM + GIS 在水利水電工程中的合理應(yīng)用，提高了工程信息化質(zhì)量，節(jié)省了工程投資，保障了工程工期。

2.1.3 地質(zhì)三維建模

通過地質(zhì)數(shù)據(jù)管理庫自動建立三維曲面和地質(zhì)模型，構(gòu)建三維地質(zhì)模型的工作標準、流程、專業(yè)接口及技術(shù)平臺，適用于工程勘察設(shè)計方面不同工程布置、施工開挖過程模擬、邊坡及硐室圍巖變形破壞過程模擬、水庫庫岸再造、洪水演進、淹沒浸沒分析等過程。并通過 Vault 平臺實現(xiàn)工程地質(zhì)可視化，與測繪、水工等專業(yè)全面協(xié)同，提升地質(zhì)工作效率及質(zhì)量。

2.1.4 地形地質(zhì)與多專業(yè)協(xié)同

BIM 平臺需要滿足多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的需求，地質(zhì)專業(yè)是為工程設(shè)計服務(wù)的，是工程勘察設(shè)計施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，需要測繪、勘探、物探、試驗等專業(yè)的支持，地質(zhì)成果為工程設(shè)計提供堅實的基礎(chǔ)。地質(zhì)專業(yè)需要接收測繪、物探、勘探、試驗等專業(yè)的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上工作，地質(zhì)成果要提供給設(shè)計專業(yè)使用，地質(zhì)專業(yè)也需要參考設(shè)計專業(yè)的建筑模型布置勘探工作，就需要多專業(yè)協(xié)同工作，要求數(shù)據(jù)共享及時、順暢。需要豐富的數(shù)據(jù)接口，以適應(yīng)多專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、模型共享，從而達到整體的協(xié)同，大幅提高工作效率。

2.2 建（構(gòu)）筑物的逆向設(shè)計

在水庫大壩、水閘、泵站等建（構(gòu)）筑物逆向設(shè)計時應(yīng)采用 Revit 軟件進行結(jié)構(gòu)建模，在建模過程中，添加相關(guān)模型的精確信息，生成相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)圖紙。其中：水閘建模的精確信息包含閘室段、上下游擋墻、防沖槽、連接段、消力池段各水工結(jié)構(gòu)；泵站建模的精確信息包括沉砂池段、前池段、泵房段、清污機段各水工結(jié)構(gòu)。針對部分異形結(jié)構(gòu)，開發(fā)相應(yīng)的族模塊。在各專業(yè)中采用多人協(xié)同的方式建模，在模型的后續(xù)設(shè)計細化過程中，將使用各專業(yè)模型整合，對細部進行模擬，提升模型的精細度，并采用模型展示軟件匯總設(shè)計成果，更直觀地展現(xiàn)項目整體效果，建（構(gòu)）筑物的三維模型如圖2 所示。

圖2 建（構(gòu)）筑物三維模型

2.3 管線、堤防的逆向設(shè)計

由于水利水電工程往往項目范圍較大，地形狀況復(fù)雜，且構(gòu)筑物設(shè)計和現(xiàn)狀地形相關(guān)，故宜采用Civil 3D 軟件進行設(shè)計。使用 Civil 3D 軟件對渠道、堤防進行基礎(chǔ)建模及定位，建模過程中，需要添加模型信息，制作相關(guān)構(gòu)件和部件，開發(fā)相關(guān)模塊，部分模型還需要采用可視化編程的方式生成，渠道和堤防模型如圖3 所示。模型生成后，模型文件可供 Navisworks 軟件調(diào)用及瀏覽。

圖3 渠道和堤防模型

2.4 金屬結(jié)構(gòu)和電氣的逆向設(shè)計

金屬結(jié)構(gòu)采用 Inventor 軟件，電氣部分采用Revit 軟件，與水工等專業(yè)進行協(xié)同設(shè)計建模。閘門等金屬結(jié)構(gòu)，強弱電線槽，以及變壓器、配電箱、控制柜等其他電氣設(shè)備，可與相關(guān)專業(yè)的模型進行碰撞檢查。三維建模完成后，直接創(chuàng)建部分工程圖，電氣控制柜及強弱電線槽模型如圖4 所示。模型圖可實現(xiàn)三維圖與二維圖結(jié)合，準確表達設(shè)計意圖。

圖4 電氣控制柜及強弱電線槽模型

例如在云南金沙江阿海水電站的設(shè)計過程中，機電專業(yè)（包括水力機械、通風、電氣一次和二次、金屬結(jié)構(gòu)等）利用 Autodesk Revit MEP 軟件平臺，建立完備的機電設(shè)備三維族庫，最終完成整個水電站的 BIM 設(shè)計工作，提高了工程施工圖及 PDF三維模型等的設(shè)計質(zhì)量。

2.5 模擬展示的效果

利用 Revit，Civil 3D，Inventor 等建模軟件，將BIM 模型導(dǎo)入 Infraworks 及 Lumion 可視化工具中進行細部處理，生成漫游模擬視頻，大壩、泵站漫游模擬效果如圖5 所示。通過模擬展示，可在短時間內(nèi)清晰、直觀地了解方案的最終效果，及時發(fā)現(xiàn)方案中存在的不足和缺陷。

圖5 某水庫大壩、泵站漫游模擬效果

2.6 基于 BIM 的碰撞檢查

碰撞檢查時，首先需要各專業(yè)利用 Revit 軟件完成模型創(chuàng)建，把各專業(yè)模型整合到 Navisworks 文件中；然后由牽頭專業(yè)通過運用 Revit 和 Navisworks軟件的碰撞檢查功能，檢查專業(yè)與專業(yè)間及專業(yè)內(nèi)部的空間碰撞與干涉情況，采用 3D 模型配以文字說明的方式提出修改意見和建議，并在協(xié)同設(shè)計過程中修改解決，從而及早解決與水工、建筑等土建專業(yè)的沖突問題，實現(xiàn)精確預(yù)留預(yù)埋，使布置更優(yōu)，減少返工[5]。校審和檢查方法如下：

1）設(shè)計三維校審法。設(shè)計三維校審主要校審影響結(jié)構(gòu)整體的問題，這類問題通常會對使用或結(jié)構(gòu)功能帶來影響。通過 Revit 軟件進行模型整合，會發(fā)現(xiàn)模型銜接、管線標高、管線穿透、模型構(gòu)建沖突、凈空要求、結(jié)構(gòu)補充等六大碰撞問題，這六大碰撞問題可在 BIM 應(yīng)用階段檢查發(fā)現(xiàn)，并通過線路調(diào)整和模型銜接的方式解決。而復(fù)雜交叉管路的碰撞問題，一般需要借助碰撞檢查工具才能發(fā)現(xiàn)。

2）軟件計算檢查法。軟件計算檢查法適用于一些管網(wǎng)及接口特別復(fù)雜，交叉專業(yè)特別多，不適合設(shè)計人員三維校審的位置，應(yīng)采用關(guān)注重點區(qū)域的方法，利用 Navisworks 的碰撞檢查工具進行軟碰撞分析，得到合理可用的碰撞分析結(jié)果。

3 結(jié)語

本研究討論了基于 BIM 的逆向設(shè)計實施模式，對水利水電工程的地形地質(zhì)、建（構(gòu)）筑物、管線和堤防、金屬結(jié)構(gòu)和電氣等專業(yè)的設(shè)計要點進行分析，為 BIM 在水利水電工程各專業(yè)中的逆向設(shè)計的推廣應(yīng)用提供借鑒。

BIM 技術(shù)目前應(yīng)用于城市規(guī)劃、建筑、橋梁交通等行業(yè)，通過 BIM 模型可在工程運行管理維護全過程中發(fā)揮重要作用，不僅能提高項目全過程精細化管理水平，提升工程質(zhì)量，還能提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，縮短工期。

通過對水利水電工程的地形地貌、水工建（構(gòu)）筑物（主壩、副壩、溢洪道、壩下輸水涵管、引水口）進行 BIM 建模，實現(xiàn)主要水工建筑物的三維可視化，使管理人員可視化了解工程建筑空間和各種主要設(shè)備設(shè)施整體情況信息，并在三維可視化的場景下進行工程運行維護管理質(zhì)量檢查和維護管理規(guī)劃，在工程出現(xiàn)問題時提前報警、預(yù)警，有效提高設(shè)備設(shè)施的維修速度和使用質(zhì)量，達到安全運營的目標。

在 BIM 的應(yīng)用過程中，由于 Autodesk 平臺下的 BIM 設(shè)計軟件成本昂貴，導(dǎo)致基于 BIM 的逆向設(shè)計的應(yīng)用受到阻礙。應(yīng)不斷將 BIM 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、3D 打印、VR/AR/MR 技術(shù)及 3D GIS 等相結(jié)合，降低 BIM 設(shè)計軟件成本，使BIM 逆向設(shè)計技術(shù)有更廣闊的市場。