复合坝设计BIM通用模型的研究及应用

陈 勤，周雪梅，贾 超

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

BIM技术近几年来发展迅猛，广泛应用于建筑设计［1］、水利设计［2］、可视化仿真［3］、模型建立及应用［4］、三维协同设计［5］等。

参数化建模是BIM设计的关键因素，它不仅提供了可靠的数字建筑信息，提高业务流程的效率，还可以捕捉真正的设计本质——设计师的意图。越来越多的设计人员已经认识到BIM的参数化建模在提高设计效率上的优越性，在BIM模型的建立过程中利用参数来提高模型能力及模型更新意识，但这还只是针对某个具体的工程而言，其建立的数字模型在同类工程中的通用性不强。本文的复合坝BIM模型通过定义模型中各个建筑物之间的所有可能关联性，实现了在同类工程中的通用性。

复合坝BIM模型更进一步将设计经验转化为数据，将数据转化为知识，将知识融入到BIM模型中，即将知识融入到工程设计中，实现知识自动化［6］。

1 应用背景

经过近几十年来水利水电工程的开发，大坝建坝的地形地质条件愈加复杂多样，采用传统单一坝型建坝受到制约或在经济上不合理。复合坝结合了重力坝及土石坝的优点，使其成为复杂地形地质条件下建坝的一种高效解决方案。

复合坝通常包含泄水建筑物（底孔、表孔）、挡水建筑物（重力坝、土石坝）、连接建筑物（刺墙、挡土墙、裹头）等。笔者统计了国内外部分已建（6座）和在建（6座）的复合坝工程及其典型布置，见表1。

表1 复合坝建筑物布置统计表

基于混合坝在工程设计中的普遍应用，若每个复合坝工程分别建立BIM模型，将会费时费力。正是为避免重复建模、反复建模，本文建立了复合坝的BIM通用模型。

复合坝的布置组合灵活多变，涉及的建筑物类型多，各建筑物需要满足泄流规模、筑坝材料等工程需要，要实现建立BIM通用模型的目标存在诸多技术难点。

通过分析国内外复合坝布置特点，总结设计经验，从工程设计需要出发，结合三维应用技术，建立了复合坝BIM模型，如图1所示。模型主要包含泄洪底孔、泄洪表孔、重力坝、刺墙、挡土墙、土石坝、裹头等建筑物。

图1 复合坝设计BIM通用模型简图

2 BIM几何模型构建

BIM模型实现参数化设计，从本质上讲是构建多个建筑物之间的“组合”设计，主要包括两个方面：一是建筑物自身的参数化设计，二是建筑物之间的关联性参数化设计。

本设计BIM通用模型基于CATIA三维设计平台进行开发。在BIM几何模型构架建立中，探索了新的建模思路和方法，实现了几何模型的全参数化设计。其关键点如下：

（1）设置建筑物顶级控制平面

通过将建筑物与唯一的顶级控制平面进行关联，实现建筑物布置的开与关，在需要取消建筑物时，只需删除其控制平面就能把与该建筑物有关的子集元素全部删除，操作简单方便，并且保证了模型树的结构清晰。

（2）通过体型参数控制实现构件间的关联

利用构件的体型参数来控制构件间的关联性，简化构件间的参数设置问题，利用一套体型参数解决两套参数化设计问题，建筑物体型参数的调整不仅能更新建筑物本身，也同时保证了整体模型的更新。

（3）变换建筑物草图的约束方法

常规建模时，建筑物体型草图通常采用几何标注的约束方法，但是几何标注约束对尺寸的正负值无法识别，一旦建筑物的布置方向发生改变，草图会出现更新错误而导致实体无法生成。通过引入与几何标注参数相关联的外部参考元素对草图进行约束，实现建筑物在变换任何位置情况下均能实现模型的自动更新。

（4）突破开挖参数化的技术难点

三维设计的开挖建模因为不同的建筑物开挖建模方法不同、耗时长、更新易出错等特点，使得其成为提高建模速度的一个制约因素。而参数化建模的开挖不仅涉及到建基面的参数化确定，更涉及到建筑物之间的参数化关联，实现开挖参数化是建立BIM通用模型的技术难点之一。但要满足复合坝BIM通用模型的实际功能，就必须突破这一技术难点。本文的BIM通用模型在开挖参数化方面采取了如下的建模方法：通过建筑物开挖参数定义建基面；利用体型参数对开挖草图进行约束来定义建筑物之间的相互关联。以此突破了开挖的难点，实现了开挖的参数化，该BIM通用模型的开挖面如图2所示。

图2 复合坝设计BIM通用模型开挖面简图

（5）充分利用知识工程

建立包括定位控制、体型控制、开挖及工程量四部分的参数集，实现高度的参数化。用设计表将控制某一类布置或体型的参数进行关联整合，建立工程布置数据库方便调用；利用法则曲线和规则实现复杂曲线的体型控制；利用模板简化建模过程。

3 BIM数据模型构建

（1）满足规范要求体现设计意图

参数化建模使用参数（特性数值）来确定图元的行为并定义模型组件之间的关系。这意味着设计标准或意图可以在建模过程中加以捕捉。模型编辑工作变得更加简单，还可以保留原始的设计意图。通过将设计规范内嵌于参数之中，并对参数的取值范围设置规则，如果参数取值符合设计规范，将得到正确的体型，否则会给出警告，以此指导设计。

为模型添加注释是为了融入模型设计及工程设计经验。通过这些注释，可以对参数的取值、模型的操作进行说明，并对参数的取值提供建议，为设计提供指导意见，更有利于BIM通用模型的应用推广。

（2）数据自动化提取和复用

对于水利设计人员来说，对参数定义属性的重大意义之一在于可以进行各种统计和分析，而在BIM通用模型中完全是自动化的，通过建立主要建筑物及开挖的工程量参数，并通过工程量表对这些参数进行关联，实现工程量在任何模型信息修改后均能自动更新。然后在三维模型中导入常用的三维算量软件，套用清单后得到工程投资［7］。在工程布置修改后，工程量及投资均能自动更新。避免二次建模、提高专业协作效率。

（3）辅助设计

树木在视觉环境上是繁杂的，因此你最好灵活选择一支变焦镜头，比如70-200mm来简化画面，压缩树木的透视，创造一个紧密的视野。沿用传统的构图三等分原则，即地平线在下1/3处，让枝叶填满画幅的上半部分。整体画面充分体现森林的繁茂，带给观众最直观的冲击。

抗滑稳定计算是水工设计的重要计算，常规设计是把建筑物体型划分成为底板、胸墙、闸墩等不同部位，分别计算重量及测量型心位置，一旦体型变化，需要重新测量。为此推导出模型与计算表格之间的坐标换算关系，这样可以在三维中进行一次测量，方便快捷地获得结构整体自重荷载及其型心，提高稳定计算的效率。

4 应用简介

通过调整复合坝BIM通用模型参数，应用于不同工程、不同坝址、不同的建筑物布置组合、不同的建筑物型式、不同坝高，实现模型的快速更新。应用特点如下：

（1）不同工程

复合坝BIM通用模型在不同工程中的应用步骤主要为：首先导入地形面形成新的工程地形体，再修改坝轴线控制点坐标，然后修改主要的布置定位控制元素，最后修改开挖控制参数，至此完成了复合坝BIM通用模型应用于不同工程的操作，在此基础上进行后续的其它设计。

（2）不同坝址

水利水电工程在可研等前期设计阶段，根据SL618-2013《水利水电工程可行性研究报告编制规程》要求需要对坝址进行综合论证比较，设计工作重复繁琐，复合坝BIM通用模型正是通过修改坝轴线控制点坐标实现快速调整坝址，极大地提高了设计效率。

（3）不同的建筑物布置组合

总结表1的复合坝布置，由于地形及河床地质条件或工程布置的制约，泄水建筑物常存在底孔和表孔分别布置在左右两岸的情况，为实现快速更新模型，实现模型中泄水建筑物位置调换问题，本BIM通用模型利用设计表将相关的布置参数进行关联整合，从而实现一键切换泄水建筑物布置。同时不同的地形地质条件或不同的布置，通过调整建筑物的顶级控制平面，快速增减建筑物，实现不同建筑物的快速组合。

（4）不同建筑物体型

本BIM通用模型中所包含的所有建筑物的体型均可以根据设计需要进行修改，举例如下：

①在工程设计中，泄流规模的确定是后续工作开展的基础，本BIM通用模型可以通过调整泄水建筑物的体型参数，快速实现不同泄流规模下的模型更新。

②挡土墙提供了扶壁式与重力式两种型式，挡土墙的体型可以根据稳定计算结果修改相应的参数即可得到。

③土石坝段根据不同的筑坝材料坝坡是不一样的，通过修改上、下游坝坡坡比参数即可快速得到土石坝的体型。

（5）不同坝高

在前期设计阶段，为了确定水利水电工程的规模，需要对正常蓄水位进行比选，不同的正常蓄水位对应不同的坝顶高程，而复合坝BIM通用模型可以通过修改坝顶高程参数即能快速地调整坝顶高程，同时保证基础不变。

5 结语

基于CATIA三维设计平台，通过参数集驱动设计几何信息，实现复杂水工建筑物的积木式组合布置；通过内嵌设计规范及经验知识，初步实现了设计过程的智能化；利用BIM技术整合几何模型和数据模型，搭建了模块化的专业设计平台。

BIM以数字建模信息为基础，集成各种工业信息，以提高业务流程的效率。BIM使用参数化建筑建模生成可靠的数字建筑信息，并应用到这些业务流程中。利用本BIM通用模型，最大程度的发挥出BIM的功能和价值，为BIM的参数化建模提供参考价值。

［1］张建平，余芳强，李丁.面向建筑全生命期的集成BIM建模技术研究［J］.土木建筑工程信息技术，2012（03）：6-14.

［2］孙少楠，张慧君.BIM技术在水利工程中的应用研究［J］.工程管理学报，2016（04）：103-108.

［3］李敏.基于BIM技术的可视化水利工程设计仿真［J］.水利技术监督，2016（03）：13-16.

［4］刘增强，郭莉莉，董甲甲，等.厄瓜多尔CCS水电站沉砂池BIM应用［J］.河南水利，2016（10）：21-25.

［5］宋明佳.水利水电行业三维协同设计中三维可视化的应用与研究 ［J］.水利规划与设计，2013（12）：57-60.

［6］刘辉.水利工程智慧之路探讨——从通用IT到知识自动化到数据智能［J］.水利规划与设计，2017（12）：81-84.

［7］袁荣丽，朱记伟，杨党锋，等.基于BIM技术的建筑工程三维算量应用研究［J］.工程管理学报，2017（04）：106-110.