BIM技术在水库农田防护工程规划设计中的应用

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 工程移民规划研究院，湖北 武汉 430010；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)，是一个容纳建筑信息的载体，是对建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达，是建筑科学与信息技术的结合。BIM技术在工程的规划、勘察、设计、制造、施工、运营、维护等阶段均有应用，具有多维度、可视化、协同性等优点，能有效实现建筑数字化、设计建造可视化及运营智能化等目标。

近年来，随着我国经济社会和信息技术的发展，BIM技术的应用得到了较快发展。2017年2月21日，国务院办公厅以“国办发〔2017〕19号”发布了《关于促进建筑业持续健康发展的意见》，提出“加快推进建筑信息模型(BIM)技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用，实现工程建设项目全生命周期数据共享和信息化管理，为项目方案优化和科学决策提供依据，促进建筑业提质增效。”这标志着BIM技术在我国已提升到国家层面推进。BIM应用作为建筑业信息化的重要组成部分，是推进建筑产业现代化的有力保证，其普及推广的趋势已不可阻挡。

目前，BIM技术在水利水电工程中应用尚处于初级阶段，随着工程技术水平的逐步提升和三维系列软件平台的不断优化，BIM技术在水利水电工程方面的研究与应用越来越多。盛晓波基于Bentley平台创建了水库大坝、厂房、建筑、场地等三维信息模型，提出了三维协同设计解决方案[1]；吴学雷以黄登水电站为例，提出了BIM技术在水利水电工程施工总布置中的研究思路[2]。本文将分析水库农田防护工程的特点，提出BIM技术在防护工程设计中的应用思路，以提高规划设计效率。

2 水库农田防护工程特点

为了缓解大中型水利水电工程库区人均耕地少、移民安置环境容量不足的矛盾，保护和充分利用土地资源，对经济合理、技术可行、有条件防护的浅水区或临时淹没区采取工程防护是一项有效的处理措施。尤其是对于成片农田、规模较大的居民点、集镇、城市、企(事)业单位等重要淹没对象，淹没深度较浅且具备防护条件，应尽量采取防护措施，减少淹没损失。根据防护工程的范围，水库防护工程一般可以分为农田防护工程、城镇防护工程和企事业单位防护工程。水库防护工程常采用防洪堤、防洪渠、垫高、护岸工程等工程措施，植树种草保持水土、加强洪水预报提前采取措施等非工程措施，一般在水库防护工程中运用较少[3]。

农田防护工程规划设计的难点是需要在保证恢复淹没用地面积的基础上进行多方案的比选，从技术、经济和社会角度进行综合比较分析，确定适宜的防护工程布置方案。另外，防护工程以往在可行性研究或初步设计阶段一般采用剖面法计算工程量，对于复杂的地形区域工程量计算精度较差，可能导致实施阶段发生重大变更，直接影响工程的实施进度。

水库农田防护工程的防护对象主要为耕地，主要目的是保护耕地资源避免其受水库淹没影响，降低移民安置难度。防护工程一般按技术可行、经济合理的原则进行规划，将防护方案与移民方案进行对比分析[4]。一般而言，水库农田防护工程规划设计具有以下特点：

(1)多位于水库库尾，属于受水库回水影响的临时淹没区，淹没深度较浅；

(2)区域地势平缓，一般为水库岸边一级宽缓阶地地形，土壤肥沃；

(3)农田集中成片，规模较大，涉及生产安置人口多；

(4)防护多采用低地回填垫高方案，防护技术可行；

(5)规划设计往往需要反复调整，修改工作量大。

3 BIM应用流程

根据上述特点分析，水库农田防护工程往往涉及场地面积较大，选择的BIM相关软件需要具有强大的大面积场地建模能力，同时由于防护工程往往需要进行多方案技术经济比选，需要软件具有较好的分析功能，方案调整与优化操作简单。结合上述因素，本文基于Autodesk Civil 3D 软件分析了水库农田防护工程的BIM应用流程，详见图1。

图1 BIM应用流程

3.1 创建三维地形模型

创建三维地形模型是规划设计的基础，地形曲面的精准程度主要与测量数据以及曲面创建方式相关。Autodesk Civil 3D 软件创建地形曲面的方式比较灵活，可以通过测量数据导入，也可以通过拾取等高线、高程点等要素来创建。创建地形曲面后，可以按照报错提示修正各测量数据之间的矛盾。测量数据更新后，地形曲面可以实现一键自动更新。

3.2 建立设计模型

根据水库淹没范围，初步确定防护范围、防护标准和防护方案。采用低地垫高防护方案的，可以通过“放坡”、“曲面填充”等功能生成放坡组，创建坡道、马道、堤顶路、垫高田面等设计要素，从而建立设计曲面模型；对于采用挡墙、防护堤等防护方案的，可以采用“装配”的形式实现复杂模型的定制。设计模型建立后，通过三维观测，检查模型中的错误，并查看模型是否反映了设计意图，从而进行局部修改与调整。

3.3 工程量计算与方案比选

通过原始地形曲面和设计曲面创建体积曲面，可直接快速计算出场地垫高的土石方工程量，同时可利用Civil 3D的放坡体积工具，对放坡高程进行调整，以达到优化土石方平衡的目的。以一个设计模型为基础，通过修改放坡要素或修改装配的方式快速创建比选方案，实现多方案的比选。此方法能大大减少方案比选的工作量，快速实现方案调整与优化。

3.4 设计图纸输出

经过对方案的技术经济比较，确定最优方案，并据此对设计模型进行细部设计。Civil 3D具有强大的出图功能，能对模型随意剖切，并且能满足不同出图样式的定制需求。通过对断面、标注等样式的设置，可以根据需要生成各种图形，并且图形能实现随着模型的改变而动态更新。

4 实例分析

4.1 工程概况

某水电站建设征地涉及P市，对淹没对象进行淹没影响分析，结合移民意愿及线上资源调查，综合考虑移民安置规划，规划对5片农田区采取防护措施。其中，L农田防护区位于水库库尾，沿江长度330 m，农田地面高程 974.5～979 m，防护区地貌单元为河流阶地，呈两级平台状，农田位于第二级平台地面上，阶地前缘为宽40～60 m的河漫滩。防护区地表属第四系，主要由粉土、卵石等组成；前缘河漫滩为卵石，稍密，厚度2～5 m；后缘农田一带为粉土，为阶地物质；下伏基岩为奥陶系乔家组灰岩。防护区岸坡属于土质岸坡，主要由粉土构成。

本片农田防护区5 a一遇设防洪水位 981.3 m，按5 a一遇洪水回水位垫高，低地垫高后形成土地面积为1.492 hm2(22.38亩)。回填边坡按1 ∶2.2放坡，临金沙江的回填边坡采用现浇混凝土护坡。其设计典型剖面见图2。

图2 防护区典型剖面

4.2 应用情况

该农田防护工程属于水库岸边宽缓台地，淹没深度较浅，具备防护条件。首先利用高程点和等高线等测量数据建立三维地形模型，创建原始地形三角网曲面(见图3,4)。

图3 原始地形曲面模型

图4 低地垫高设计曲面

防护采用5 a一遇设计洪水标准，采用低地垫高防护方案。根据现场地形地质条件，初步确定低地回填范围主要为防护范围内土地征用线(5 a一遇洪水回水位)以下的低地。防护区垫高后均形成一级平台，防护区垫高后地面高程为 981.30 m。农田防护工程均采用坡式护岸，通过岸坡稳定计算，确定护岸坡比采用1 ∶2.2。临水坡采用现浇混凝土护坡，堤线布置选择时主要考虑与河势相适应，岸线力求平顺，相邻堤段应平缓连接，不应采用折线或急弯，宜利用有利地形，修筑在土质较好、稳定的岸滩上。按照上述原则，进行3组防护工程布置方案比选，并按垫高防护面积不小于淹没区面积控制。

随后，直接通过放坡组创建相应设计曲面，通过原始地形曲面和不同设计曲面创建不同体积曲面，快速计算出3组方案的净回填土石方工程量分别为12.31万,11.58万m3和13.02万m3。通过软件可以快速准确计算工程量，实现多方案比较(见图5)。在满足农田防护面积的基础上，选择回填工程量最小的方案为推荐方案，开展细化设计、剖面剖切。最后，进行标注样式设置，完成相关出图工作。

图5 体积面板工具

4.3 防护效益

根据概算成果，防护工程费用722.96万元，防护区移民补偿投资为1 222.21万元。将移民补偿投资作为工程效益，工程投资作为费用，则效益费用比为1.69。从总投资来看，防护方案从经济上优于移民方案。通过实施农田防护工程，采用垫高方案避免农田被淹没，从而减少移民安置人口，有利于移民安置规划的实施。

5 结 语

我国是耕地资源缺乏的国家，水库农田防护工程可通过低地垫高等措施防护大片耕地，减少淹没损失，降低了库区移民安置难度。利用BIM技术开展水库农田防护工程规划设计，具有设计成果表达直观、计算工程量快速准确、方案调整方便等优点，可以大幅度提高规划设计效率，有效解决防护工程规划设计过程中的多方案比选与优化、工程量计算精度要求高等难题。本文在分析水库农田防护工程的特点的基础上，针对常规的低地垫高防护方案，基于Civil 3D软件提出了应用流程并进行了实例分析，但针对复杂的防护工程设计，还有待进一步研究。