BIM技术在调水工程中的应用

牟燕妮，常倩倩，刘 洁，杨士瑞

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014)

1 工程概况

山东省某调水工程由加压泵站和输水管道组成。加压泵站装机容量14.4MW，设计流量为15m3/s；输水管道为2根直径2.4m的螺旋钢管和玻璃钢管，长48.7km。工程估算总投资38亿元，是山东省重点建设工程。

2 应用软件

工程设计中，利用AutoDesk系列的Inventor和Bentley系列的Context Capture、GeoStation、AECOsim Building Designer、OpenRoads Designer、Substation、LumenRt等专业软件，完成实景建模、建筑物和管线的三维地质建模、建筑物三维建模、金属和电气建模及长距离输水管线建模等；采用ProjectWise进行设计项目管理和设计过程中的专业协同；通过BIM模型剖切二维图纸，实现三维模型与二维图纸的联动；利用Restation进行水工建筑配筋，圆满完成各项设计任务，验证BIM设计周期在水利工程勘测设计领域里的可行性、可操作性以及优势和特点，取得了令人满意的效果。

3 项目设计

本项目主要设计过程包括：建立统一的工作环境和标准，进行任务分解，各专业在项目信息协同管理平台上协同设计，创建BIM设计模型，基于工程模型进行必要的分析、计算、优化，组装、检查等，最终将固化的BIM模型剖切二维图纸、生成三维图册等，为后续的施工和运维提供数据支持。

3.1 项目协同设计

ProjectWise为工程项目管理提供了集成平台，利用其强大的流程管理、权限管理以及数据共享和协同方式，并基于统一的BIM模型，各专业设计工作在统一的协同设计平台上实时进行，实现对信息的充分利用和数据共享，避免重复建模过程，实现项目集中存储与访问，提高数据信息的准确性、一致性、及时性；各专业基于统一的平台实现协同设计，减少了错漏碰缺，提高了工作效率，对保证产品质量起到了至关重要的作用。其设计流程如图1所示。

图1 本项目协同设计工作流程示意图

3.2 BIM建模过程

3.2.1 实景建模

为获取多样的实验数据以验证采用不同来源数据构建实景模型的可行性，在数据采集阶段确定了实景建模区域，数据源的获取方式均采用无人机倾斜摄影测量，不同测区采用了不同的飞行设置和组合方式。

后期的数据处理过程中，根据各个测区的原始数据采集情况，对单机实景建模、计算机集群建模、分区块建模等方式进行了深入探索，验证其可行性。同时获取了许多经验值，如：控制点布设的技巧、飞行高度的设置技巧，集群处理过程中路径设置和任务分配等经验和技巧，用以指导后续大规模建模工作。在空中三角形解算这个建模的关键技术步骤上，摸索出了一套快速且行之有效的工作技巧：以低采样率的设置进行第一次空三解算，既能排查错误，又能减少后续批量刺点和高精度空三解算的时间。

对Bentley不同版本软件环境下实景模型的使用方法进行了探索，选用其最新的CE版本软件，对实景模型的断面剖切和正射、局部侧射影像与mesh面的提取以及实景模型中坐标展绘与提取、实景模型分类显示等关键技术问题进行了诸多有益的探索，初步掌握了实景模型的应用及与设计模型的融合技术。

3.2.2 三维地质建模

三维地质模型能够全方位呈现地层环境和岩性分布情况，为工程的设计优化提供更加科学的判断依据。本项目地质勘查的主要目的是基本查明泵站、连通闸、输水管道等工程的工程地质及水文地质条件，对选定线路及主要建筑物进行工程地质评价，为可行性研究设计提供工程地质资料及计算参数。

本项目在GeoDataManage地质定义中完成标准地层定义，按堆积成因确定3大类，每一大类包含3至5层；勘探线布置按照建筑物位置、管线走向等要求布置10余条；地质勘探中钻孔数据编录139个，进尺2392m。建模过程主要包括数据库端的地质勘探钻孔信息数据录入管理和图形端的三维地质模型建立两大部分。

首先，根据地勘资料在GeoDataManage系统数据库端依次对地质定义、勘探布置和地质勘探等信息进行录入和设置。待所有信息核对无误后，在GeoStation for City中导入钻孔和勘探剖面岩性分布信息，并依据上述信息建立工程三维地质模型。

最后对模型整理，进行地质编绘出图。通过与建筑总装结合，进行剖切出图；根据勘探线的数据信息出图。

运用GeoStation建立的模型能够较好的全面展现地质环境等相关信息，通过模型分析，实现查明泵站、连通闸、输水管道等工程的工程地质及水文地质条件，对选定线路及主要建筑物进行工程地质评价，为可行性研究设计提供工程地质资料及计算参数等勘察要求，所取得的结果能够满足设计所需的要求，并且更立体直观，能有效的解决工程地质上的问题。

3.2.3 建筑物三维建模

3.2.3.1 水工建筑模型

项目实施前建立统一的工作环境，如：配备标准化的图层、色表、构件属性，以及项目统一的坐标系、轴网和楼层标高等，并将此信息在PW平台上共享。利用AECOsim Building Designer软件，基于线框、表面、实体、参数化构件等一系列的三维建模方式，完成建筑物水工、建筑等土建专业的BIM模型构建。

由于水工建筑物结构比较复杂，需要首先将建筑物按照部位和构件名称进行分解，分别建模，并赋予不同的属性(构件名称、材料、剖切图案、渲染特性等)，再利用参考功能组装。建筑物模型组装并检查修改完成后，对BIM模型进行固化，并以此为基础进行二维图纸的抽取和工程量的自动统计，且所有视图、剖面以及三维阶梯剖图具备联动功能，一处更改之后，其他自动更新，方便设计修改。选用GeoPak软件建立建筑物基坑开挖回填模型，与地质三维模型组装后，可按照地层属性分层计算开挖回填方量，计算更加简单、结果更加准确。

利用Restation进行水工建筑三维配筋，剖图生成二维钢筋图、钢筋表，并打印成能3D展示的PDF格式文件，可视化、立体展示三维配筋，指导施工。

3.2.3.2 金属结构模型

利用Inventor进行闸门、清污机、启闭机的三维参数化模型建立，并根据模型相对位置关系进行装配，将装配完成后的总装文件通过中间数据格式导出。

将总装文件通过MicroStation或AECOsim Building Designer导入Bentley平台，参考水工等相关专业模型，将金属结构模型调整到准确位置，通过保存视图导出可视边等方法，完成金属结构布置出图。

3.2.3.3 水机模型

利用AECOsim Building Designer机电模块参数化构件建立水机三维模型，并参考土建建筑物模型，调整相对位置关系，通过保存视图导出可视边等方法，完成水机模型出图。

3.2.3.4 电气模型

通过Substation电气设备族库的建立，可以在快速建模的同时精准统计各模型产品信息及构件个数，减少传统设计过程人工统计工程量容易出现的错误。建立电气设备族库，应基于设备模型的基本参数，设备包含的各部分构件，整体组装后再进行其他属性的添加(如电压等级、类型、单位等)。之后可以通过设备布置，测试参数化设置是否有效。

通过本次工程更新、添加的电气设备族库，可以为类似工程提供更多的设备模型选择，避免重复建模，极大地提高工作效率。

3.2.3.5 模型组装及检查

各专业分部位组装后各专业组装，形成各专业独立的BIM模型，各专业以参考方式嵌入其他专业的模型，进行协同设计以及模型总装，建立建筑物整体BIM模型，通过三维的视角，精确地展现复杂的建筑物结构以及各专业的相互关系，通过其功能模块进行模型校审、碰撞检测，查漏补缺，优化设计，提前做好施工准备。

3.3 渲染及漫游展示

将以上各专业固化的BIM模型组装后，利用MS(CE)、ABD(CE)实景网格工具连接，并导入LumenRt，进行后期渲染并制作漫游动画，可以很直观的反应项目建成后的三维整体效果，展示效果直接明了。可以通过漫游动画从不同的视角，展现厂区内部及建筑物隐藏部位的布置情况，颠覆传统二维设计的表达形式和效果。BIM模型建模期间赋予的构件信息可以随时查看并实时更新，为后期施工和运行维护提供数据支持，将BIM设计应用于工程全生命周期。

4 结语

BIM技术的应用打破了常规设计的空间局限性，其高效的协同设计模式、先进的三维设计手段、快捷的成果统计输出、与其他软件的数据流通，是设计理念流程的全面更新，更是行业未来发展的趋势，并将引领一场工程设计行业的革命浪潮。

目前各行业的三维数字化设计标准体系、规范尚有待进一步完善，要制定符合生产实际、行之有效、丰富各专业基础族库，探索不同软件在三维协同设计平台结合方式；将BIM技术紧密结合工程全生命周期，为施工单位和业主提供更多的管理信息，打造工程数字信息一体化，为工程全生命周期管理提供信息支持和技术服务。