BIM 技术在淮安市古盐河西安路节制闸工程的实现与运用

张洪波，王 丽，任加锐

（1.淮阴师范学院城市与环境学院，江苏 淮安 223300；2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001）

BIM（Building Information Modeling），是建筑信息模型的简称，通过对建筑信息的数据化、信息化、模型化整合，在工程决策、设计、施工、运行维护等阶段进行信息的共享和传递，在平台内实现信息共享和交流，使工程技术人员正确理解各种建筑信息，作出高效应对，从而提高工作效率。目前，BIM技术由于具有可视化、协调性、优化性、模拟性、可出图等突出特点，在建筑行业运用日益广泛，在提高生产效率、节约工程成本、缩短工期等方面发挥了重要作用[1]。

水利工程通常是由国家主导建设、事关民生的大型基础工程，具有工程类型复杂、涉及专业多、工程地点分散、工程周期长、投资巨大等特点，给工程决策、设计、施工、运行维护等带来较大的难度。因此，在水利工程项目的全寿命周期推广BIM技术非常重要。水利工程全寿命周期少则几十年，多则上百年，甚至更长，而施工阶段仅仅几年，因此，BIM技术在全寿命周期内的运用应重点在规划、设计和运行阶段[2]。本文以淮安市古盐河西安路节制闸工程为研究对象，介绍BIM技术在水利工程勘测设计阶段的实现与运用，工程全寿命阶段划分见图1。

图1 工程全寿命期阶段划分图

1 工程概况

古盐河开通于明万历十年，其路线自文华寺经淮安武墩、杨庙入京杭大运河。现状河道长16.2 km，排涝面积124 km2。古盐河西安路节制闸位于淮安市古盐河上，主要作用为河道上游蓄水，保持河道景观水位；汛期承担泄洪任务，保证片区行洪安全；承担分洪任务，为古盐河上游分段排涝提供前提条件。节制闸采用单块42 m 气盾坝型式，两侧岸墙设控制楼、管理所，中间设悬索桥连接两岸。

节制闸中心线与河道中心线一致，采用气盾坝型式，闸门形式为双主横梁实腹式结构，闸门门叶实际尺寸为宽42 m，高6 m，挡水高度4.56 m。闸室为开敞式平底板结构，1 孔，单孔净宽为42 m。底板顺水流方向长18m，闸室底板顶面高程3.22 m，闸墩顶高程9.00 m。闸上下游均设置挡墙与河岸相连接。闸身上游河底布置12 m 长C25 钢筋混凝土铺盖，河底高程3.22 m。

2 三维协同设计

2.1 项目准备

项目组成立之初，编制了BIM正向设计工作大纲，通过Vault 服务端部署BIM 工作平台（图2），在平台上进行项目管理设置，包括统一的工作空间、工作环境，定义统一的定位坐标系，建立各层次工作目录，分配各专业工作任务，合理划分模型；根据组织分工划分管理人员组织与权限分配，并按质量管理体系建立本项目文件管理结构，通过Vault 项目管理平台实现节制闸各专业设计协同。

图2 Vault 服务端部署BIM 工作平台图

2.2 设计软件平台

本工程结构设计采用Revit 软件，平台基础功能完善、专业模块齐全、大模型处理能力强，是基础设施工程领域优秀的BIM软件。

2.3 项目决策

在古盐河西安路闸工程闸址比选阶段，将Revit 生成的方案三维图与倾斜摄影测量获得的三维地形地貌图进行整合，实现方案比选可视化、直观化。在节制闸门型比选时，利用Inventor 建立精确的气盾坝与钢坝门体结构三维装配图，并应用iLogical 编制出图程序，生成门体结构材料明细表，方便进行闸门选型经济技术比较。气盾坝与钢坝门体结构见图3。

通过BIM+ARCGIS+倾斜摄影测量技术的应用，在超图GIS 平台上集成节制闸BIM模型与三维实景模型，更加直观的反映工程与周边环境关系，辅助总体布置和方案比选，见图4。从而有效的提升设计效率，辅助建设方快速决策，缩短设计周期，加快工程建设总进度。

图3 气盾坝与钢坝门体结构图

图4 项目选址地形图

2.4 主体协同设计运用

1）为满足节制闸水景观及两岸沟通的需要，采用悬索桥方案连接两侧人行交通。悬索桥设计采用单跨双支点悬索结构，桥梁跨径56 m，矢跨比为1/10。节制闸控制楼设计为两幢塔楼，在满足功能需求的基础上，通过悬索桥相连通，形成一道美丽的天际线，突出建筑与水环境、水景观、水文化的融合，见图5。

图5 项目全景三维模拟图

2）在结构设计中，利用Revit 强大的建模能力，将Revit 建立三维模型导入有限元软件迈达斯GTS 进行三维仿真模拟，节制闸结构分块较多，利用GTS 结构模块，进行施工分步三维有限元计算[3]。首先在系统中进行位移清零，对地基上、中、下游底板进行应力计算；然后分别对左侧上游和下游底板和翼墙墙身进行应力计算；再对右侧上游、下游底板和翼墙墙身进行应力计算；最后对左右两侧上游、下游的回填土等进行应力计算，得到施工每一个分块的应力沉降成果，为结构设计提供科学的力学计算基础，见图6、图7。

图6 地基应力沉降有限元计算示意图

图7 底板、墙身应力沉降有限元计算示意图

3）利用迈达斯GTS 渗流模块，精确模拟节制闸的三维渗流，得到结构整体任意一点的水头压力，通过仿真精细化模拟计算，得出节制闸上下游水面线、水流流速分布、闸门不同开启方式时闸门下游水流流速分布，更进一步的优化结构设计，见图8。

图8 水头压力模拟示意图

4）利用迈达斯NFX 的CFD 模块，对节制闸蓄水运行工况、排涝工况及闸门瞬态运行的水流流态进行模拟分析，辅助工程结构设计。通过数值模拟，得到不同运行工况下节制闸下水流的流动规律，可为节制闸的运行管理、优化调度提供科学依据[4]，见图9。

图9 闸门瞬态运行的水流流态模拟图

5）工程上下游连接段挡土墙结构相似、规格众多，手动建模周期长，设计中采用基于Dynamo 异型结构的参数化驱动进行三维正向设计，在系统中直接对尺寸、结构形式、墙高、墙厚、前趾、底板厚等参数进行设置，并对是否需要出坎、是否有踢脚、是否进行稳定性计算作出选择，从而直接生成异型结构挡土墙，提高设计效率和质量，见图10。

图10 异型结构挡土墙示意图

2.5 施工组织设计运用

1）在施工组织设计过程中，根据测量地形图，应用Civil 3D，根据测量地形图，生成闸址周边地形曲面，完成地形土方量河计算，自动生成土方施工图，用不同的颜色和样式来反映每个地块的填挖方工作量。根据施工组织设计规范，设计生成基坑开挖曲面、导流河设计曲面、上下游围堰曲面并生成三维土方平衡计算体积曲面，指导工程总体土方平衡设计，为施工方案的确定、机械设备的选取提供依据，见图11。

图11 闸址周边地形曲面图

2）施工进度模拟运用。水利工程周期比较长，事关民生，因此对工期要求比较严格。施工总布置图规划设计时应引入时间轴参数，根据工期的推进展示不同的时段工程面貌。传统的工程图纸设计仅展示了二维平面图形，而BIM模型展示了工程三维成像，在BIM模型的基础上，通过BIM5D 技术结合进度信息参数，工程按照每天、每周、每旬或每月的进度要求对模型进行分块、分段、分层切割处理，从而实现以时间轴为驱动的工程施工全过程模拟，展示各个阶段的工程施工面貌，对工程进行及时的监控，有效保证各阶段工作能在进度计划中完成。

2.6 工程报表运用

成本控制是工程管理的关键目标之一，工程量计算是实现成本有效控制的基础。传统的二维设计方法导致工程量计算难度大、精度低。BIM三维设计中，应用NavisWorks 中Quantification模型算量功能，实现了一键就可以导出三维模型工程量，同时可以根据不同工作需求导出相应的工程量报表，如招标控制价、投标报价、项目审计报表等，大大提高了工程量计算的准确性，提升了工作效率。即使在设计过程中发生了设计变更，也可以及时地对变更部分进行计算，然后进行总体工程量的累加、汇总，实现对工程量的实时统计，便于造价工程师编制工程量清单，协助进行招投标控制报价编制。

2.7 BIM 设计成果

BIM设计的成果包括三维信息模型、三维效果图、二维图纸剖切图、管线碰撞检测报告、各类工程量报表以及项目过程中的形成的经验总结等。

1）通过BIM技术可以实现三维、可视化技术交底，通过对施工程序进行分析，使技术交底这一关键的工作变得生动、直观、容易接受，实现各工种、各专业之间的有效配合、协同合作，有利于保证工程质量与安全。

2）二维剖切图纸是在三维模型复杂的部位进行剖切，生成动态的二维图纸，降低了传统“三视图”的阅读难度，便于对结构内部复杂部位的认识理解，提高设计效率，提高出图效率与质量。

3）各专业建模完成后，进行模型的碰撞检测，通过设定合理的规则自动筛选出设计中主体结构部分、安装部分等存在不合理的地方，系统会以红色部分显示，便于方案修改、优化，有助于各专业的协同设计，BIM 设计的成果包括三维信息模型、二维图纸剖切图、管线碰撞检测报告、各类工程量报表，以及项目过程中的形成的经验总结等。对于工程项目而言，高质量的信息模型是实现BIM技术在全生命周期内应用的基础[5]，从而提高设计质量、减少工程变更、节约工程投资，见图12、图13。

图12 主体结构管线碰撞图

图13 三维信息模型安装部分碰撞图

3 BIM 技术的显著优势

1）BIM、ARCGIS 等技术的综合应用，方便设计前期方案比较，使得与业主的汇报、沟通更加直观、顺畅，进一步提升设计品质。

2）BIM模型结合CAE 软件进行有限元计算，大大提高了工程设计效率。各种可视化表达方式优化了各专业设计，缩短了设计周期。

3）Dynamo 可视化编程及设计协同工具的应用，在提高工作效率的同时提升了设计质量。施工实时反馈控制系统的研发，有效提高施工水平。

4）项目BIM技术的拓展应用革新了水利工程项目传统设计手段，提高了规划设计精细度，推动项目尽快落地，尽早发挥项目功能，带来社会效益。

5）数字化管理系统的研发，拓展了BIM的应用，推进项目全生命周期管控。通过本项目的实施，有利于建立水利工程BIM标准化流程，为其他工程项目的实施提供宝贵的正向设计经验[6]。

4 结语

随着BIM技术的推广和工程建设的需要，BIM技术在水利工程勘测设计中的应用前景会非常广阔。既能提升工程设计的科学性、合理性；又可以优化设计方案，及早发现设计中存在的问题，节约工期，节省成本；通过利用三维信息模型还可实现建设过程的动态化管理，提高工程质量。