基于ORD的河道BIM设计与MIKE21的联合应用

何 双

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

伴随着数字化与新基建的热潮，BIM技术与数值模拟技术得到了越来越多的认可与发展，越来越多的设计单位开始探索BIM技术的应用。对于水利行业，BIM设计仍旧以点状的大型闸坝工程为主，中小型工程很少；多以建模，更多的可能只是逆向翻模为主，而真正指导设计，正向设计的很少。以这种方式发展并不利于设计人员的技能成长。本文以中小型河道整治工程入手，简要介绍适合小团队应用河道BIM正向设计流程，更多的是为了体现BIM设计与仿真软件的交互，体现精细化设计与仿真对工程设计的指导，为广大设计人员提供借鉴。

1 工程背景

小沙河白沙岛段综合治理工程位于沈阳沈抚新区，治理河长约6.4km，河道治理主要为景观化护岸工程，防洪标准为20年一遇，上游P=5%设计流量为439m3/s，相应下游汇流口处河道水位高程为50.9m。护岸设计中将原有上游段采砂坑改造为人工湖，打造为金水湖公园，同时在下游段对河道进行了大量拓宽，形成白沙湾公园。

2 河道BIM正向设计

2.1 ORD软件BIM应用概述

OpenRoads Designer(简称ORD)是一款功能完善、全面详细的道路设计BIM软件，适用于勘测、排水、地下设施和道路设计。将其应用于线性河道综合治理工程，亦是水利BIM应用的一种大胆的尝试。 通过项目实践，实现了三维设计、二维出图、快速算量、数据报表、三维展示等方面的技术应用。

2.2 河道工作空间

软件各种要素的调用，依赖于软件的工作空间，ORD软件的工作空间，可以简单理解为其各类后台文件，它们关系着设计工作中的工作图层、线形、文字标注、材料外观、工程量统计、出图等方方面面的内容，ORD软件的后台文件大多是开放的，可以根据需求进行相应的配置。

2.3 三维建模

三维建模主要包括三维地形的生成、各类河道控制线的制作、廊道模板的绘制、廊道控制等工作，其中廊道模板的制作最为考验设计人员的逻辑思维，ORD软件的模板功能很强大，可以实现很多条件逻辑判断。

2.4 二维出图

利用ORD软件自带的出图模块，可以实现平面、纵断面与横断面自动出图，其中图纸的桩号、线形、图框样式、高程样式等可通过批注组进行一键批注，对图框设置后可实现批量打印生成PDF。

3 BIM模型与MIKE21的联合应用

3.1 MIKE21 简介

MIKE21 为丹麦水力研究所(DHI)研发的二维河道数值模拟软件，其中MIKE21 FM中的水动力模块采用的是非结构化网格有限体积法求解二维浅水方程。该方程为沿水深积分不可压缩的雷诺平均Navier-Stokes方程，可以模拟因各种力作用而产生的水位和流速变化及模拟任何忽略分层的二维自由表面流。

3.2 BIM模型生成xyz文件

由于MIKE21地形网格的制作并不支持BIM模型的直接导入，所以必须将BIM模型转换为MIKE21支持的xyz文件。这里主要进行2步工作，一是将模型转化为TIN文件，二是将TIN文件转化为xyz文件。

将BIM模型转化为TIN文件的工作中主要分三大类情况，一种是非BIM模型转化为TIN文件，一种是设计的河道模型转化为TIN文件，最后一种是由倾斜摄影实景转化为TIN文件。其中倾斜摄影多应用于现状模拟，而且并不能得到水面以下的高程数据，故此本次项目并未采用，下面主要介绍前两种情形。

在第一种情形中，主要利用高程线、高程点、三维特征线来创建地形，本工程光华湖段布置有景观湖及若干人工岛，其总体设计为其他景观设计院设计，本文利用其提供的平面布置图，通过样条曲线功能描绘其各类特征线，并对其赋予高程值来生成三维特征线，如图1所示，在通过软件从元素生成地形的功能，生成三维地形，如图2所示。本工程中由于入湖口段比降较大且存在弯道，对其弯道处的特征线进行了局部加密。

第二种情形中，主要利用BIM模型中各种特征线来生成三维地形，由于河道BIM模型创建完成后，会自然生成各类特征线，所以可以十分方便地直接从BIM模型中选择特征线来生成三维地形，本工程光华湖下游段河道地形采用此种方法创建，如图3所示。

地形模型生成完毕后，将地形文件导出为TIN文件，然后利用BentleyTIN2XYZ小工具将TIN文件转化为xyz文件。

图1 光华湖段三维特征线

对于地形边界，可以通过ORD中生成的地形直接提取地形边界，并通过平面报表模块将其转出为Excel文件，再对其进行简单整理，导出为MIKE 21所识别的xyz边界文件。

3.3 MIKE21 FM 地形文件的建立

MIKE21 FM 地形文件的建立是仿真计算前的必要工作，本例对进口流速较大处及设计河道局部束窄处的网格进行了加密，加密区边界尺寸长度设为3m，最大网格尺寸为10，其他位置边界尺寸长度设为8m，最大网格尺寸为50，6.4km河道共计节点14921个，计算网格单元28036个，在生成网格的同时，对生成的网格进行了4次平滑处理，并利用软件网格分析功能对部分网格形态进行了调整，使其更有利于模型的计算，生成的地形网格如图4所示。

3.4 MIKE21 FM的洪水计算

将生成好的地形文件调入MIKE21 FM仿真计算主程序，模型上边界流量为439m3/s，下边界水位为50.9m，初始计算水位为50.9m。

河道糙率对河道水位及流速影响较大，考虑城市段河道较天然河道更为规整，同时对比前期1维计算结果，最终设置河道全局糙率为0.023。

模型采用限制水深的方式处理动边界问题，将计算网格分为干、湿、半干三类，并对其相应数值进行了设置。在实际计算中干湿水深设置对模型稳定性影响较大，经多次调试，最终将干水深设置为0.1，淹没水深设置为0.12，湿水深度设置为0.15。

图2 光华湖公园处ORD地形模型与MIKE地形文件对比

图3 白沙湾公园处BIM模型、ORD地形模型与MIKE地形文件对比

图4 地形网格的建立及进口网格的加密

根据计算结果显示，如图5所示，整体流速分布从上游至下游成逐渐变小趋势，上游光华湖南侧流速最大，主要原因为此段为七孔闸闸下河段，受水工建筑物影响，河道比降较大，主槽流速约为2.3～3m，故此对此部位300m范围护岸设置石笼防护，护脚水平防护长度为4m，护坡石笼防护至设计水位以上加1m，为53.5m高程。出光华湖后河道中游段主槽流速为1.5～2m，下游河道主槽流速为1～1.5m，故此光华湖下游河道护岸采用石笼护脚+草皮护坡的型式符合抗冲要求。防护型式如图6所示。

4 结论

本次项目中基于BIM正向设计的同时与MIKE21仿真计算联合应用，更多的是为了倡导一种设计思维与设计行为，总结结论如下：

(1)经模型仿真计算，小沙河护岸光华湖下游段沿线护坡采用草皮护坡的防护型式是可行的。

(2)采用ORD进行河道BIM设计是高效且可行的，除BIM建模外，也可作为MIKE21仿真计算地形处理的前处理平台。

图5 20年一遇洪水下的流场分布

图6 光华湖南侧护岸防护图

(3)采用ORD软件与MIKE21联合应用，可以高度还原实际与设计河道地形，仿真计算的可信度更高，为设计决策提供更为有力的技术支撑。