BIM技术在水土保持工程勘测设计中的应用研究

陈接永

(梅州市水利水电勘测设计院，广东 梅州 514000)

1 概述

为有效防范水土流失，对水土资源进行相应地改良与保护，提高土地的生产力，减少各种自然灾害带来的损失，水土资源的社会、经济、生态效益得到充分发挥，即为水土保持。其措施则可以细分为工程措施、植物措施与临时防护措施。其中拦渣工程、土地整治工程、防洪排导工程、降水蓄渗工程、防风固沙工程属于工程措施，植被恢复与建设工程属于植物措施；临时防护措施涉及工程措施、植物措施。水土保持工程建筑物种类多样，包括拦渣坝、挡渣墙、拦渣堤、护岸护坡、排洪沟、截洪沟、沉砂池、蓄水池等[1]。

BIM概念最先由建筑业提出，之后进一步发展到水利水电工程领域。建筑信息模型(Building Information Modeling)，简称为BIM，主要是将数字模型作为关键性载体，采用高仿真、联合性、可视性、参数化的方式，对各种结构复杂的地质、地形条件下的建筑工程进行处理。该项技术能对设计生产效率进行明显提升，并能增强最终的勘测设计品质，最大限度规避后期的变更问题，减少设计时间与成本，同时还能让最终的设计成品具有直观性[2]。

国内外市场上主流的BIM软件平台主要包括A平台(Autodesk欧特克公司)、B平台(Bentley奔特力公司)和C平台(Catia达索公司)。A平台作为老牌工程软件服务商，在AutoCAD基础上开发了Civil 3D，并在Civil 3D基础上整合了revit、Naviswork后，初步形成了一套通用的BIM工程软件体系，而且价格相对便宜，推广较多，但软件针对性较差，需二次开发，软件间存在数据共享障碍，可能出现数据丢失、乱码等问题；B平台软件主要包括ContextCapture、MicroStation和ProjectWise等，但该套软件价格昂贵，且推广较少，主要是大型甲级设计院在使用。C平台主要是国外使用较多，国内水利行业运用较少[3]。

目前BIM在水利水电行业领域的应用范围较窄，主要集中在大中型水利枢纽工程和堤防工程，使用的软件以Bentley平台软件为主。BIM在水土保持工程领域运用的较少，可以说是空白，在知网、万方数据库中很难找到相关参考文献，本文通过整合市面上BIM软件，对A平台的软件进行二次开发编程，打通软件间数据共享障碍，初步形成了一套适用于水土保持工程勘测、设计、施工、运维整个流程的软件体系。

2 水土保持工程勘测设计存在的问题

目前，水土保持工程勘测设计仍基于CAD的传统模式。早期，CAD绘图模式取代了人工手绘，提高了工作效率，但随着BIM技术的推广，传统CAD绘图的弊端已经逐渐显露，似乎又到了一个更新换代的时期。

2.1 传统测量模式耗时长，工作量大

传统的测量技术需要逐个打点，测量工作量巨大、耗时长、测程短，譬如测量打点往往有着一定的局限性，难以对大量数据信息进行快速处理，特别是水土保持工程常常需要对面积大且地形结构复杂的河道低洼之处、山坡地等区域进行处理。

2.2 传统的二维设计效率低、精度差

水土保持工程的传统设计方式是在测量二维平面图上布置，大多借助于设计者自身经验来加以判断，对设计人员的设计经验要求极高，且容易导致平面图和断面图脱轨，衔接不上。设计人员需在断面图上根据地形手动绘制，效率低、精度差，后期无法导出工程量。

2.3 传统二维图纸专业性强，理解困难

在传统二维设计模式之下，二维图纸对复杂的水土保持工程项目描述有限，设计生成的施工图纸非常专业，需要有很强的相关专业知识才能理解，给相关参建单位沟通造成困难。特别对缺乏相关知识与能力的建设单位，项目决策时缺乏量化与直观的依据[4]。

3 水土保持工程BIM勘测设计流程体系

水土保持工程BIM勘测设计流程体系就是通过二次开发编程，整合市面上BIM软件，打通数据共享障碍，形成一套适用于水土保持工程勘测、设计、施工、运维整个流程的软件体系，该软件体系主要包括大疆智图、AutoCAD Civil 3D、Dynamo、Naviswork、Lumion、Mars等软件。该体系使整个流程变得更为简便，其主要功能涉及到勘察测绘、模型构建、规划、设计结构、展示效果、模拟施工等，该设计流程体系如图1所示，左侧是水土保持工程BIM勘测设计的步骤及其工作重点，右侧是其对应步骤使用到的软件。文章以高陂镇建筑、陶瓷垃圾弃渣场项目(3级弃渣场，容渣量为370万m3，堆渣高度为65 m)为例，系统地展示水土保持工程的整套BIM勘测设计流程体系。

图1 水土保持工程BIM设计流程体系示意

3.1 地形三维建模

采用最新款大疆经纬M300 RTK固定翼无人机搭载五镜头进行航测，其POS数据可精准至1 cm，完全满足水土保持工程的测绘要求。以其获取的弃渣场场区正摄影像和倾斜影像为数据源，借助于大疆智图系统完成地形建模，并将POS数据、集中的原始影像图等信息统一导入到该系统，通过诸多过程，如贴纹理、自动匹配空三、构建3D模型等方式，完成最终的3D建模。该过程具有较高自动化水平，倾斜、正射影像能够实现全自动联合空三，可以结合构筑物提供密度较高的非规则性的三角网，纹理也能实现自动张贴。该软件能够借助于3D网格优化算法、影像匹配彩色点元数据技术，实现丰富的功能，主要包括重建3D模型，完成纹理映射，在连接点重构约束与纹理，并对堆渣区创建更高精度的实景3D地形。

3.2 地形场地分析

在土木工程勘测设计领域，AutoCAD Civil 3D是较为常见的一种BIM解决方案，土建、勘察、土地规划等诸多方面得到广泛运用，其核心框架依然为Auto CAD，其间的操作页面颇为相似性。可以将Civil 3D转换到不同的工作界面，包括人们较为熟悉的工作页面。AutoCAD中的快捷键和二次开发编程的程序同样在Civil 3D中可以使用。

在Civil 3D软件中，能够对弃渣场、坡向、高程分布、流域、堆渣库容等诸多项目展开深入分析，并能对曲面分析、等高线等相关数据进行同步，并对源数据进行增改删过程中，相关的3D地形曲面，就能通过此软件进行自动更改。图2为弃渣场的流域分析示意，红色线条为流域分界线，彩色箭头表示坡度和流向。

图2 高陂镇弃渣场流域分析成果示意

3.3 工程场地设计

利用该软件系统，完成以三角网为基础的数字地面模型，在实景三维模型中进行场地设计，确定弃渣场堆渣方式、堆渣高度、拦渣坝位置和走向、防洪排导工程等水保设施布局和走向。在进行曲面编辑时，对挖填方量进行计算，将不同曲面加以叠加，对其中不同高程点Z值，展开差值计算之后，借助于用于3D几何计算模型，来对其进行精准计算。在开挖坝基之时，需要对设计曲面进行开挖，生成土方挖填工程量(见图3)与获取更为准确的土方施工示意。

图3 高陂镇弃渣场挖填工程量示意

3.4 断面结构设计

水土保持工程中遇到建筑物往往复杂多变，包括拦渣坝、挡渣墙、道路等，结构多样且渐变，Civil 3D软件没有带相关部件，需借助于欧特克开发的部件编辑器(Autodesk Subassembly Compose)进行挡渣坝、挡渣墙、排洪沟、道路等水保设施的断面结构参数化设计(见图4)。参数化设计的特点就是可直接修改结构物的尺寸参数来驱动几何图形以及CAD图元调整外观的行为，图形可根据地形和参数需要自动调整断面尺寸和形状。该编辑器是以Civil 3D为基础，有着丰富的功能，使用也较为简单，只需要借助于可视化页面完成交互，就能构建能够应用于该Civil 3D软件的相关部件。

图4 高陂镇挡渣坝参数化部件示意

3.5 三维模型生成

Dynamo for Civil3D是一款功能强大的可视化编程软件，该软件使用方便，页面简单，2021版Dynamo已经集合到Civil 3D软件中一起安装，可以通过该版本非常迅速的进行二次开发，并能对口API进行应用[5]。

Civil 3D软件的地形、边坡等相关的处理与设计功能已经较为丰富，再融合Dynamo软件进行编程，借助于装配模型，就能对场区道路、拦渣坝等部件的挖填曲线、外形等进行动态构建。图5为利用参数化部件二次开发生成的拦渣坝BIM三维模型。

图5 高陂镇拦渣坝BIM三维模型示意

3.6 出图和导出工程量

高陂镇拦渣坝是以Civil 3D软件体系完成具体工程的3D建模，然后在此基础上进行三维图纸的二维转化，进行样式设计和尺寸标注，生成弃渣场、拦渣坝、排洪沟等设施的平面图、纵断面图、横断面图(见图6左侧)、剖面图和细部大样图，同时可自动添加图框，生成工程量统计表(见图6右侧)，批量打印成纸质版施工图成果。

图6 拦渣坝横断面示意

3.7 整合和施工模拟

Autodesk Navisworks软件可轻量化整合大部分三维模型，各专业工程整合能对整个项目进行漫游式观察，加以碰撞检查，找出设计错漏并加以修改[6]。软件将可视化与信息化加以整合，可以让不同参与主体更加便捷地进行信息共享，使得设计质量与效率得到明显提升，降低不同专业之间交流与协同的成本。软件能对材料与结构、施工与设计之间的冲突进行最大限度的弱化，资源、人力的利用效率可以得到明显提升。

Fuzor则是典型的BIM虚拟现实(VR)平台，将BIM与4D技术进行融合，把BIM模型转换形成包含了BIM数据的VR场景，诸多的项目参与主体可以在统一的VR场景中进行信息交互。在实际施工前，可以借助于动画模式提前预知施工的诸多环节。另外，还能借助于漫游模式，对整个工程的不同细节进行观察，从而了解不同构筑物的细节与整体面目，后期还能根据漫游情况，导出漫游视频文件。

广联达BIM土建计量平台、云计价平台、BIM5D为工程提供一个计量计价、可视化、可量化的协同工作平台，能够快速计算工程量、汇总计价，形成工程概算文件[7]。

3.8 效果展示汇报

lumion10是当前最流行的三维漫游动画和效果图制作软件之一，这款软件提供了丰富的素材，还可以将水面、玻璃的反射效果进行高度重现，完成模型设置之后，相关的后期处理全部统一在特效中进行，制作和渲染颇为迅速。高陂镇弃渣场、拦渣坝和道路模型导入lumion10后，再添加植被、人物、汽车、建筑等配景后，能够在较短时间之内，给出效果十分惊艳的VR动画或者静态图像。其生成的图像媲美高清照片，完全可以达到完美效果(见图7)。Mars软件是新兴国产全景漫游软件，也有类似Lumion 10的相应功能，同时还具有统计景观绿化工程量的功能，而且价格便宜。

图7 高陂镇弃渣场整体效果示意

4 结语

综上所述，本次针对水土保持工程开发形成的BIM勘测设计流程体系，有效提升水土保持工程勘测设计成果的质量和设计效率。随着勘测设计行业逐步市场化，行业竞争加剧，勘测设计单位在勘察设计工作过程中，要严格把握行业新趋势，积极提升业务能力与设计水平，在激烈竞争的市场中赢得相应的优势。