农田水利工程施工可视化模型构建与应用

曾 强

(辽宁省沈阳市苏家屯区农业农村服务中心，辽宁 苏家屯 110101)

0 引 言

随着社会经济水平的不断发展，农业也逐渐向着科技化、数值化发展，农田水利工程是农业基础设施发展中较为重要的组成部分。张林渠[1]通过分析信息化技术在农田水利工程中的应用，得出信息技术可以有效提高工程质量；刘刚燕[2]分析信息技术在农田水利工程中应用存在的问题，并提出相应的解决建议；陈金水[3]从管理运营的角度分析信息化技术在农田灌溉工程中的应用及为提高农作物产量、降低成本等方面的作用；张书生[4]通过构建BIM模型，并将其应用于农田水利过程中，与传统设计方法对比，总结出BIM应用于农田水利工程中具有很好的作用效果；李芬[5]运用Powercivil软件构造了农田水利工程模型，从设计、施工、运营3个角度和传统方法对比，总结出两种方法的优劣。综上，本文将利用BIM构建农田水利模型，并结合实际工程分析模型的应用效果。

1 BIM软件的选择

BIM(Building Information Modeling)技术可以运用于工程的设计、施工、运营管理3个工程阶段，保证工程信息的有效应用。在工程设计阶段，依据工程的协同化和设计参数，构建BIM三维模型，可以对设计的建筑模型进行优化，并且查找建筑模型中两个结构的碰撞点与设计中的构造错误，这一点与传统的平面图相比具有较大的优势。在工程施工阶段，BIM构建的模型可以加快出图效率，快速准确地计算工程量与工程造价，以及通过构建施工模拟动画模型模拟施工过程，实现施工设计的可视化。在运营管理阶段，通过将构建的BIM模型与相关的管理运营软件结合使用，有效提高工程的管理效率和降低工程的运营成本。构建一个准确有效的BIM农田水利模型是实现农田水利工程设计、施工、运营管理的基础，根据农田水利工程面积大、构造物多等特点，需要选择合适的程序来提高模型的精准度。

依据农田水利工程的工程特点，选用Powercivil软件和CATIA软件进行开发。Powercivil软件较为广泛地应用于道路工程、桥梁工程、隧道工程等较大的模型体系，但Powercivil软件精度较低，因而可以应用于水利工程模型中非建筑物类对模型精度要求不高且较大的地形地貌、道路等构造物中。CATIA软件具有模型精度高、参数化方便、优化能力强等优点，刚好可以弥补Powercivil软件建模中的不足，可以应用于该水利工程中模型精度要求高、工程结构复杂的建筑物建模过程。

通过分析农田水利工程的工程特点，拟采用Powercivil软件和CATIA软件相结合的模型，通过Powercivil软件构建精度要求低、面积大的地形地貌、道路等构造物，而精度高、模型复杂的建筑物采用CATIA软件进行构建。

2 构建BIM模型

2.1 建筑物建模

采用CATIA软件对模型参数化，建立建筑物的参数化模板库，对于建筑物模型的构建起到关键作用，模型的特征参数确定是构建建筑物模型的基础。模型特征参数的确定步骤如下：

1) 确定农田周围建筑物种类及数量，并按照建筑物类型进行划分，将各种类型的建筑物分别记录。

2) 通过比较同一类建筑物的特征，分析各建筑物之间的差异化特征，并将特征数作为建筑物的特征参数。对不同建筑物的特征参数进行统计，见表1。

表1 建筑物分类及特征参数比较

参数确定后，需要对建筑物模型进行尺寸约束，这是建筑物建模过程中较为重要的步骤。对于建筑物的尺寸约束要确定合适的数值，否则容易造成建筑物模型尺寸报出错误或模型效果不理想。建模过程中需要将建筑物分解成不同的构件，对建筑物中的构件依次建立模型，这是建筑物建模过程中较为关键的步骤。建筑物的建模次序也影响构建模型的效果，以圆管涵为例，分析建模的次序。

1) 通过CATIA软件草图模式设计出圆管涵的截面尺寸并进行约束，同时确定圆管涵的尺寸；进而在三维模式对管涵进行划分，使用凸台命令构建4个分段圆管涵。

2) 通过CATIA软件草图模式设计出圆管涵的纵切面截面尺寸并进行约束，同时确定挡墙的尺寸；进而在三维模式对挡墙位置进行布置，使用布尔操作建立挡墙模型，将挡墙分布在构建的管涵两侧。

3) 在管涵底部布置基座的约束。

4) 在基座底部依次添加保温材料、水泥混凝土、砂浆等材料约束。

5) 将保温材料的约束延伸至两侧挡墙的后背。

6) 在挡墙前端添加衬砌材料、支护结构的约束。

对于不同的圆管涵，需要依次修改模型中圆管涵的涵洞长度、圆管涵直径、挡墙高宽比等参数，即可得到不同尺寸的圆管涵模型。其它类型的建筑物建模步骤与圆管涵类似，依次构建不同建筑物的模型即可得到建筑物的模板库。

2.2 地形建模

地形的合理设置是水利工程构造物模型建立的基础，地形作为水利工程的载体，其参数的合理性直接关系到水利工程设计、施工算量、工程造价等工作的准确性。利用Powercivil软件将地形中的等高线、高程点相结合，可以有效提高建模的精度和准确度。对等高线和高程点的处理步骤如下：

1) 对现场的等高线和高程点进行复核测量，对于起伏较大的地形进行多次复核，保证测量的准确性。

2) 对测量的高程点进行理论核算，对有问题的高程点进行复测调整，对于构造物布置区域的数据值核算要足够精确。

3) 剔除过高或过低的数据点，尽量减少凹凸的尖点。

将调整好的地形分布数值信息导入Powercivil软件中，通过导入的参数构建地形模型图，对生成的地形模型图进行调整，使其更符合工程实际。

2.3 渠道及道路建模

渠道的建模主要应用Powercivil软件建立横断面模板，沿着横断面模板向水流方向进行放样，因而建模的主要步骤为建立横断面模板和绘制水流方向渠道基准线。

为提高建模效率，渠道建模的主要步骤为：

1) 以一个渠道作为建模模板，采用一个渠道的一半作为建模对象，另一半采用镜像法生成，其余的渠道模型通过修改渠道的特征参数进行调整得到新的模板。

2) 运用软件中的参考功能，参考原始地形地貌，通过调整角度、方位将渠道布置在地形中，使渠道与原始地形吻合。

3) 渠道设置为直线、缓和曲线、曲线的布置形式，避免渠道出现直角转弯。

4) 利用软件的廊道工具，对绘制的渠道利用其桩号进行修正，最终得到渠道的最终模型。

农田田间道路和干线道路模型的建立与渠道模型建立的方法相同。

2.4 模型整合

对于上面构建的构筑物模型文件，因为使用不同软件得到不同的模型文件，因而需要对不同文件进行转化，将Powercivil软件和CATIA软件的文件转化为sat文件。将CATIA软件的建筑物文件转化为sat格式导入Powercivil软件中，通过移动建筑物的方位布局、角度，使得与Powercivil软件中的模型相吻合，进而得到BIM的完整模型。

3 工程应用

3.1 工程概况

安徽省马鞍山市某农田工程，使用水源为长江流域水流。该区域由于建设农田示范区，拟扩建农田灌溉水利工程管网，计划扩建农田水渠长度为30.53 km，改建田间道路15.86 km、干线道路30.32 km。修建建筑物283座，其中管涵161座、水闸20座、渡槽21座、斗门81座。

3.2 BIM应用

3.2.1 水面曲线确定

Flow master软件分析农田水利水流特性具有很好的效果，通过对建立的水利工程模型设置水流的相关参数，Flow master软件通过分析水流参数即可拟合出输水水渠的水面形状，生成流动水面的相关参数。若设计的渠道无法达到水流的要求，则通过改变水渠的相关参数，直至符合灌溉水流的要求。图1为通过水流参数模拟得到的支流渠道的水面曲线，可以判断出该部位水渠设计较为合理。

图1 支渠水面曲线

3.2.2 模型检测

BIM模型可以检测模型之间是否存在空间交叉，判断各分段模型是否存在碰撞与不协调，并生成检测报告，检测报告中的问题可以通过修改原模型，从而避免工程施工中两个结构互相影响。以某一支渠道与干线渠道碰撞检测为例，共检测出3个冲突点，3个点的坐标分别为(1 319.461 83 m，6 725.375 84 m，136.201 84 m)、(1 319.295 63 m，6 726.545 57 m，135.974 52 m)、(1 320.844 34 m，6 727.911 46 m，135.796 58 m)。

3.2.3 生成施工图

与传统CAD设计相比较，BIM模型具有较高的出图准确性和较快的效率。通过软件中的剖切命令可以快速得到施工图，断面图也可以通过软件中的断面图工具获得，从而应用于指导施工。图2为支渠断面图，图纸布局合理，高效指导施工。

图2 支渠的断面图

3.2.4 工程数量计算

建立好模型后，可以通过Powercivil软件中带有的工程量计算功能实现工程算量，得到工程的工程量清单；进而套入施工定额，得到工程的概预算。将工程量清单与实际工程进行比较，误差为2.32%，在工程允许值5%的范围内，所建立模型与实际工程误差小，具有较高精度。

3.2.5 施工过程模拟

通过Powercivil软件中自带的施工模拟工具，可以根据制定的施工方案进行施工模拟，使得施工方案可视化，更加有利于施工方案的选取与优化，同时可以向业主和客户进行展示。

4 结 论

通过BIM软件构建农田水利工程，并根据原始地形资料和灌溉水流进行调整，不断优化农田水利模型，主要结论如下：

1) 根据农田水利灌溉工程的特点，采用Powercivil软件和CATIA软件相结合的模型，构建了地貌、道路等精度要求低的构造物和精度高的建筑物。

2) 通过BIM软件对农田水利工程的水力曲线进行确定，分析渠道的合理性并作出相应的调整。

3) 利用BIM构建模型，可以提高构建模型的精准度，拥有快速出图、高效施工等优点。