农田水利工程融入BIM技术探索与实践

周林勇，熊克仁

(江西省地质局地理信息工程大队，江西 南昌 330000)

0 引言

2012年10月11日，国土资源部召开了加快推进高标准基本农田示范县建设动员部署视频会议，要求加快建设500个高标准基本农田示范县，“十二五”期间，建成不少于1 333.3万hm2集中连片、设施配套、高产稳产、生态良好、抗灾能力强、与现代农业生产和经营方式相适应的高标准基本农田，确保完成全国2 666.7万hm2高标准基本农田建设任务。2019年，中央安排高标准农田建设资金达859亿元，同年11月国务院办公厅印发的《国务院办公厅关于切实加强高标准农田建设提升国家粮食安全保障能力的意见》明确提出，到2022年，全国要建成6 666.7万hm2高标准农田；到2025年建成7 166.7万hm2，并改造提升现有高标准农田700万hm2；到2030年建成8 000万hm2，并改造提升现有高标准农田1 866.7万hm2。现代化的高标准农田建设不得脱离农民的实际需求，其设计既要现代化、标准化，还要合理化。传统的二维CAD制图设计已经不能满足当前的设计需求，自3D制图问世开来，以及各种计算技术集合，在建筑业逐渐出现了新的名词——建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术。BIM技术已经逐渐运用到各行各业，全流程协同、可视化等优势越来越受到世人青睐。BIM技术已经能够实现小型农田水利工程可视化设计，在整个项日过程中发挥重要作用[1]。买合木提江卡地尔等[2-3]已通过研究将BIM技术运用到渠道工程中。葛争争等[4-5]在规划设计中对BIM技术的运用也进行了尝试。BIM技术在施工阶段的应用模式很少，一般是用在设计阶段[6]。

1 BIM技术概述

BIM技术具有可视化、一体化、参数化、仿真性、协调性、优化性、可出图性和信息完备性等特点。BIM技术是一种多维模型信息集成技术，可以使建设项目的所有参与方(包括政府主管部门、业主、设计、施工、监理、造价、运营管理、项目用户等)在项目从概念产生到完全拆除的整个生命周期内都能够在模型中操作信息和在信息中操作模型，从而从根本上改变从业人员依靠符号文字形式图纸进行项目建设和运营管理的工作方式，实现在建设项目全生命周期内提高工作效率和质量，以及减少错误和风险的目标[3-7]。BIM各阶段应用流程如图1所示。

图1 BIM各阶段应用流程Fig.1 Application flow chart of BIM at each stage

市场上BIM模型设计软件主要有以下7种[8-9]。

(1)Revit建模核心是参数化建模，通过设定参数，可以批量修改构件的长度、大小、外观及形态。Revit与其他软件协同可以通过插件建立联系，还有各种帮助设计的插件，高效地实现快速建模，提高设计水平[10]。

(2)广联达为客户提供预算估计、预算及结算的资料汇编、检讨、累积、分析、挖掘及再利用[11]。该平台以海量数据、云计算等信息技术为基础，实现了全面的业务整合定价和全流程覆盖，使成本工作更加高效、智能化、人性化。

(3)Navisworks在建筑信息模型工作流程中处于核心地位。集成高效出色的完成细部构造的碰撞、复杂节点的碰撞，完善建筑模型，优化设计方案。其优点是项目被视为一个整体，而不考虑文件的大小，从而优化设计决策、建筑实施、绩效预测和规划到设施管理和运营等各个环节。

(4)Lumion涉及到建筑、规划、设计的渲染和动画。该软件可大幅减小制作时间，来渲染建筑，为制作者省去了大量的时间、工作精力和资金。通过导入FBX模型给建筑上色、场地规划、布置场景等来使模型更真实。

(5)3DS Max作为BIM的三维动画渲染和制作软件，是国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作的软件。

(6)Powercivil是bnetley公司开发的面向道路、桥梁和隧道的专业软件，可用来建立农田水利工程中地形、道路等对精度要求不高的大模型，但对建筑物的建立并不适用。

(7)CATIA软件具有强大的曲面设计功能，且参数化方便，模型精度高。农田水利工程中建筑物复杂且种类多样，也可采用CATIA来建模[12]。

2 高标准农田项目实施难点

高标准农田项目主要建设内容包括土地平整工程、土壤改良工程、灌溉与排水工程、田间道路工程、农田防护和生态环境保持工程、农田输配电工程及其他工程等[7]。高标准农田项目涉及的专业也比较繁多，沟渠路、水电控制、建筑安装，样样俱全。运用BIM技术可以很好地串联这些专业和学科，打造设计施工一体化。其中灌溉与排水工程内容比较丰富且较复杂，具体包含提灌站、机井、水陂、现浇渠、预制渠、涵洞、水闸、机耕桥、渡槽、下田涵等。各种单体又根据实际地形需要设计不同的型号和尺寸，或者组合单体，如桥带渡槽、桥带闸等。实际布置效果很难从传统的二维制图设计中表达清楚，没有直观性。BIM的出现，可以很好地解决这一系列问题和不足。

3 BIM技术在高标准农田项目中的应用

针对江西省某县一高标准农田项目，运用BIM技术做了一些可视化展示。简单工程以简易闸设计为例，复杂工程选取水泵站设计作为探索。本文选择revit软件进行BIM建模学习研究。

3.1 简易闸建模

1.5 m×1.5 m(H×B)简易闸包括基础、闸墩、木质闸门、人行桥板4部分。单体建模可简单理解为构件的组合及渲染。对于简单的构件可在BIM软件中直接填加族，修改族尺寸得到需要的形状。赵继伟等[13]已在其研究中对族的新建参数化有详细的阐述。对于不规则形状如闸墩，则需通过绘制俯视断面然后拉伸实际高度形成闸墩实体。设定基准面将基础、闸墩、木质闸门、人行桥板组合在一起即可组成三维简易闸，如图2所示。再通过简单的渠道、植物、大地建模布置，将简易闸置于其中，还可将人物添加进去，得到三维场景，如图3所示。简易闸的整个建模过程相对较简单，视觉效果较佳，项目参与者一目了然。对于设计人员人行桥板钢筋布置，也可利用软件菜单栏【结构】子菜单【钢筋】菜单布置钢筋，钢筋型号、大小、间距都可自由选择，极其方便，如图4所示。通过左侧菜单栏，明细表还可以导出结构尺寸表和钢筋表等，如表1和表2所示。利用BIM软件进行设计能大大减少设计时间，实现建筑物可视化、生动形象，可导出不同剖面结构图、立面图，能自动统计工程量等。业主、施工等各方也可直观感受设计成果，对优化设计也起到很大作用。

图2 简易闸三维实体Fig.2 3D entity of simple gate

图3 简易闸三维场景Fig.3 3D scene of simple gate

图4 人行桥板断面钢筋布置Fig.4 Reinforcement layout of pedestrian bridge slab section

3.2 取水泵站建模

取水泵站包括泵房、取水口、出水池、水泵、取水管和水渠。取水泵站相对农水项目来说是比较复杂的单项工程，涉及建筑、水、电、设备及其安装。但是通过BIM建模设计，也会简单很多。特殊形状的构建BIM软件自带族一般没有，但是可以通过创建构建族，并保存下来，就可以随时调用。整个模型的构建与简易闸基本相同，泵房的基础、粱、门、窗、灯具、电机等都可以从【插入】菜单或者左侧的【项目浏览器】菜单中添加进去组合而成，三维泵站如图5所示。通过BIM建模后，可以形象地反映出单体的整体效果，包括构件材质、颜色和形状等，还可以出效果图。建模成功后可任意选取剖面直接出带图签的设计图纸，甚至CAD格式，可方便与其他设计对接。选取两个不同方向的剖面(图6和图7)，可以清楚地看到图纸还有着色渲染效果及透视效果[14]。梁板的配筋、内置设备(泵、管)等内部物件也可以在剖面图中反映出来。对设计人员来说，设计过程比二维的设计要简单许多，尤其是结构图和配筋图，以及工程量的统计。通过向项目业主、施工、村民展示这种三维模型，也快速加强了他们对项目的理解，同样得到了大家的一致认可。

表1 结构基础明细Tab.1 List of structural foundation

表2 结构基础明细Tab.2 List of structural foundation

图5 泵站三维视图Fig.5 3D view of pump station

图6 正面剖面图Fig.6 Front section

图7 侧面剖面图Fig.7 Side section

4 结束语

BIM建模技术的应用能够快速地实现农田水利工程设计可视化、协同化，节省了工作时间，且有利于投资控制，更重要的是有利于项目参与者直观了解工程特点和整体构思，减少沟通障碍，较大程度上实现业主、设计、造价、施工、监理等各方的项目一体化。