数字化技术赋能基建工程转型升级

文|于敬舟 刘晓彬

数字化、信息化已经成为新时代各行各业发展的主流，立足新发展阶段、新发展理念，传统基础设施建设技术难以适应新发展格局、高质量发展需要，迫切需要转型升级。堤防工程关乎国民经济和社会发展，是水利工程建设中的重要基础设施，发挥着加固河道堤岸、保障航运安全、提升防洪治理的作用，能够有效促进航运的安全性。目前堤防工程设计仍然停留在传统二维设计阶段，重复性断面绘制导致设计效率低下，且与地形融合处理不准确，导致工程量统计困难。

在我公司承担的某堤防防洪治理工程项目设计过程中，遇到普遍存在的堤防工程区域广、断面尺寸多变、地形交界复杂的难题，严重影响设计效率和成果质量。

实际我公司已在三维协同设计技术方面深耕十余年，在各种工程项目中不断突破传统设计方式和思维，探索数字化技术、信息化手段，具有比较丰富、成熟的三维设计技术力量。为解决堤防工程设计中的各种问题，以此堤防工程项目为研究对象，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，融合在工程设计行业蓬勃发展的BIM 技术，探索更加直观、精确的堤防三维设计技术，致力于更明晰的表达设计意图，指导施工建设。

下面结合本堤防工程项目，详细介绍运用OpenRoads Designer 进行堤防三维设计的流程，尤其对参数化快速创建三维堤防模型技术要点进行详细介绍，并将其应用于工程量统计、二维出图、实景漫游等。

堤防工程项目概况

本文依托的项目为堤防防洪治理工程，规划堤线长约8.1km。按照200年一遇洪水标准治理，主要工程内容包括：堤防加高倍厚、堤顶硬化、迎水坡防护、堤身加固处理、水土保持、生态护坡及堤身景观绿化等。现状堤顶宽度约4 ～10m，左堤堤顶高程为9.5 ～13.2m，堤防内、外边坡1:2 ～1:3。现状堤高为1.5m 至2.5m之间。

三维设计软件选择

Bentley 系列软件中的OpenRoads Designer（以下简称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等，适合长距离线性工程的三维建模，基于此特点本项目将ORD 软件应用于水利设计中的堤防工程设计。

堤防工程设计难点

本项目具有以下技术难点：

一是堤防断面尺寸多变，绘制工作量大。此堤防项目为8.1km 长距离线性工程，涉及工程区域广，地形起伏不定，导致工程设计断面尺寸多变，传统的二维设计和常规的三维建模软件，都需要重复性断面绘制，繁琐且工作量大。

二是工程方案调整频繁。整个工程建设阶段会面临频繁的方案调整工作，实现断面反复调整、模型联动更改，是提高堤防三维设计实用性的关键技术。

三是堤防模型与数字地形模型融合复杂。在此项目堤防区域内，地形起伏不定，堤防边坡需要与地形完全贴合，且工测断面间的过渡段也要保证石笼护岸底板高程适应原地形变化。

四是三维堤顶中心线绘制精确性。工程测量得到的堤顶中心线数据通常是单独的二维平面线和纵断面线，实现堤防三维建模，需要得到平纵线的三维几何信息。

ORD 技术解决方案

一是使用ORD 软件的“模板”工具，创建堤防典型断面，实现三维快速建模。

二是在ORD 软件已创建的堤防横断面模板上设置参数标签，通过制作参数文件，实现断面参数化，减小断面重复绘制工作量，结合“同步模板”功能，一键实现工程方案联动调整。

三是采用ORD 软件的“廊道”功能进行堤防建模，堤防横断面沿桩号自动变化，堤防放坡自动寻找与数字地形模型的交线，两者紧密贴合。

四是ORD 软件通过“视图联动”，结合激活的数字地形文件，得到精确的平纵线几何信息，且平纵线设计功能强大，能进行缓和曲线、直线和圆曲线的任意衔接。

ORD 堤防设计流程

通过ORD 技术能有效解决堤防三维设计中面临的技术难点，在此总结基于ORD 技术的堤防三维设计流程如图1。

图1 基于ORD 技术的堤防三维设计流程图

基于ORD 技术的堤防三维设计，是在激活生成的数字地形模型的基础上，设计堤顶中心线（包括平、纵线），然后使用堤防横断面参数化模板，结合模板对应的参数文件，直接生成堤防模型。其中，堤防横断面参数化模板设计是堤防三维设计的关键步骤，其设计精确性、参数合理性，直接关系到后期线性堤防模型的优劣及制作参数文件的工作量大小。可在堤防模型的基础上考虑地面清基处理，使堤防模型工程量统计更加精确。最后通过“参考”组装堤防模型和附属设施建筑物模型，得到独立的堤防项目整体三维模型文件，服务于工程全生命周期应用。

ORD 关键技术点

数字地形模型创建。数字地形模型以坐标X、Y、Z 表达地面形态，带有空间位置特征和地形属性特征。ORD 软件采用狄洛尼（Delaunay）三角网构建原理进行地形拟合，可通过导入.dtm、.tin、.dat、.txt 等地形数据文件创建数字地形模型。也可先参考.dwg 格式的地形数据文件，然后通过图形过滤器的方式，使用相关图层数据包创建数字地形模型。此堤防项目的数字地形模型如图2所示，通过设置数字地形模型属性，选择不同的显示模式，便于建模查看。

堤顶中心平纵线设计。地形模型创建后需设置为激活地形，才能有效进行平纵线设计。项目堤防横断面模板是以堤顶中心线为基准，首先参考此项目堤顶中心平面线，并赋予土木特征，添加了土木特征的堤顶中心平面线，可方便查询构成平面线的缓和曲线、直线和圆曲线对应的几何信息，且平面线自带桩号信息，并可修改编辑起始点桩号，掌握堤顶中心线任意位置及走向。然后通过视图联动打开纵断面设计窗口，为堤顶中心平面线添加Z 向高程信息，也可通过参考二维断面线的方式设置激活纵断面。

图2 项目数字地形模型

图3 堤防典型横断面参数化模板

图4 模板参数文件及导入ORD 界面

堤防横断面参数化模板设计。堤防横断面模板是采用ORD 技术进行堤防设计的关键步骤，组件详细、尺寸精确、参数合理等因素，决定了后期生成模型的质量，也关系到模板参数文件制作的工作量大小。在本项目中，建立了单独的“XX 项目.til”模板库文件，并存放于在WorkSpace 中，方便后期项目的存储、管理、迁移等工作。项目的堤防断面包括堤顶路、生态护坡、格宾石笼、砂砾垫层等结构，由模板的简单组件（Simple）、受约束组件（Constrained）、空点（Null Point）、末端条件组件（End Condition）、重叠/剥离组件（Overlay/Stripping）等创建如图3所示堤防典型横断面参数化模板，并赋予相应材质。

模板断面上的点通过相互间的约束关系精确控制位置，依据堤防断面设计的原则：堤顶中心依附堤顶中心线，生态护坡和格宾石笼贴合地面，确定出沿程变化的控制点，并定义参数标签，实现模板参数化。

模板参数文件制作。模板参数文件为txt格式，模型生成时导入ORD 软件，模型自动更新。此堤防项目每间隔100m 确定一个工测断面，堤防横断面模板尺寸参数据此设置。模板参数文件及导入ORD 界面示例如图4所示。

图5 二三维联动堤防模型

图6 清基处理模板及模型

图7 模型组装实景图

堤防模型生成。数字地形模型、平纵线、堤防横断面参数化模板、模板参数文件四类资料设计、制作完毕后，可由ORD“廊道功能”“新建三维路面”“编辑廊道”等工具直接生成堤防模型，并更新模板参数得到最终的堤防廊道，如图5所示，二三维联动查看模型，可以看出堤防护坡能与地形自动融合。

地面清基处理。地面清基处理是堤防设计中不可忽视的安全问题，在ORD 软件中清基处理属于断面模板制作的内容，创建与否可视项目需求而定。通过重叠/剥离组件（Overlay/Stripping）创建两条填方线，如图6所示，粗实线顶部贴合堤防组件、底部贴合地面；粗虚线顶部、底部均设置为贴合地面，表面深度为0.3m 的清基厚度。生成的堤防模型中，填方底部即为0.3m 后的清基处理。

附属设施建模及整体组装。此项目在桩号3+817 处有一座节制闸，ORD 具有MicroStation 所有基础建模功能，可直接创建节制闸模型。

各专业完成之后，在ORD 内完成全专业模型组装，通过统一坐标系的建立，以项目模型参考的方式实现各类建筑物的无缝对接，模型对接完成之后，进行三维碰撞分析，有效实现各项目间的协调，提高设计质量，减少后期设计变更。

参数化设计为工程提供有效技术支撑

项目工程量统计结合现场地形地貌情况进行分析，利用ORD 软件“廊道报表”功能实现包括开挖回填、堤顶路、生态护坡、格宾石笼、砂砾垫层等结构各类材料在内的工程量精确统计，再结合材料单价能较为准确地计算出工程部分总造价。

附属建筑物建立完成之后，结合工程实际，可实现各个水工建筑物的平纵横批量出图，并输出图纸。

后期可将建好的模型与实景模型、正射影像结合进行模型调整、匹配环境、模型渲染、漫游飞行等操作形成最后的三维效果图与漫游视频进行成果展示输出，如图7所示。

本项目依托某堤防防洪治理工程，基于ORD 技术有效解决了堤防工程三维建模中涉及的区域广、地形起伏大、线路长、沿线断面尺寸多变的难题。

创新性地利用ORD 软件节点和桩号驱动的方式，实现参数化模板建模，堤防模型边坡与地形自动融合，堤线、堤防断面和三维模型的联动修改，实现了高效的参数化设计，为水利堤防工程提供了有效的技术支撑，具有良好的推广应用价值，可供同类型项目借鉴。