BIM 技术在双曲拱坝建模中的应用

张 明

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 520002）

0 引 言

双曲拱坝是一种依托科学设计，巧妙将大部分水平荷载向两岸边坡传递，从而提升坝体结构安全、稳定的复杂坝型，整体可以看作是一个水平断面、竖直断面同时向上游弯曲的三维曲面壳体，基于该种坝型的优势，虽然建设工艺较为复杂，但工程数量也在不断提升，尤其是高山峡谷等复杂地形中，双曲拱坝更为常见。但双曲拱坝施工难度较大，想要保证工程顺利完成，科学设计是前提，随着现代化技术的持续发展，模拟仿真的应用，为直观、三维了解工程设计和工程量等信息提供支持，而模拟仿真的关键是精确建模，因此在此领域进行研究探讨具有实际意义。

1 研究案例阐述

1.1 工程信息阐述

贵州省的都匀大河水库坝位于都匀市的大河村，水库控制流域面积174.5km2，总库容4376 万m3，最大坝高105m。该工程主要职能是为周围区域供水，预期供水量达到6438 万m3，负责满足都匀经济开发区供水需求以及输水线路沿线村落的灌溉需求和民众日常生活用水需求。工程分为大坝枢纽和供水工程两部分，其中部分工程采用双曲拱坝类型进行建设。主要建设项目包括碾压混凝土双曲拱坝、坝顶自由溢流表孔、放空底孔、供水取水口、供水干管及灌区支管、泵站修建等。

1.2 工程特点阐述

大河水库河床宽 38m，河床高程为 811.20m，谷口宽 200m，河谷宽高比为2.5～2.9，呈不完全对称的宽 “V”形河谷。坝址河段为峡谷地形，河流流向整 体上呈“M”形。左岸为凸岸，地形坡度30°～50°，岸坡多为崩塌堆积，冲 沟切割浅，近岸山顶高程 1060m。右岸凹岸地形坡度 45°～60°，岸坡上游为 崩塌堆积，下游基岩裸露，河弯段 910m高程以上为陡崖。坝顶以上有 40～80m 的高边坡，边坡开挖高达 150～190m。

2 BIM 技术在双曲拱坝建模中的应用

2.1 软件介绍

本工程由贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司负责设计，在进行工程设计时，从该区域地质条件、气候因素、水文条件、成本及生态环境等多个角度进行思考，为了保证设计的科学性和可行性，成立专业的BIM 技术小组，从组织层面、计划层面、操作层面和总结层面四个方面入手，助推企业持续化发展。公司在进行都匀大河水库坝设计建设时，应用如Bigemap、ArcGIS、华创三维地质、Geopak、MS、ABD、Navigator、Projectwise、Lumion9.0、Fortran 语言、 试用版 Synchro-4D、Soildworks、华创三维配筋软件、 二维码、无人机航拍、720 云全景信息链接、信息化系统、视频监控及砂盘模型等软件系统进行双曲拱坝建模，系统化分析设计可行性。

2.2 项目具体应用

结合BIM 技术特点和双曲拱坝特点，在应用该技术进行建模时，重点工序包括7 部分，分别是地形处理，生成曲面；计算开挖土方量；导出开挖之后地形点数据；基于数据构建拱坝模型；导入开挖之后地形数据；将构建的模型和数据结合及最后导入工程量及位置信息等数据模型，科学落实上述7 个部分，可以最大限度发挥BIM 技术优势，保证双曲拱坝建模具有可行性。

2.2.1 原始地形处理，生成地形曲面

由于招标文件中提供相关信息过于笼统，且给予的地形图不够完善具体，存在一定的干扰因素，例如地形图中存在的结构线和轮廓线等，会对后续的土方开挖产生干扰，因此，在施工之前，需要对原始地形图进行处理，然后利用软件导出处理之后的地形图，确定原始地形点，最后以地形点为依据，利用软件重新画出地形曲面，为工程施工提供指引。利用软件和信息化系统完成地形曲面创建之后，借助系统软件的智能化功能，对三维地形进行全方位审视，确保整体科学合理，如果发现存在异常点需要进行修正，只有确保所有数据正确才能投入使用[1]。

2.2.2 放坡生成开挖区域，计算开挖土量

依据新建的地形曲面进行放坡开挖工作，并科学计算工程需要开挖土方量。当前有多种软件可以完成此项操作，例如Civil 3D 及试用版 Synchro-4D等，文章以试用版 Synchro-4D 软件为基础，充分发挥软件功能优势，依据拟定的坡比设置坡度和坡脚线，然后围绕各限定条件形成完成开挖之后的地形曲面，同时可以依据前后地形曲面，自动计算工程开挖量和回填量。 软件中可以包含多种放坡工具，在选用时应依据具体需求进行取舍。本次工程采用放坡到相对高程的放坡方法进行建模分析，首先绘制双曲拱坝坝基开挖轮廓线，并以此为基础确定底部高程，依据现用的放坡方法进行选择，然后在形成的地形曲面中选择放坡的轮廓，确定开挖后的地形曲面，最后新建三角网体积曲面，科学对构建的多个曲面进行标签设定，并设置松散系数和压实系数，可得到本次工程开挖和填方所需工程量。

2.2.3 导出开挖后地形点数据

为了确保构建的双曲拱坝模型科学合理，需要确定拱坝坝顶中轴线中点位置，并应用大地坐标系作为地形图坐标系，但需要注意，建模之后需要确保地形图原点与拱坝原地保持一致。

2.2.4 建立双曲拱坝模型

利用软件系统建立双曲拱坝模型时，常用的曲线方程有3 种，分别是几何系数插值方程、拱圈中心线参数方程及拱圈厚度参数方程。在构建模型时，需要利用几何系数插值方程确保拱坝基本参数，然后以确定的参数等为依据，确定各高程拱圈中心线，最后以拱圈厚度参数为依据，确定上下游曲线，并形成完整的工程实体模型[2]。

建立拱坝模型需要确定方程中涉及的各项参数定义，本工程研究中采用集合系数插值方程为基础，方程表示公式如下：

在进行建模时，确定坝顶为左边原点，方向铅质向下。Rl为拱冠处左半拱曲率半径；Rr为拱冠处右半拱曲率半径；B为拱冠梁中心线的y坐标其中拱圈中心线参数方程分别用如下公式进行表示：

除此之外，还需要确定拱圈厚度参数方程，其中该部分也按照左右方向分为两部分，用Tc代表拱端厚度；Tl代表左拱端厚度；Tr代表右拱端厚度，S表示某一点到拱坝中心线的弧长；Sl代表左半拱弧长；SR代表右半拱弧长，用如下公式所示：

围绕上述5 个公式，可以充分了解拱圈相关参数，进而得出通过系统性计算，确定双曲拱坝上下游曲线，为整体工程实体模型建构提供依据。

2.2.5 导入开挖后的地形数据

本次模型建构所用软件以细小的三角网络组成地形，因此，观看到的图像并不是完整的曲面，但由于软件存在的局限性，为了更为直观保证建构的模型充分表现地形实体结构，需要自定义设置节点，然后以节点为基准确保地形形成完整曲面，此时导入开挖后的地形数据是关键，是确保构建的完整曲面科学的依据[3]。

2.2.6 构建的模型与地形数据结合分析

用地形网格曲面对构建的拱坝模型进行切割，确保多余的部分彻底去除，例如拱坝开挖地形之外的部分是关注重点。

2.2.7 导出工程量及位置等数据模型

结合上述几点的计算和分析，利用软件和公式等，按照拱坝工程整体规模，分层进行工程量计算，并将计算的工程量和位置等信息数据模型导出，作为施工的参考。

3 应用效果

通过对大河水库坝利用BIM 技术进行建模分析，可得出BIM 技术在双曲拱坝建模中应用具有可行性。研究过程中，通过分析应用的软件和信息化系统，从原始地形曲面创建、放坡开挖、自动化计算挖土方量和填方量等3 个方向进行思考，最终构建出完整的双曲拱坝模型。

通过本次研究可知，在双曲拱坝建模中应用BIM 技术具有以下优势：

1）双曲拱坝多为大中型工程，其在施工建设过程中会涉及大量的土石方施工，利用传统的三维建模方式进行计算，不仅耗费时间和人力，还存在精确度不足的问题，而利用BIM 技术之后，整体效率显著提升，同时耗费时间大幅度缩减，很多计算步骤由先进设备代劳，使得结果精确度和准确度大幅度提升。

2）在建模中应用BIM 技术软件，提升建模的容错率，由于该种建模方式将工程信息转化为多个节点，然后通过一定的逻辑将节点组合，在算法等限定下形成模型，具备更强的灵活性，便于在发现错误时及时进行修改。同时，修改时无需整体调整，只需要修改相关参数，便可以在软件支持下快速完整拱坝模型自动化创建，可显著提升效率[4]。

3）应用BIM 技术相关软件之后，可将该类型软件看作一个数据库，可以实现信息自动化采集和查询，此时在构建模型时，可以更为灵活利用“数据库”功能，实现工程坐标复核、后期检查等，且该类型软件具有良好的对外通信渠道，可以实现多软件和系统的无缝对接、信息实时共享，在进行模型及相关数据转换、传递等过程中，可降低安全风险。

4 结 语

综上所示，文章结合实际情况，围绕贵州省大河水库坝工程相关信息，探究BIM 技术在双曲拱坝建模中的具体应用和应用优势，通过系统性梳理，该技术具有可行性，可助力工程设计方更为全面了解拱坝放坡挖土方量和填土方量，并通过系统性梳理计算得出各项参数，助力工程施工建设，通过文章的研究，可为我国双曲拱坝建模发展优化提供更多借鉴。