BIM二次开发在水利工程施工设计中的应用

邱浩扬，吕 彬，傅志浩，黄殷婷

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

1 概述

随着BIM技术的推广与广泛应用，三维设计手段逐步被运用于水利工程整个设计周期中[1-6]。李海圣[7]、王宁[8]等分析了水利工程在BIM技术支持下的三维设计路径，对三维设计流程进行了详细梳理和研究；张鹏利[1]等以黄金峡水利枢纽工程为对象研究了基于CATIA平台的3DExperience在水利水电工程中的应用，系统研究了参数化建模、工程量统计及三维出图等问题；陈龙[9]等借助BIM技术进行了水利工程施工组织设计的应用探讨；范浩威[10]等利用BIM技术建立泵站模型，在流道模型建立、深化设计、施工方案模拟与优化、土方结算三维算量复核等方面深入运用BIM技术进行辅助管理。由于水利工程施工建筑物受地形、地质条件影响较大，难以直接套用房建的BIM技术，需进行针对性地二次开发。

基于BIM技术的二次开发，众多学者进行了研究。陈接永[11]通过对Autodesk软件二次开发编程，初步形成了一套可用于水土保持工程勘测设计的流程体系；吴含[12]等基于Bentley ORD道路设计软件建立水工隧洞BIM正向设计系统，研究了水工隧洞的洞线、横断面设计以及参数化建模；贾兴斌[13]对铁路隧道弃渣场设计进行了提高设计效率和质量的研究；陈万宝[14]等基于Civil3D研发了适用于水土保持工程弃渣场设计的专业平台，实现了容渣量分析、稳定性计算、以数据驱动为核心的快速建模与出图算量等功能。

针对特定的水利工程施工建筑物的设计，仍存在三维设计软件建模过程繁琐、操作不便且算量结果不精确等问题。鉴于上述问题，本文基于Bentley平台进行二次开发，对常见的施工建筑物如围堰、导流建筑物、弃渣场等，研发了水利工程三维施工设计工具。

2 开发方式

本工具以Bentley MicroStation CONNECT Edition Update11(以下简称MS)平台为基础平台，基于C#语言的Addins方式进行开发，对需要调用的MDL C++函数，通过C++/CLI的方式进行封装，用C#语言调用。该开发方式难度适中，开发成果为.dll文件，成果无需向用户提供源代码，有利于保护知识产权。

三维施工设计工具主要针对水利水电工程设计中施工专业涉及的导截流建筑物如围堰、导流隧洞等，弃渣场动态设计等快速建模、工程算量及方案比选等。二次开发工具共分为5个模块：通用工具、围堰设计、导流设计、弃渣场设计、施工场平，共计工具20个，工具功能结构示意见图1。

图1 三维施工设计工具功能结构示意

3 功能实现及应用

3.1 围堰建模算量

对于水利水电工程设计中的截流建筑物围堰，常用形式可分为土石围堰、混凝土围堰及钢板桩围堰等。土石围堰的建基面通常是对原始地形进行适当清基后形成，建基面极不规则，另外考虑到堰体防渗效果及当地的土石料源储备情况，堰体断面通常进行材料分区；混凝土围堰建基面通常经开挖形成，相比土石围堰较为规则；钢板桩围堰一般不进行建基面开挖，仅根据轴线布置进行钢板桩的布置。

围堰建模的总体思路是将附加有材料属性信息的围堰断面沿轴线生成三维堰体，堰体继承对应横断面的材料属性，最终经由附加材料属性信息的三维堰体模型统计工程量。堰体材料属性附加采用的是MicroStation 软件提供的ItemType属性信息附加接口，通过二次开发的工具给堰体横断面附加属性信息。

土石围堰和混凝土围堰模型创建时，先用附加属性的横断面沿围堰轴线生成堰体基本体。对于土石围堰采用清基后的地形面和堰体基本体进行布尔运算，最终生成堰体三维模型；对于混凝土围堰采用经由三维开挖设计软件[15]开挖后形成的三维建基面模型和堰体基本体进行布尔运算最终生成堰体三维模型。

钢板桩围堰创建时，采用钢板桩的截面沿围堰轴线进行阵列，因桩体截面一般均为定型产品，阵列布置过程中，程序会自动根据桩体截面尺寸对给定的围堰轴线进行微调，确保堰体布置的合理性，钢板桩的深度采用相对不透水层界面控制。

生成的堰体三维模型和附加材料属性信息的断面存在对应关系，程序内部提取断面的材料属性信息附加至堰体三维模型，最终通过二次开发的工程量统计工具提取堰体三维模型的工程量。

土石围堰三维建模算量流程见图2，通过二次开发工具实现，输入为围堰的轴线、分区横断面及地形面，输出为堰体三维模型及对应工程量。

图2 土石围堰建模算量工具应用流程示意

土石围堰应用实例见图3～图5，图3示例的围堰分区横断面由12个分区构成，图4示例了围堰的三维分区模型，图5示例围堰工程量统计。

图3 土石围堰分区横断面示意

图4 土石围堰三维模型示意

图5 土石围堰工程量统计示意

3.2 导流洞建模算量

导流洞是水利水电工程中常见的施工导流建筑物，断面形式有城门洞形、马蹄形和圆形等；洞轴线一般由直线和圆弧组成，并且具有一定的纵坡。在三维正向设计过程中，导流洞建模通常是将隧洞断面沿洞轴线拉伸成体。洞轴线为三维空间轴线，采用传统方式由平面轴线生成空间轴线有一定难度，为提高三维正向设计效率，通过二次开发方式研究三维空间轴线生成方法及隧洞模型快速创建方法。

三维空间轴线的生成通过几何运算方式实现，具体流程见图6，实现思路如下：① 在隧洞纵坡变化处或存在圆弧段时将平面轴线分段；② 对于直线段采用平面直线长度与对应纵坡的乘积确定线段的始末点高差，根据高差调整直线段的末点高程，得到三维轴线段；③ 对于圆弧采用平面圆弧长度与对应的纵坡乘积确定圆弧的始末点高差，将平面圆弧沿Z方向拉伸高差距离形成圆弧面，而后将圆弧面的对角点进行连线生成分割线，利用分割线将圆弧面进行分割，最终得到平面圆弧线对应的空间轴线；④ 通过平行移动的方式将逐段生成的三维轴线按照顺序进行始末点相连，最终生成导流洞三维轴线。轴线处理示例见图7，示例图中平面轴线由两条直线段及1条圆弧段组成。

图6 导流洞轴线处理工具使用流程示意

图7 导流洞轴线处理示例示意

导流隧洞三维模型创建思路基于已创建完成的导流洞三维轴线，结合二次开发建模工具进行模型创建。二次开发工具定义了常用导流洞断面形式，用户仅需要根据设计情况进行对应断面参数调整，即可完成横断面的创建，然后内部程序将横断面沿三维空间轴线拉伸形成导流洞三维模型，并自动统计隧洞结构工程量及开挖工程量。

导流洞三维模型创建示例见图8，图示导流洞轴线由4段直线和3段圆弧间隔布置形成，进口高程为46.20 m，出口高程为44.57 m，洞轴线长465 m，隧洞纵坡为0.35%，隧洞断面为城门洞形。

图8 导流洞三维模型创建示例示意

3.3 弃渣场设计

水利水电工程设计中，进行开挖料土石方平衡后，多余的土石方通常存放于弃渣场，因此弃渣场的设计需要考虑渣料运距及堆渣容量等因素。传统二维设计采用有限断面法进行容量统计，设计效率较低、工程量精度较差，针对以上问题，本文基于三维模型采用二次开发方式研发了弃渣场设计及堆高容量动态统计工具。

弃渣场按照地形条件可分为冲沟型和非冲沟型渣场，两种类型渣场堆渣三维模型均是通过计算堆渣表面Mesh面和三维地形模型之间的包围体生成；对于冲沟型渣场堆渣表面Mesh面采用渣场纵断面沿冲沟两侧拉伸形成，对于非冲沟型渣场堆渣表面Mesh面通过堆渣边界线按照堆渣坡比放坡生成。

创建渣场三维模型过程中，可根据给定的堆高增量参数统计不同堆高高程的堆渣量，并生成渣场容量曲线；可根据给定的目标堆渣量，确定当前堆渣坡比情况下的堆渣高程。

在方案比选过程中，对于非冲沟型渣场仅需要调整堆渣边界范围及堆渣坡比，对于冲沟型渣场仅需要调整堆渣纵断面线即可完成渣场模型及堆渣容量的动态调整更新。

示例为一冲沟型弃渣场，渣场拦渣坝高9.6 m，堆渣坡面坡比为1∶2.75，高差为15 m，设置3 m宽平台，弃渣场堆渣目标容量为30万m3。采用渣场设计工具进行快速设计，在给定堆渣剖面的情况下，目标量对应的堆渣高度为67.9 m，堆渣体顶高程为1 385.0 m。堆渣三维模型见图9，堆渣量动态统计示意见图10。

图9 冲沟型弃渣场三维模型创建示意

图10 渣场容量动态统计示意

4 结语

针对水利水电工程三维正向设计过程中施工专业三维模型创建效率低等问题，本文基于Bentley平台通过二次开发方式研发了三维施工设计工具软件。经应用表明：

1)各功能模块以工程实际需求为指引，将传统设计流程进行优化、简化及固化，并采用工具界面引导设计流程，降低了三维模型创建的难度。

2)采用研究成果软件可基于三维设计平台快速进行方案设计及比选，利用三维可视化等优势可明显提升设计效率及输出成果的质量。

3)研发工具软件弥补了现有三维设计平台在专业设计领域工具缺失的问题，推动了BIM三维正向设计技术在水利工程设计中的应用。