基于BIM技术的可视化水利工程设计仿真

李敏

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

基于BIM技术的可视化水利工程设计仿真

李敏

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

水利工程是一项建筑、能源、地质、水文、生态等多专业交叉应用的复杂项目，因此在水利工程的设计过程中，需要进行多方面的信息沟通与共享，尤其是工程技术与施工管理之间的协调。传统的水利工程设计基于CAD技术，不利于信息共享，且难以与成本、进度等项目管理对接。BIM技术是新兴的集成了3D建模+4D施工组织设计管理的建筑信息建模系统，相比传统CAD具有可视化、时序化、集成化的仿真模拟效果。本文首先介绍BIM技术的基本构架，进而分析BIM技术的具体仿真应用及注意要点。

BIM技术；水利工程；可视化；设计仿真

引言

传统的水利工程设计以CAD为主，在工程设计上，主要的参与者是设计与施工的专业技术人员，工程设计方案的主要形式是二维CAD的工程图。二维CAD工程图的识图需要一定的专业技术基础，参与水利工程设计施工的其他人员往往难以直观地了解与熟悉具体的工程方案，不利于工程信息的交换与共享。BIM技术是近年来逐渐兴起的一种新的可视化三维设计技术，集成了CAD建模、项目进度管理、施工过程、物业维护等多种功能，能够实现技术信息与成本信息的共享与管理。

1BIM技术介绍

1.1BIM技术的起源

BIM即Bui1dingInformationMode1ing（建筑信息建模），最早是在20世纪70年代由美国的建筑与计算机领域的研究者提出的。其基本构想是：将建筑工程的所有几何模型信息、构件与设备性能信息、施工信息、环境信息等，整个建筑工程项目全生命周期内的所有信息整合到一个模型中，使得建筑工程从设计、施工、维护等全部过程的信息都得以统筹管理。

1.2BIM应用模块的构成

发展至今，BIM技术在国外已经发展地较为成熟，以较为常用的Autodesk公司出品的BIM系统为例，一般包含以下几个模块：CAD工程设计模块、Civi13D地形处理模块、Revit建筑结构建模、AIM快速表现模块、Navisworks施工动画模拟模块。

CAD模块集成了以AutoCAD为代表的二维计算机辅助设计软件以及机电设备建模的各类三维CAD软件。其中二维模块可以将AutoCAD格式的工程设计图纸以超链接打开进行编辑与保存。二维模块也可以说是BIM系统最终设计产品的出口，因为无论是参数化的三维结构设计、机械设计、电气布置，还是施工组织布置，最终还是要以二维工程图的形式出具。三维模块主要配置了Autodesk公司自行出品的inventor等软件，同时兼容igs等通用格式的三维模型文件。

Civi13D软件可以根据点、折线等传统测量数据进行地形曲面建模。同时通过布局工具生成地块模型，且生成的地块模型之间有过渡关联，即对某一地块进行变更，其相邻地块与之过渡区域也会相应变化。而其道路建模与土方量计算功能则更为实用。Civi13D能将水平与垂直的几何图形与定制化截面组件进行结合，建立公路和其他交通道路动态三维模型。土方量计算则利用平均断面积算法，实现曲面土方量的计算。

Revit主要支持建筑工程方面的建模与应用。其包含建筑设计、MEP工程设计与结构工程3个模块。建筑设计模块能够提供强大的概念设计与外观设计功能。MEP则给暖通、电气和管道工程师提供了用于复杂建筑系统的设计工具。结构工程主要提供建筑结构工程的强度校核、配筋等功能。AIM可以将CAD、Civi1与Revit建立的模型导入进行布置，以展示施工不同时间点的状况与施工布置。具体见图1。BIM中动态效果、施工进度动画展示，通常使用Navisworks或者3Dmax软件，能实现优秀的可视化效果。

图1水利工程BIM施工组织设计应用模块

2可视化BIM水利工程设计仿真应用

2.1水利工程CAD建模应用

BIM中的仿真设计中，首先是建立水利工程的可视化工程模型。水利工程的BIM三维建模主要包括以下几个方面：大坝总体结构的建模，如图2所示；坝体与厂房细节结构建模，如图3所示；水利机电设备的建模，如图4所示。

图2大坝总体结构建模

图3坝体与厂房细节结构建模

图4水利机电设备建模

在水利工程结构设计与施工组织设计中，3D建模都十分重要。在BIM中的主要用途有3个方面：①将2D工程数据转化为3D可视化模型，便于工程人员与施工管理人员消化熟悉工程的具体结构与布置；②可赋予3D模型材料属性与边界条件后，用于工程力学仿真分析；③为后续的地形仿真、施工布置、施工进度仿真、施工动画模拟提供实体模型。当前实体建模的方式有许多，可以利用AutoCAD中自带的三维实体建模模块，或者从其他软件中导入通用格式的三维实体模型文件。对于水利机电设备，也可以导入由设备制造方提供So1idworks等机械三维设计软件建立的模型。

在CAD应用中，要注意以下2点：

（1）统一三维建模标准。由于水利工程项目分工精细、工程浩大，不同的供应商和设计单位所采用的三维建模标准往往有所区别。为了提高设计效率，工程项目部应编制统一的三维建模标准，通告给参与工程的各方。

（2）明确图纸的实效性。在水利工程设计中，往往要进行多次设计变更，可能是建筑工程方面也可能是机电设备方面。因此图纸与模型必须保证实效性，无论参与设计各方的图纸是哪个版本的，均应以项目部统一出具的图纸为准，不得擅自更改。

2.2地形处理仿真应用

BIM系统中地形处理仿真一般采用Civi13D等软件处理，可以创建三维的地形曲面，并且赋予地形地质的特征，将河流、山川、植被等数据直接赋予实体模型，如图5所示。

图5Civil3D地形处理效果

除了进行地形仿真之外，Civi13D还能够在地形曲面上进行土方工程的明挖基坑与渠道、放坡、施工道路设计等操作，并且能够计算土方量并生成土方施工图，同时输出土方量的计算表，见表1。

表1施工道路挖填土方计算输出

Civi13D建模中，进行土方量计算时，应该要注意可直接用于本工程填方的挖方工程量计算以及回填用挖方的挖掘地点的设计与布置，这一点对土方工程的成本控制有十分巨大的影响。

2.3建筑施工结构仿真应用

BIM中还集成了建筑施工结构工艺仿真模块，常见的有Revit软件等，主要进行建筑结构配筋、施工设备建模、施工布置等。Revit软件可以赋予三维模型多种建筑材料特性，比如结构钢、现浇混凝土、预制混凝土、砖砌等多个种类。进行混凝土结构配筋设计时，可以直接利用现有三维模型，选取不同类型的配筋形式转化成施工配筋模型，供后续施工进度模拟，如图6所示。另外，还可以建立施工设备模型，并且进行布置，图7为塔带机模型。

图6混凝土结构配筋模型

图7塔带机设备模型

使用Revit进行结构工程的设计计算时，在强度设计方面，应该要注意材料特性设置以及载荷的定义。相比PKPM等专业结构设计软件，Revit的功能更多的体现在MEP与建筑设计方面，因此用于正式评审的强度计算报告，应该用专业的结构力学计算软件进行分析后与Revit的计算结果进行对比。

2.4施工方案布置展示仿真

BIM系统一般还配置有AIM软件，可用于在虚拟环境中快速布置建筑、设备、地形等模型。可以将以上几个模块建立的模型快速导入其中，并且进行虚拟布置，其中由Revit模块建立不同时段的施工混凝土结构模型，也可以进行时序化布置，以进行工程各阶段的施工展示，如图8所示。

图8AIM中的施工方案布置展示

在应用AIM模块进行施工方案快速布置展示时，应注意不同施工场景文件的分类与时序化管理。BIM的4D施工管理除了3D之外的第4个参数就是时间，对于施工进度的体现，是BIM的一个非常重要的特色功能，因此时序化在AIM设计中要认真处理。

2.5实时动态仿真与施工进度管理

BIM系统还集成了Navisworks或者3Dmax等动态仿真与动画渲染软件。其中Navisworks可以将CAD、Civi13D、Revit等软件建立的建筑结构、设备、地形、施工设备等模型导入，并且进行渲染与动态进度模拟。同时导入导出施工进度数据。另外，还能够将力学分析数据、土方计算数据、AIM全时段施工布置数据导入其中，从而查询水利工程的4D施工面貌与具体结构强度以及具体地形道路施工土方作业数据等，具有强大的功能。

要注意的是，Navisworks的功能虽然十分强大，但是由于需要集成前面多个模块的数据，因此对计算机的压力较大，多以服务器作为载体。除体现施工进度成本、施工分时效果、工程量之外，还能将结构力学计算的结果集成其中，不过建议将结构力学分析的结果单独存储，避免对系统造成过大压力。

3结语

BIM技术作为能够实现3D建模+时间管理的4D管理系统，不应该仅仅被用于出具可视化效果图这样的粗浅功能。但是，要实现施工进度与成本造价的模拟，则必须在地形处理、施工场地和设备模拟、成本项等方面都下足功夫，才能够初步实现真正意义的BIM工程仿真。水电工程的设计在数十年前，经历从手工绘图到电脑CAD的设计方式的转变，如今推广BIM的可视化设计，又是一次手段与工具的革新，工程技术人员应该积极地学习并适应。

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1008-1305（2016）03-0013-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.007

2016-04-01

李敏（1982年—），女，工程师。