基于BIM正向设计的某公园沟道治理方案比选

王 兵，解 豪，杨 砾

（1.陕西省渭河生态区管理局,陕西 西安710001;2.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

0 引言

BIM技术简单来说，狭义上指的就是三维建模。近年来，随着计算机技术和工程设计的大力发展，BIM技术在各行业尤其建筑行业得到迅猛发展。水利行业由于其工程特点的特殊性，尤其是地质地形的复杂性，一定程度上阻碍了BIM技术的发展和应用。但随着科技发展和提升设计技术水平的需要，国家也开始在水利行业大力推广BIM技术，其中以大型设计院为代表的设计单位走在了水利行业的前列。而水利行业BIM技术在走过10年左右的发展道路，于近两年正式进入正向设计阶段。

BIM正向设计是直接在三维环境下进行设计，完成参数化设计、方案比选、设计优化、工程算量、造价、出图完成设计的全过程[1]，保证设计的完成度和精细度，减少二维的设计盲区，并让模型服务后期施工和管理运行成为可能，达到工程建设全生命周期的BIM应用，这也是BIM正向设计的最终目标[2]。这是完全区别于以前从二维CAD到三维BIM逆向建模为主要方法的BIM设计理念。

文章采用CATIA三维软件以项建阶段花园沟沟道为例，以地质测量数据为基础，采用参数化设计，通过地质建模、设计方案建模、设计方案优化等过程，完成从地质数据到设计方案选定的BIM正向设计过程。

1 沟道综合治理的BIM正向设计

公园位于秦岭北麓浅山区丘陵地带，北邻S107省道，南至北麓浅山山区，西临田峪河，东接赤峪河，南北宽约1.85 km，东西长约2.63 km，总用地面积4.87 km2。花园沟是公园内较大一条沟道，沟道总长约1.3 km，沟道前900 m平均坡降约5%,后400 m平均坡降约17%。沟道最大深度90 m，沟底平均宽度25 m，两岸山体较为雄厚，两岸自然坡比较缓，左岸坡比约1∶1.8，右岸坡比约1∶2.3。沟道上部为残坡积粉土根孔十分发育，厚一般1.0 m～1.5 m；其下部为中更新统洪积离石黄土，其厚度为大于10.0 m，坚硬致密；其底部为中元古界基岩。

1.1 地质建模

地质建模包括地形模型和地质模型。以原始资料包括地形数据、钻孔数据、地质测绘数据为基础资料建立合理准确的地质模型[3]。由于设计阶段深度限制，地质资料缺乏，设计模型仅地形数据进行地形建模。

模型采用地形数据为测绘专业提供地形图，采用1980西安坐标系统和1985国家高程基准，测量精度1∶1000。通过地形图提取三维地形点云，由地形点云设定拟合精度，形成地形曲面，拟合地形面误差平均小0.2 m。花园沟地形建模结果见图1～图3。

图1 三维地形点云图

图2 三维地形图

图3 沟道地形纵剖面图

1.2 正向设计思路

以地质模型为设计基础，建立沟道主要建筑物三维参数化模型，根据设计方案要求，分别建立大坝轴线参数，大坝剖面参数，挡墙及谷坊断面及位置参数，利用参数驱动，布置出不同的设计方案，并得到其主要工程量、建筑物主要参数、水库库容、汇水面积、回水长度等主要工程特性。

沟道综合治理的设计任务为沟道治理（防止沟道下切，沟岸扩展，防止泥石流）和沟道防洪，保护下游某村庄人民群众生命财产安全为为主，兼估公园生态治理，形成一定水域的观景水面，美化和提升公园环境。根据地形，花园沟前段坡度较缓、后段坡度较陡，为达到沟道治理要求同时满足公园生态环境提升要求，沟道总体设计方案为沟进口采用大坝挡水蓄洪，后段采用多级谷坊或挡墙防止沟道下切破坏。正向设计思路见流程图4。

图4 沟道治理正向设计流程图

2 治理方案

2.1 方案1：混凝土重力大坝+2级谷坊

为与周围生态环境相协调，及保证建筑物可靠性及耐久性，采用大坝拦洪（全拦全蓄）+2级谷坊的布置型式。大坝为重力式混凝土大坝，采用表孔溢流；2级谷坊为浆砌石重力挡墙型式，三维设计模型见图5。

图5 方案1三维设计模型

方案1充分利用地形地貌，根据沟岸雄厚程度及沟岸高程，修建单库，2级谷坊方案。大坝可修筑最大坝高为50 m的重力坝。

大坝为混凝土重力坝，大坝坝顶高程560 m，最大坝高50m。坝顶长度326 m，最大回水长度约600 m，库容约167万m3。大坝坝体混凝土量约14.8万m3。大坝及2级谷坊造价约6000万元，考虑基础开挖，坝基防渗处理等，工程造价约7000万元。

此方案能充分利用沟道地形地貌，形成较大有效库容和较大水域面积，形成良好的水面景观，但投资较大，同时坝体较高，库水位较高，对沟岸稳定不利。

2.2 方案2：混凝土重力大坝+3级谷坊

方案2修建单库、多级谷坊方案。修筑高度较低重力坝，大坝最大坝高25 m，三维设计模型见图6。

图6 方案2三维设计模型

大坝为混凝土重力坝，大坝坝顶高程540 m，最大坝高25 m。坝顶长度202 m，最大回水长度约440 m，库容约31.7万m3。大坝坝体混凝土量约2.1万m3。大坝及3级谷坊造价约800万元，考虑基础开挖，坝基防渗处理等，工程造价约1000万元。

此方案能充分利用沟道地形，形成一定有效库容和有效水域面积，形成一定的水面景观，投资较小。

2.3 方案3：土石坝+3级谷坊

本方案布置型式和规模与方案二相同，区别为大坝考虑采用土石坝。

土石坝填筑方量约12.7万m3，土石坝及3级谷坊造价约500万元，考虑基础开挖，坝基防渗处理等，工程造价约700万元。同时由于土坝坝顶不能过水，须增修排水设施，溢洪道及排洪卧管等，此方案总造价约950万元。

2.4 方案比选

上述3个方案虽均能满足花园沟沟道治理任务及形成有效水面景观兼顾公园生态治理的要求，但方案1投资巨大，显然不够合理，方案2及方案3投资均接近1000万元，相对投资较小，具体对比见表1。

表1 花园沟治理方案主要工程量成果对比表

花园沟坡降较陡，欲通过水库拦蓄形成有效水域面积，坝址宜选择距沟口向内300 m沟道收窄处，坝顶高程宜在540 m高程，坝高宜在20 m左右。考虑拦洪蓄水，保证相应群众安全及适应周边景观环境，推荐大坝为混凝土重力坝型式。即推荐方案2。

但对于沟道治理而言，方案2投资仍较大，若不考虑形成水面景观、仅考虑沟道治理，建议取消大坝建筑物，沿沟道根据坡降布置多级谷坊，虽不能形成较大水域，但可形成多级较小观景水面，亦可成为沟道景观，同时可较大程度降低工程量，节省投资。

3 结论及建议

通过花园沟沟道治理方案比选对BIM正向设计进行初步探究，根据设计成果可见BIM技术在项目前期方案比选中体现了较大的优势。但BIM正向设计是BIM设计的最终目标，本文仅对项目前期方案比选做了粗浅研究。BIM正向设计应用于项目设计的全过程，仍需要设计人员做出更多努力和研究实践。