BIM(Building Information Modeling)可在策划、设计、施工及运维阶段发挥不同的作用。相比传统设计模式,BIM协同设计和三维设计具有参数化建模、自动计量、自动成图等优势,可提高设计效率；利用BIM模型进行错漏碰缺检查、可视化展示等优势,可提高设计质量。船闸工程专业较多,与已有构筑物关系复杂,可通过BIM协同设计提高专业间的沟通效率,并通过BIM三维设计可视化处理与已有构筑物之间的复杂关系。目前,BIM在船闸工程上正逐渐推广应用。
      邕宁水利枢纽船闸工程,根据二维设计成果建立了船闸BIM三维模型,并对模型进行了碰撞检查。上海国际航运服务中心项目西船闸工程建设过程中采用3D打印技术研制船闸实体比例模型,并结合BIM三维模型对复杂多曲面异形空间进行了模板拆分、拼接、安装以及工程量统计等工作。富春江船闸工程采用BIM建立了三维地形和土建模型,对模型进行了碰撞检查；利用模型体积复核结构混凝土工程量；利用naviswork模拟施工方案工序的合理性。上述船闸工程仅在设计阶段将BIM应用于部分专业,鲜有应用于船闸工程勘测设计的全过程。本文以濛里枢纽二线船闸工程为例,介绍BIM在船闸工程中测量、勘察、设计3个阶段的应用,形成了船闸工程BIM勘测设计的全阶段解决方案,并在船闸工程BIM设计的标准化方面进行了尝试。
 
1  濛里枢纽二线船闸BIM应用
1.1工程概况
       濛里枢纽地处北江中上游的南水河口至马经寮河段,坝址位于乌石镇韶关发电厂上游约1.5KM,其下游400m为乌石北江特大桥。枢纽从左至右依次为土坝、厂房安装间、厂房主机间、泄水闸、一线船闸、船闸门库段、右岸连接坝段(图1)。
       濛里枢纽二线船闸位于一线船闸右岸,其平面布置见图2。二线船闸为1000吨级单线单级船闸,其有效尺度为220m×23m×4.5m(长×宽×槛上水深),工程总投资约10.6亿元。设计内容包括船闸主体(闸首、闸室),上、下游引航道,改移道路,跨闸交通桥,房屋建筑,船闸管理区,标志标牌、环保、供电、通信、控制、绿化工程等配套及附属工程。
1.2测量勘察
1.2.1测量
       为提供BIM设计所需地形及反映现状构筑物的基础资料,濛里枢纽二线船闸工程在测量阶段采用奥地利RIEGL激光测量系统进行现场扫描得到原始点云数据,对点云数据处理后生成传统二维地形图和现状构筑物模型(图3)。
       传统二维地形图经Civil 3D处理得到三维地形曲面图。原始影像图导入InfraWorks进行矢量化处理并与三维地形曲面图合并,最后添加现状构筑物模型得到三维测绘场景(图1)。
        三维测绘场景可满足虚拟踏勘的需要,设计人员可随时查看所关心部位的现状,并分析设计方案对已建工程的影响,极大地提高了设计质量。
1.2.2勘察
       为提供BIM设计所需三维地质资料,将勘察所得数据导入勘察软件进行处理后得到三维地质模型(图4)。
       勘察软件生成的三维地质模型包含2类信息:三维地层模型和地层属性信息。其中,地层属性信息包含地层勘察指标。三维地质模型可直观展示地层分布、查询地层属性等,可根据设计需要生成任意部位的平纵地质剖面图。三维地质模型可用于Ciｖil３D中的基坑开挖设计、土石方工程量自动分类与统计,以及边坡设计等。
1.3三维设计
       三维模型的基本图元是构件,构件的建立是BIM三维设计的重要内容。为提高设计效率,建立构件时需设置合理的参数,通常包含但不限于构件的尺寸、定位坐标、材料属性信息。参数保存了图元作为数字化构件的所有信息,通过修改参数值可形成新的模型。
       濛里枢纽二线船闸工程三维设计采用Autodesk系列软件,其中场地模型采用Civil 3D、Raster Design建立,水工结构模型采用revit建立,金属结构模型采用invent建立。
       三维设计首先需将模型分解为构件,如闸首可分解出分流墩等构件。构件建模思路如下:1)标注出分流墩构件的各个尺寸(包括圆心坐标)并将尺寸用参数表示；2)为避免“过约束”导致建模失败,分析各参数之间的关系(图5)；3)在revit中参数化建模。如需修改构件尺寸仅需修改对应参数即可。
1.4.1协同模式
       BIM有工作集和动态链接2种协同模式。前者仅需一个保存在服务器的项目中心文件,不同设计人员通过工作集进行模型的创建与修改,所有操作与服务器实时同步。由于仅有一个中心文件,所以版本不易出错,且协同效率较高；但项目较大时对服务器、网络、电脑配置要求极高。后者需将模型拆分为         若干层级的子模型并分别建立项目中心文件和子模型中心文件,将子模型中心文件链接至项目中心文件中。通过合理的模型拆分,在项目较大时对硬件配置要求依然可控制在合理范围之内,但由于项目模型中的各级子模型无法直接拆分或修改,仅实现了信息的单向传递,协同效率相对较低。
       濛里枢纽二线船闸工程作为改扩建工程,涉及专业多、边界条件复杂。为保证协同效率且兼顾合理的硬件要求,设计采用工作集和动态链接相结合的协同设计模式。
1.4.2模型划分
      结合船闸工程设计特点并兼顾船闸各部位功能及各专业间联系的紧密程度,可将船闸工程BIM项目模型划分为若干个一级子模型；一级子模型依复杂程度或实际需要划分为若干个二级子模型；一级或二级子模型可根据设计需要按专业设置不同数量的工作集。
      北江濛里枢纽二线船闸的项目模型划分了5个一级子模型,分别为场地模型、水工模型、跨闸交通桥模型、建筑模型、金结模型。其中水工建筑物模型划分为2个二级子模型,分别为永久结构(闸首、闸室、导航墙、靠船墩)和临时结构(土石围堰、双排地连墙围堰)；生产与辅助建筑物按建筑单体划分为8个二级子模型；金属结构划分为8个二级子模型。模型划分及各模型内工作集设置见表1。
1.4.3协同方法
      濛里枢纽二线船闸工程BIM设计采用工作集和动态链接相结合的协同设计模式,即二级子模型与一级子模型、一级子模型与项目模型采用动态链接的协同模式；子模型采用工作集的协同模式。
      以生产和辅助建筑物中的子模型办公楼为例,其设计内容相对独立,仅需一个中心文件,各专业在其上进行协同设计。设计完成后,链接至总体模型中。
      将北江濛里枢纽二线船闸项目模型划分为若干个相对独立的子模型,采用工作集与链接相结合的协同方式,既保证了设计效率,也保证了硬件配置需求在合理范围之内。
1.5数据交换
      水工结构内力计算、边坡(渗流)稳定分析、输水系统水力计算的准确性是设计成果安全及质量的重要保障。二维设计模式下,采用规范平面算法时,经验性系数多,结果不准确；采用三维有限元计算,结果更合理、准确,但建模过程复杂繁琐；输水系统采用物理模型试验耗费人力、资源较多,费用高,修改不方便,难以反映局部细节对结果的影响。
      BIM三维设计模式下,水工结构内力及边坡稳定计算流程见图6。水工结构内力计算流程为:将结构模型导出为SAT文件格式,再导入ANSYS软件,结合APDL语言编程,对前处理进行简单的二次开发,再进行网格划分和边界条件设置,即可计算得到结果；边坡稳定计算则结合三维地形和三维地质,将Civil 3D中设计边坡导出为dxf文件格式,再导入plaxis 3D软件中并设置参数、划分网格、定义边界条件,最后计算得到结果；输水系统水力计算与上述过程类似。
      濛里枢纽二线船闸工程中采用了上述计算流程,既解决了二维计算经验系数过多、计算结果不够准确的问题,又避免了以往有限元建模复杂繁琐的过程,实现了BIM模型与有限元计算软件间的数据交换。
 
2  标准体系探索
      在濛里枢纽二线船闸工程BIM设计过程中,创建了大量适用于船闸工程的标准族,积累了丰富的族库资源,在此基础上自主开发了族库管理器。根据水运工程BIM标准化发展战略的需要,在总结濛里枢纽二线船闸BIM设计的基础上,结合船闸工程的特点,初步形成了《船闸BIM设计指南》。
2.1族库建设
      在濛里枢纽二线船闸BIM设计过程中,创建了大量参数化标准族,涵盖了船闸工程设计所有专业。各专业标准族数量见表2,各族缩略图见图7。
      为便于族库资源的管理,对Revit软件进行了二次开发,形成了可按专业划分管理族资源的管理器(图8)。
2.2体系探索
      结合船闸工程BIM设计的特点,总结出《船闸BIM设计指南》,其主要内容包括:整体设计流程、模型划分方式与各阶段模型深度要求、协同设计模式与中心文件管理权限、中间资料传递流程及设计成果校审流程、船闸工程标准化思路。
 
3结语
     1)测量阶段通过激光扫描得到点云数据,经处理得到三维地形、现有构筑物模型,可用于BIM设计及虚拟踏勘；勘察阶段将传统钻孔数据导入希迪软件处理得到三维地质,可供设计、计算使用。
     2)设计阶段将模型划分为若干个子模型,采用工作集与动态链接相结合的协同模式；实现了BIM模型与有限元计算软件间的数据交换。
     3)创建了大量参数化标准族,并开发了族管理器、初步形成《船闸BIM设计指南》,为船闸BIM标准化积累了宝贵经验,可供类似工程参考。