BIM技术在庙堂水库中的应用

谢锦辉

（重庆交通大学河海学院，重庆 400041）

《水利改革发展“十四五”规划》要求提升水利行业的现代化和信息化水平[1]。在水利工程项目建设中引入BIM 技术，可有效解决项目设计、施工、运营等各环节的沟通问题，提升各参建单位的工作效率[2]。

1 BIM核心理念及在水利工程中的应用

1.1 BIM技术原理

BIM 即建筑信息模型，主要应用于工业和民用建筑、市政工程等领域，其核心是通过设计软件构建建筑工程三维模型，并利用信息化技术为三维模型导入包括建筑材料及结构、施工过程等工程信息在内的建筑工程信息库[3]。通过构建的建筑工程三维模型，实现建筑工程信息的高度集成化，为建筑工程项目提供信息交换和共享平台，解决多专业协同导致的不确定因素问题，提高工程设计、施工和管理效率，并为后期的运营服务提供帮助[4]。

1.2 BIM在水利工程中的应用

随着BIM 技术在国内建筑行业的快速发展，其应用范围不断扩大，但在水利行业的应用还处于起步阶段[5]。针对水利工程地形条件复杂、水工建筑构造独特等特点，孙少楠、张慧君[6]改进构建水利工程信息模型的方法，通过绘制水利工程地形及水工建筑物BIM 模型，实现水利工程仿真信息的数字化查询，并结合多款BIM 软件协同实现水利工程的枢纽布置、土方量计算。王宁等[7]将BIM 技术引入涵闸工程中，实现涵闸各水工部位的高精度和高效率三维建模，并结合Inventor 软件实现闸室稳定性验算和配筋验算，为BIM 技术在水利工程设计中的应用和推广提供工程经验。赵继伟等[8]在深入分析BIM 建模软件和水利工程特殊性的基础上，以现有BIM 建模设计软件为工具，构建参数化模板库和构件库；以子模型装配和构件装配为主要过程的快速建模理论方法体系为基础，建立水利工程信息模型，并将此模型应用于可视化仿真查询系统中，实现工程各部位的精准定位和信息实时查询，为水利工程的运营管理提供便利。

2 庙堂水库BIM建模方法

2.1 庙堂水库简介

庙堂水库位于巫山县平河乡庙堂村，是具有综合功能的中型重点水源工程，由大坝枢纽工程、借水工程和灌溉工程组成。大坝挡水建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程为1 121 m，坝顶宽为9 m，坝高为107 m。借水工程包括1#借水坝、2#借水坝、连接明渠和借水隧洞。灌溉工程干渠总长32.8 km。

2.2 BIM建模方法

水利工程中水工建筑物具有体积大、构造复杂的特点，且模型相关族库较少，导致BIM技术的运用难度大。因此，首先应将水利工程建筑按照专业和类型进行划分，确定其属性信息并创建参数化族库，然后构建各专业子模型，最后整合各子模型构建整个水利工程模型[9]。

水利工程建设项目应用BIM技术的关键步骤为创建高质量的三维信息模型。目前主流的三维建模软件主要有CAD、Revit、Maya 等，其中Revit 软件具有建模速度快、模型兼容性好的优势，因此本文采用Revit软件作为庙堂水库BIM三维设计平台。

Revit 软件建模流程为：①确定庙堂水库大坝各部位的模型信息参数、材料参数等，根据大坝结构将大坝整体细分为不同的构件，并利用轴网和标高进行空间布局定位。②选择合适的族样板创建族文件，本文选择“公制轮廓”样板创建族文件。导入CAD 结构图纸，完成“公制轮廓”图形。③构建族模型。首先确定族构件插入点，创建参照平面和参照线；然后载入族构件的轮廓族图，并设置到相应的参照面中；最后通过拉伸、融合、旋转、放样、放样融合等操作命令创建族构件模型。④添加模型参数。首先为模型轮廓添加尺寸参数并调试参数，然后为模型添加材质参数、物理参数和项目参数等内部参数，最后完成各个族构件模型的创建。⑤创建项目文件、载入族构件模型。在Revit中选择建筑样本建立项目文件，载入各族构件模型，创建族实例，并根据结构进行划分和归类。⑥构建大坝模型。根据庙堂水库大坝设计图纸和空间布局建立大坝标高和轴网布置，根据标高、轴网、参照平面等参数，创建对应位置的构件，完成庙堂水库大坝建模。庙堂水库大坝主体模型，如图1所示。

图1 庙堂水库大坝主体模型

由于庙堂水库大坝地形结构具有特殊性和复杂性，因此BIM 模型中要加入地形结构。地形建模的流程为：首先通过高程点数据建立等高线；然后通过等高线创建地形三角网曲面，修改其中不合理的曲面数据，完成地形曲面建模；最后导入大坝模型完成庙堂水库大坝建模。完整的庙堂水库大坝和地形模型，如图2所示。

图2 庙堂水库大坝和地形模型

3 BIM与数值模拟应用于庙堂水库安全稳定性分析

目前，BIM技术在水利行业主要应用于工程设计和施工，在运营管理方面应用较少。BIM 技术与数值模拟应用于水利工程安全稳定性分析是水利行业的一个重要研究课题[10]。水利行业主要的数值模拟软件有Midas、Abaqus、Ansys 等，其中Midas 软件与三维模型具有高度兼容性[11]，因此本文选用Midas数值模拟软件计算庙堂水库大坝运行期的安全稳定性。

使用Midas 软件对庙堂水库沥青混凝土心墙堆石坝进行三维有限元分析，研究坝体在运行期的应力变形特性，尤其是心墙、基座的沉降分布[12]。建模方法为：①简化并导出BIM三维模型的结构信息；②将模型结构信息导入Midas 中，通过网格工具绘制模型网格；③完成数值模拟的模型构建并检查其完整性。庙堂水库大坝主体网格模型，如图3所示。

图3 庙堂水库大坝主体网格模型

在完成数值模型建模后对庙堂水库大坝主体进行有限元分析，步骤为：①对坝体进行分级加荷，激活模型约束边界，对所有网格施加重力加速度；②激活节点水头，将下游坝坡坡面设置为排水渗透面，进行渗流-应力耦合分析；③对应力变形结果进行分析。

通过对数值模型进行有限元分析，可以得出庙堂水库大坝各方向的沉降、应力、应变结果：Z 方向（竖直方向）最大沉降出现在大坝中部心墙部位的顶部，如图4所示，沉降值为60 cm，沉降值从中心向两边逐渐减小，坝边缘部分出现细微上升，幅度为0.3 cm；Y 方向（水平方向）位移最大值集中在大坝心墙的两端，最大值为+16.6 cm，最小值为-13.6 cm；X 方向（水平方向）位移表现为上游左陷、下游左突，上游数值为-14 cm，下游为+20 cm。庙堂水库在蓄水后，大坝沉降和变形处于正常范围内。

图4 庙堂水库大坝竖直方向沉降

应用BIM技术与Midas计算软件相结合的三维有限元分析方法与传统的二维有限元分析方法相比，建模精度、计算速度、计算准确度明显提升，此方法不仅能够直观地反映当前大坝的安全状况，而且可以帮助各参建单位掌握大坝的运行状况。

4 结语

本文介绍了利用BIM软件平台进行庙堂水库三维建模的方法和步骤，以及将BIM 技术与Midas 有限元计算软件相结合实现对庙堂水库大坝安全稳定性的快速分析，结果表明BIM 技术可以协助工程设计、施工和运营等单位更好地掌握庙堂水库大坝的运行状态和安全稳定性。