基于BIM技术的可视化水利工程设计仿真



打印】 【页面调色版  】 信息来源:《治淮》杂志 发布时间:2017-08-09


王建山

安徽省砀山县水务局

 

    三维可视化技术是计算机可视化技术与水利水电工程系统相结合产生的一种仿真体,它能有效显示出数据的精准,其实质是通过图形、图像的方式对仿真计算过程的追踪与结果的处理。使用三维可视化技术的优越性不但可以节省劳动者的劳动强度,缩短周期,更能为水利水电工程人员提供一个快捷的数字化平台,提高工程建设的工作效率。
    一、BIM技术发展历程及模块的主要构成
    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、Civil3D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。Civil3D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。Civil3D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。BIM可以将CAD、Civil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。
    二、信息模型概述
    BIM技术的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型,利用数字化技术,为模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库,该信息库不仅包括描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息,还包含了非构件对象(例如空间、运动行为)的状态信息。借助这个包括建筑工程信息的三维模型,大大提高了建筑工程的信息集成化程度,从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台。结合更多的相关数字化技术,BIM模型中包含的工程信息还可以被用于模拟建筑物在真实世界中的状态和变化,使得建筑在建成之前,相关利益方就能对整个工程项目的成败作出完整的分析和评估。
    三、基于BIM技术的可视化水利工程设计仿真分析
    1.基于BIM技术的CAD在水利工程建模中的应用
    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,坝体与厂房细节结构建模,水利机电设备的建模,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。
    2.BIM技术在水利工程施工方案布置中的仿真应用
    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,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。
    3. BIM技术在水利工程导流三维动态可视化仿真应用
    水利水电工程在对导流进行设计和管理的施工过程中,一般需要使用大量的数据和图形信息。譬如水坝地区的水文、地形、地貌、地质资料和枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各式各样的数据和图纸。如何对这些错综复杂、数量繁多的信息进行高效、快速的取得、管理,是提高设计效率和施工管理水平的关键。施工导流的方案设计作为施工组织设计的重要环节,它的设计过程极其复杂,并且设计出来的导流方案没办法做出实际的、直观的比较。所以在水利水电工程导流设计中实现BIM水利水电工程施工过程可视化仿真技术可以形象直观的表达出导流设计的实际效果,有着重大的现实意义。
    4.BIM技术在混凝土坝施工的动态仿真应用
    由于需要注意施工现场温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力等因素的作用,在对混凝土坝进行施工时,需要根据施工现场温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力将混凝土坝按照一定原则进行分缝分块浇筑。混凝土坝浇筑的数量大,通常需要浇筑成千上万块混凝土,并且由于混凝土坝浇筑的施工约束条件过于复杂,就造成在人工安排浇筑顺序和进度上难度较高。现在通常在一般水利水电工程中使用的是凭经验类比的方法,按照每月升高的浇筑层数和混凝土浇筑强度的指标来作为施工计划的参照指标。但是这种方法没有系统的定量技术分析,在施工过程中无法准确判断施工各阶段进度和混凝土坝升高过程是否能达到大坝施工的要求。
    因为由于计算机和系统仿真技术的出现,特别是系统仿真技术的不断发展,可以实现在计算机上将混凝土上坝施工的动态过程真实地模拟出来。通过对不同混凝土施工方案进行模拟,观察产生的施工动态过程,然后根据不同施工方案下混凝土施工进程的模拟的各项定量指标进行预测,制定出科学合理的施工进度计划。通过在计算机系统上输入各种可影响浇筑施工的变量,建立一个混凝土坝的施工系统模型,在这个模型的基础上建立一个可模拟水利水电工程的仿真计算软件。然后使用软件对水利水电工程进行模拟建设,通过输入可实行的机械配套方案和相应的施工技术参数,可以计算出机械配套的数量最优比、机械的最优利用率、每月的混凝土浇筑强度,并且还能获取对应的施工方案下对大坝进行浇筑施工的详细规划进度表。
    5.BIM技术在水利施工结构仿真中的应用
    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,主要包括建筑结构配筋、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。另外,还可以建立施工设备模型,并且进行布置,使用Revit进行结构工程的设计计算时,在强度设计方面,应该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分析后与计算结果对比。
    四、结语
    综上,通过对BIM技术的发展分析,了解其模块化结构的构成,然后具体探讨在水利工程结构、结构布置、三维动态中的应用,期望BIM技术在水利工程施工设计中得到推广,提高水利工程的经济效益。

作者:王建山
责任编辑:杜雅坤


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