航道整治工程BIM关键技术研究及应用

２０１８年１１月

Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

水运工程

Ｎｏ􀆰１１　ＳｅｒｉａｌＮｏ􀆰５４８

Ｎｏｖ􀆰２０１８

􀅰“长江中下游强冲刷河段航道整治技术”专栏(３)􀅰

航道整治工程ＢＩＭ关键技术研究及应用

郭　涛ꎬ余青容ꎬ宋成果

(长江航道规划设计研究院ꎬ湖北武汉４３００４０)

摘要:针对航道整治工程ＢＩＭ技术应用中测量数据集成信息丢失、模型更新繁琐等问题ꎬ采用ＡｕｔｏｄｅｓｋＢＩＭ平台ꎬ研究ＢＩＭ技术在航道整治工程应用中的关键技术ꎬ阐述实现方法ꎬ并在武汉—安庆段航道和燕子窝水道航道整治工程中进行示范应用ꎮ研究成果可为航道整治工程ＢＩＭ技术应用提供借鉴ꎮ

关键词:ＢＩＭꎻ航道整治工程ꎻＧＩＳꎻＡｕｔｏｄｅｓｋ平台ꎻＣｉｔｙＭａｋｅｒ平台中图分类号:Ｕ６１７

文献标志码:Ａ

文章编号:１００２￣４９７２(２０１８)１１￣０００１￣０４

ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢＩＭｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｗａｔｅｒｗａｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔＡｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｌｏｓｓｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｕｍｂｅｒｓｏｍｅｕｐｄａｔｉｎｇｏｆ

ＣｈａｎｇｊｉａｎｇＷａｔｅｒｗａｙＰｌａｎｎｉｎｇ ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｗｕｈａｎ４３００４０ Ｃｈｉｎａ

ＧＵＯＴａｏ ＹＵＱｉｎｇ￣ｒｏｎｇ ＳＯＮＧＣｈｅｎｇ￣ｇｕｏ

ｍｏｄｅｌｓｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢＩＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｗａｔｅｒｗａｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔｓ ｗｅｕｓｅｔｈｅＡｕｔｏｄｅｓｋＢＩＭｐｌａｔｆｏｒｍｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＢＩＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｗａｔｅｒｗａｙｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｅｌａｂｏｒａｔｅｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｗａｔｅｒｃｈａｎｎｅｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔｉｎｔｈｅＷｕｈａｎ￣Ａｎｑｉｎｇｔｈｅｗａｔｅｒｗａｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔ.

ｗａｔｅｒｗａｙａｎｄｔｈｅＹａｎｚｉｗｏｗａｔｅｒｗａｙ.ＴｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｍａｙｓｅｒｖｅａｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢＩＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＢＩＭ ｗａｔｅｒｗａｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＧＩＳ Ａｕｔｏｄｅｓｋｐｌａｔｅｆｏｒｍ ＣｉｔｙＭａｋｅｒｐｌａｔｅｆｏｒｍ

快速发展ꎬ呈现出多阶段应用、集成化应用、多角度应用以及与现代信息技术融合应用等发展趋势ꎮ在交通运输领域ꎬＢＩＭ在公路、铁路和水运基础建设项目中的应用日渐增多ꎮＢＩＭ在长江航道整治工程建设中已悄然发力ꎬ在长江南京以下１２􀆰５ｍ深水航道二期工程、长江下游黑沙洲水道航道整治二期工程等工程中的设计、施工、管理不同阶段都得１􀆰１　航道整治工程的特点

以应用ꎬ从而开启了ＢＩＭ应用的新阶段 ２ ꎮ

航道整治工程ＢＩＭ模型主要包括在河道场地模型的基础上创建土石方挖填、护滩与护底、筑坝与导堤、护岸、整治建筑物、航标等模型ꎮ整治建筑物随河道呈长带状区域ꎬ覆盖范围大ꎬ与河道河床及岸滩地形衔接紧密ꎬ而且河道地形数

　　随着长江经济带发展的不断推动ꎬ长江黄金水航道通航条件持续改善ꎮ黄金水道的建设将会使沿江地区的资源配置结构优化、促进沿江地区产业结构转型升级ꎬ并为“一带一路”建设和发展注入新的动力 １ ꎮ长江黄金水道建设对航道整治工程投资的规模、进度、效益等提出精细化管理要求ꎮ２０１６年ꎬ交通运输部将ＢＩＭ技术在交通建设行业的应用规划为“十三五”期十大重大技术方向和技术政策

道的建设规模将会不断加大ꎬ航道等级不断提高ꎬ

之首ꎮ在长江航道整治工程规划、设计、施工、维护等全生命周期引进ＢＩＭ技术已是大势所趋ꎮ１　航道整治工程ＢＩＭ应用现状

近年来ꎬＢＩＭ技术在我国工程建设领域得到了

收稿日期:２０１８￣０４￣２６

作者简介:郭涛(１９８１—)ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ从事港航工程设计及ＢＩＭ技术应用研发工作ꎮ

􀅰２􀅰

水运工程２０１８年　

据更新频繁ꎬ每次数据的更新导致ＢＩＭ模型需要重新创建ꎬ重复工作量大ꎮ同时ꎬ航道整治建筑物多由抛石或透水框架等单体部件抛设而成ꎬ没有规则的外形ꎬ部件之间没有确定的连接关系ꎮ整治建筑物的布置在很大程度上由地形条件决定ꎬ整治建筑物模型和场地模型密不可分ꎬ且部件底部高程随河床地形变化各不相同ꎬ不能直接重复信息模型)技术在航道工程中的应用研究ꎮ

三维地貌模型包含地貌骨架模型数据和地貌纹理数据两部分内容ꎬ是地表要素和地表形态基于空间的一种三维展现方式 ３ ꎮ

地貌骨架模型数据可基于现有电子地形图或

高程数据文件ꎬ也可综合采用三维激光扫描技术、多(单)波束测深技术、航空摄影测量技术、使用ꎬ模型更新相对繁琐ꎮ

１􀆰２　航道整治工程ＢＩＭ应用存在的问题

目前市场上比较流行欧特克、奔特力和达索等公司的ＢＩＭ平台ꎮ但这些软件平台最初不是针对航道整治工程研发的ꎬ因而缺乏专门针对航道整治工程ＢＩＭ应用的配套工具和方法ꎬ构件模型库和本地化样板文件相对匮乏ꎮ航道整治工程与建筑工程、市政工程明显不同ꎬ决不能照搬建筑工程、市政工程的ＢＩＭ技术ꎬ必须根据航道整治工程特点ꎬ系统研究ＢＩＭ技术在航道整治工程全周期应用的关键技术ꎬ为航道整治工程ＢＩＭ技术应用提供技术支撑ꎬ从而推动长江航道整治工程ＢＩＭ技术的推广应用ꎮ２　航道整治工程ＢＩＭ应用关键技术

为基础ＢＩＭꎬ建立参数化模型产品技术是以工程项目的各项相关信息数据

ꎬ在项目全生命期过程中进行信息共享和传递ꎮ开展航道整治工程ＢＩＭ的设计技术中的应用、施工和维护管理向三维ꎬ就是为了推动航道整治工程、全生命期管理转变ꎬ实现航道整治工程精细化建设目标ꎮ本文拟解决的关键技术包含如下内容:２􀆰１　基于ＢＩＭ的多源测量数据集成技术

航道整治工程主要包括护滩(底)、筑坝、护岸、航标等工程类型ꎮ航道整治工程涉及到的多源测量数据有点数据、点云数据、影像数据、ＤＥＭ∕ＤＳＭ、形式ꎮ不同形式的测量数据在集成转换过程中存数字线画图、真三维实景影像等多种在部分信息丢失、无法自动更新等问题ꎬ而ＢＩＭ技术可以很好地解决多源数据集成的问题ꎮ本文通过大量的调研和试用测试ꎬ综合考虑各方面的因素ꎬ选择Ａｕｔｏｄｅｓｋ　ＢＩＭ平台开展ＢＩＭ(建筑

ＧＰＳ各源数据导入ＲＴＫ技术进行外业实测获取Ｃｉｖｉｌ３Ｄ中进行整编ꎬꎬ并将处理后的进而完成曲面模型即地貌骨架模型的构建ꎮ

地貌纹理数据包括展现地表要素和地表形态的纹理数据和示意表达地形纵横剖面的剖面纹理数据ꎬ建模所需纹理数据可通过Ｏｍａｐ、ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈＤＯＭ件ꎬ通过参数设置文件等平台获取ꎮ之后将纹理和曲面一并ꎬ或通过航空摄影测量技术获取ꎬ自动识别和配准Ｉｎｆｒａꎬ从而完成ｗｏｒｋｓ软三维地貌模型的建立ꎮ２􀆰２　整治建筑物建模技术

筑坝(丁坝、顺坝、锁坝)、护岸、护滩、护底等整治建筑物的显著特点是与河道地形密切相关ꎬ不同整治方案以及不同工程区域整治建筑物的形状和高程也不相同ꎮ受上游来水来沙条件的影响ꎬ河道地形处于一个动态的冲淤变化过程ꎬ不同时期的测量地形各不相同ꎬ因此设计过程中依据的地面模型需要更新ꎬ整治建筑物模型也需要适应地面模型的修改变化ꎮ

整治建筑物建模技术方法包括三维地面模型、护滩和护底模型、筑坝结构物模型、护岸模型、模型更新等ꎮ

２􀆰２􀆰１　护滩和护底模型

护底和护滩主要包括土工织物排体结构和排边抛石或排上抛石ꎮ软体排按压载形式分为散抛压载软体排、系结压载软体排和沙被软体排ꎮ

软排体模型可采用三维曲面或三维实体对象表达ꎮ采用三维曲面对象能够反映排体的参数特征ꎬ提高模型创建效率ꎬ模型的修改维护也比较方便ꎻ采用三维实体对象方式ꎬ模型表达更加逼真ꎬ方便三维可视化展示ꎬ需要根据技术的发展灵活结合两

　第１１期郭涛ꎬ等:航道整治工程ＢＩＭ关键技术研究及应用􀅰３􀅰

种方式ꎮ排边抛石用三维实体表示ꎬ可快速标示出位置、高程、体积等特征ꎮ排边抛石模型可采２􀆰２􀆰２　筑坝结构物模型

用Ｃｉｖｉｌ３Ｄ软件中创建道路模型的方式创建 ４ ꎮ

筑坝结构通常包括坝头、坝身、坝根等几个部分ꎮ坝头平面常布置成圆滑曲线ꎬ向河坡坡度取１􀏑２􀆰５~１􀏑５􀆰０ꎬ根据水流对坝头的作用情况ꎬ距理相结合的多层次管理ꎮ

目前主流的ＧＩＳ平台都有开发支持ＢＩＭ模型导入的插件ꎬ而ＢＩＭ平台也有开发到ＧＩＳ平台的插件ꎬ在数据层面进行集成比较符合当前的软件发展现状ꎮ鉴于ＧＩＳ平台支持海量数据的特性ꎬ针对航道整治工程ＢＩＭ与ＧＩＳ的集成需求ꎬ现阶段比较理想的方式是采用ＢＩＭ数据集成到ＧＩＳ平离坝头５~１５ｍ范围的坝体通常进行加宽处理ꎻ坝身为梯形断面ꎬ坝根采用喇叭形接岸ꎮ模型创建过程中ꎬ将坝头、坝身、坝根分别进行创建ꎮ坝头和坝根模型可采用２个曲面围成实体的方法创建ꎮ上部曲面根据放坡基准线和放坡规则通过放坡生成ꎬ下部曲面通常为地形曲面ꎮ坝身模型可视作具有一定规则的横截面沿着坝轴线扫掠形成ꎬ可通过Ｃｉｖｉｌ３Ｄ软件中创建道路的方式进行建立ꎮ２􀆰２􀆰３　护岸模型

整治工程的护岸通常采用斜坡式断面结构ꎬ主要包括护底、水下护坡及护脚和水上护坡等ꎬ水上护坡有枯水平台、盲沟、反滤层、护面和护肩等ꎮ护岸模型须反映出各部分结构组成及其构造特征ꎬ同时方便工程量的统计、施工图绘制以及施工模拟需要ꎮ护岸模型的创建可参照坝身模型创建方法ꎬ同时应尽可能简化建模流程ꎬ避免多次建模ꎮ２􀆰２􀆰４　模型更新

当设计方案调整、设计参数修改、地形数据更新时ꎬ均须对ＢＩＭ模型进行更新维护ꎮ模型是参数化的ꎬ在模型创建过程中发生修改ꎬ只需要将目标参数进行修改和更新ꎮ

２􀆰３　基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ的航道整治物维护管理技术

随着ＢＩＭ技术向工程全生命周期的完整应用扩展ꎬ在航道工程维护阶段应用ＢＩＭ技术是必然趋势ꎮＢＩＭ与ＧＩＳ集成应用ꎬ可提高长线工程和大规模区域性工程的管理能力ꎮＢＩＭ的应用对象往往是单个建筑物ꎬ利用ＧＩＳ宏观尺度上的功能ꎬ可将ＢＩＭ的应用范围扩展到航道整治工程领域ꎮ对长江干线航道整治工程项目开展ＢＩＭ与ＧＩＳ集成应用ꎬ将大场景和大模型数据进行集成ꎬ可实现基于ＧＩＳ的全线宏观管理和基于ＢＩＭ的精细管

台的集成方式ꎮ

本文采用ＣｉｔｙＭａｋｅｒ平台ꎬ实现了ＢＩＭ模型和ＧＩＳ据格式转换数据的集成ꎬＣｉｔｙＭａｋｅｒꎮ在数据集成过程中Ｂｕｉｌｄｅｒ是３ＤＧＩＳꎬ需要进行数数据的生产和维护平台ꎬ须将整治建筑物ＢＩＭ模型转换为ＦＤＢ管理项目需要的全部地理信息格式才能在平台开展应用ꎬꎮ包括时态ＦＤＢ可以存储和、空间、

属性和符号(模型和贴图)ꎮ可以利用插件Ｃｉｔｙ￣Ｍａｋｅｒ式ꎬ也ＣｉｖｉｌＰｌｕｇｉｎ可以利将用ＣｉｖｉｌＣｉｔｙＭａｋｅｒ３Ｄ中模型转为Ｂｕｉｌｄｅｒ工ＦＤＢ具格集ＤａｔａＩｍｐｏｒｔ的数据集中功能将ꎮ通过ＦＢＸＣｉｔｙＭａｋｅｒ格式模型导入Ｂｕｉｌｄｅｒ创建ＦＤＢ数据源ＦＤＢ模式数据库ꎬ并进行模型信息的管理ꎬ在应用端ＣｉｔｙＭａｋｅｒＥｘｐｌｏｒｅｒ进行模型的展示和漫游ꎮ３　工程应用

本研究的航道整治工程ＢＩＭ关键技术已应用于多个长江航道整治工程建设中ꎬ效果明显ꎮ依托武汉—安庆段６ｍ水深航道整治工程ꎬ利用Ａｕｔｏｄｅｓｋ量地形数据Ｉｎｆｒａｗｏｒｋｓ(ＧＰＳ软件ＲＴＫ、ꎬ多波束有效整合了多源航道测、单波束等测量文件)和卫星影像ꎬ通过参数设置、自动识别和配准ꎬ完成三维地貌模型的建立ꎬ为后续航道整治工程设计提供了重要的基础资料(图１)ꎮ图１　马当河段三维地貌模型

􀅰４􀅰

水运工程２０１８年　

在整治建筑物建模方面ꎬ利用Ｃｉｖｉｌ３Ｄ软件创建了坝体、护岸、抛石加固、铺排等模型ꎬ能够为模型的后续应用提供必要的工程信息ꎮ利用ＣＡＤ或Ｒｅｖｉｔ基本功能ꎬ拉伸、扫略、融合生成透水框架、航标船等三维模型(图２)ꎮ

图２　护滩带工程三维模型

依托燕子窝水道航道整治工程ꎬ采用ＣｉｔｙＭａｋｅｒ能够准确、平台快捷ꎬ、整合直观地进行工程全方位信息的ＢＩＭ设计数据、ＧＩＳ数据ꎬ查询和管理ꎬ实现了坐标和高程标注、整治建筑物模型管理、模型多视口表达等功能(图３、４)ꎬ验证了技术的可行性ꎮ

图３　坐标和高程标注

图４　模型管理和多视口表达

４　结语

个环节的精细化管理日趋重要１)在航道整治工程建设全过程中ꎬ引入ＢＩＭꎬ对工程各

技术已成为航道整治工程的发展趋势ꎮ

段ꎬ整治工程设计２)航道整治工程的、施工ＢＩＭ、维护管理全生命期的技术应用处于起步阶ＢＩＭ展相应的技术研究技术应用ꎬ需要针对工程特点和业务需求开ꎮ

平台３)ꎬ研究了基于本文采用ＡｕｔｏｄｅｓｋＢＩＭ的多源测量数据集成ＢＩＭ平台和ＣｉｔｙＭａｋｅｒ、整治建筑物建模技术和基于ＢＩＭ＋ＧＩＳ的航道整治物维护管理等关键技术和具体的实现方法ꎬ并依托工程ꎬ验证了技术的可行性ꎬ可为今后航道整治

工程ＢＩＭ技术应用提供参考ꎮ参考文献:

１ 　常坤 伊青 贺凯 等.ＢＩＭ技术在航道整治施工中的应

用分析 Ｊ .中国水运 下半月 ２０１６ １６ １２ １９３￣１９４. ２ 　刘天云.ＢＩＭ在长江航道整治工程应用现状及前景展

望 Ｊ .中国水运 ２０１７ ３８ ９ ６１￣６３.

３ 　牛作鹏 李国杰 刘莉.基于ＢＩＭ的航道工程多源测量

数据集成技术 Ｊ .水运工程 ２０１８ ２ １４２￣１４５. ４ 　袁立莎.ＢＩＭ技术在航道整治工程中的应用研究 Ｊ .港

工技术 ２０１６ ５３ ４ ２０￣２４.

(本文编辑　郭雪珍)