農(nóng)田水利工程施工可視化模型構(gòu)建探究

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［摘要］為了改善農(nóng)田水利工程質(zhì)量，采用BIM(BuildingInformationModeling)構(gòu)建農(nóng)田水利模型，采用Powercivil軟件和CATIA軟件相結(jié)合的方式構(gòu)建農(nóng)田灌溉水利工程模型。以實(shí)際工程為研究背景，利用BIM軟件對農(nóng)田水利工程的水力曲線進(jìn)行確定，分析渠道的合理性并作出相應(yīng)的調(diào)整，對水利工程進(jìn)行精準(zhǔn)檢測缺陷、快速出圖、計(jì)算造價(jià)、指導(dǎo)施工，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利工程施工的數(shù)值化、可視化，為農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營提供有效指導(dǎo)。

［關(guān)鍵詞］農(nóng)田水利工程;BIM模型;可視化;施工模擬

0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)也逐漸向著科技化、數(shù)值化發(fā)展，農(nóng)田水利工程是農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展中較為重要的組成部分。張林渠［1］通過分析信息化技術(shù)在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用，得出信息技術(shù)可以有效提高工程質(zhì)量;劉剛燕［2］分析信息技術(shù)在農(nóng)田水利工程中應(yīng)用存在的問題，并提出相應(yīng)的解決建議;陳金水［3］從管理運(yùn)營的角度分析信息化技術(shù)在農(nóng)田灌溉工程中的應(yīng)用及為提高農(nóng)作物產(chǎn)量、降低成本等方面的作用;張書生［4］通過構(gòu)建BIM模型，并將其應(yīng)用于農(nóng)田水利過程中，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對比，總結(jié)出BIM應(yīng)用于農(nóng)田水利工程中具有很好的作用效果;李芬［5］運(yùn)用Powercivil軟件構(gòu)造了農(nóng)田水利工程模型，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營3個(gè)角度和傳統(tǒng)方法對比，總結(jié)出兩種方法的優(yōu)劣。綜上，本文將利用BIM構(gòu)建農(nóng)田水利模型，并結(jié)合實(shí)際工程分析模型的應(yīng)用效果。

1BIM軟件的選擇

BIM(BuildingInformationModeling)技術(shù)可以運(yùn)用于工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理3個(gè)工程階段，保證工程信息的有效應(yīng)用。在工程設(shè)計(jì)階段，依據(jù)工程的協(xié)同化和設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建BIM三維模型，可以對設(shè)計(jì)的建筑模型進(jìn)行優(yōu)化，并且查找建筑模型中兩個(gè)結(jié)構(gòu)的碰撞點(diǎn)與設(shè)計(jì)中的構(gòu)造錯(cuò)誤，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的平面圖相比具有較大的優(yōu)勢。在工程施工階段，BIM構(gòu)建的模型可以加快出圖效率，快速準(zhǔn)確地計(jì)算工程量與工程造價(jià)，以及通過構(gòu)建施工模擬動(dòng)畫模型模擬施工過程，實(shí)現(xiàn)施工設(shè)計(jì)的可視化。在運(yùn)營管理階段，通過將構(gòu)建的BIM模型與相關(guān)的管理運(yùn)營軟件結(jié)合使用，有效提高工程的管理效率和降低工程的運(yùn)營成本。構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確有效的BIM農(nóng)田水利模型是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理的基礎(chǔ)，根據(jù)農(nóng)田水利工程面積大、構(gòu)造物多等特點(diǎn)，需要選擇合適的程序來提高模型的精準(zhǔn)度。依據(jù)農(nóng)田水利工程的工程特點(diǎn)，選用Power-civil軟件和CATIA軟件進(jìn)行開發(fā)。Powercivil軟件較為廣泛地應(yīng)用于道路工程、橋梁工程、隧道工程等較大的模型體系，但Powercivil軟件精度較低，因而可以應(yīng)用于水利工程模型中非建筑物類對模型精度要求不高且較大的地形地貌、道路等構(gòu)造物中。CATIA軟件具有模型精度高、參數(shù)化方便、優(yōu)化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，剛好可以彌補(bǔ)Powercivil軟件建模中的不足，可以應(yīng)用于該水利工程中模型精度要求高、工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物建模過程。通過分析農(nóng)田水利工程的工程特點(diǎn)，擬采用Powercivil軟件和CATIA軟件相結(jié)合的模型，通過Powercivil軟件構(gòu)建精度要求低、面積大的地形地貌、道路等構(gòu)造物，而精度高、模型復(fù)雜的建筑物采用CATIA軟件進(jìn)行構(gòu)建。

2構(gòu)建BIM模型

2.1建筑物建模

采用CATIA軟件對模型參數(shù)化，建立建筑物的參數(shù)化模板庫，對于建筑物模型的構(gòu)建起到關(guān)鍵作用，模型的特征參數(shù)確定是構(gòu)建建筑物模型的基礎(chǔ)。模型特征參數(shù)的確定步驟如下:1)確定農(nóng)田周圍建筑物種類及數(shù)量，并按照建筑物類型進(jìn)行劃分，將各種類型的建筑物分別記錄。2)通過比較同一類建筑物的特征，分析各建筑物之間的差異化特征，并將特征數(shù)作為建筑物的特征參數(shù)。對不同建筑物的特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。參數(shù)確定后，需要對建筑物模型進(jìn)行尺寸約束，這是建筑物建模過程中較為重要的步驟。對于建筑物的尺寸約束要確定合適的數(shù)值，否則容易造成建筑物模型尺寸報(bào)出錯(cuò)誤或模型效果不理想。建模過程中需要將建筑物分解成不同的構(gòu)件，對建筑物中的構(gòu)件依次建立模型，這是建筑物建模過程中較為關(guān)鍵的步驟。建筑物的建模次序也影響構(gòu)建模型的效果，以圓管涵為例，分析建模的次序。1)通過CATIA軟件草圖模式設(shè)計(jì)出圓管涵的截面尺寸并進(jìn)行約束，同時(shí)確定圓管涵的尺寸;進(jìn)而在三維模式對管涵進(jìn)行劃分，使用凸臺(tái)命令構(gòu)建4個(gè)分段圓管涵。2)通過CATIA軟件草圖模式設(shè)計(jì)出圓管涵的縱切面截面尺寸并進(jìn)行約束，同時(shí)確定擋墻的尺寸;進(jìn)而在三維模式對擋墻位置進(jìn)行布置，使用布爾操作建立擋墻模型，將擋墻分布在構(gòu)建的管涵兩側(cè)。3)在管涵底部布置基座的約束。4)在基座底部依次添加保溫材料、水泥混凝土、砂漿等材料約束。5)將保溫材料的約束延伸至兩側(cè)擋墻的后背。6)在擋墻前端添加襯砌材料、支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束。對于不同的圓管涵，需要依次修改模型中圓管涵的涵洞長度、圓管涵直徑、擋墻高寬比等參數(shù)，即可得到不同尺寸的圓管涵模型。其它類型的建筑物建模步驟與圓管涵類似，依次構(gòu)建不同建筑物的模型即可得到建筑物的模板庫。

2.2地形建模

地形的合理設(shè)置是水利工程構(gòu)造物模型建立的基礎(chǔ)，地形作為水利工程的載體，其參數(shù)的合理性直接關(guān)系到水利工程設(shè)計(jì)、施工算量、工程造價(jià)等工作的準(zhǔn)確性。利用Powercivil軟件將地形中的等高線、高程點(diǎn)相結(jié)合，可以有效提高建模的精度和準(zhǔn)確度。對等高線和高程點(diǎn)的處理步驟如下:1)對現(xiàn)場的等高線和高程點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核測量，對于起伏較大的地形進(jìn)行多次復(fù)核，保證測量的準(zhǔn)確性。2)對測量的高程點(diǎn)進(jìn)行理論核算，對有問題的高程點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測調(diào)整，對于構(gòu)造物布置區(qū)域的數(shù)據(jù)值核算要足夠精確。3)剔除過高或過低的數(shù)據(jù)點(diǎn)，盡量減少凹凸的尖點(diǎn)。將調(diào)整好的地形分布數(shù)值信息導(dǎo)入Power-civil軟件中，通過導(dǎo)入的參數(shù)構(gòu)建地形模型圖，對生成的地形模型圖進(jìn)行調(diào)整，使其更符合工程實(shí)際。

2.3渠道及道路建模

渠道的建模主要應(yīng)用Powercivil軟件建立橫斷面模板，沿著橫斷面模板向水流方向進(jìn)行放樣，因而建模的主要步驟為建立橫斷面模板和繪制水流方向渠道基準(zhǔn)線。為提高建模效率，渠道建模的主要步驟為:1)以一個(gè)渠道作為建模模板，采用一個(gè)渠道的一半作為建模對象，另一半采用鏡像法生成，其余的渠道模型通過修改渠道的特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到新的模板。2)運(yùn)用軟件中的參考功能，參考原始地形地貌，通過調(diào)整角度、方位將渠道布置在地形中，使渠道與原始地形吻合。3)渠道設(shè)置為直線、緩和曲線、曲線的布置形式，避免渠道出現(xiàn)直角轉(zhuǎn)彎。4)利用軟件的廊道工具，對繪制的渠道利用其樁號(hào)進(jìn)行修正，最終得到渠道的最終模型。農(nóng)田田間道路和干線道路模型的建立與渠道模型建立的方法相同。

2.4模型整合

對于上面構(gòu)建的構(gòu)筑物模型文件，因?yàn)槭褂貌煌浖玫讲煌哪Ｐ臀募蚨枰獙Σ煌募M(jìn)行轉(zhuǎn)化，將Powercivil軟件和CATIA軟件的文件轉(zhuǎn)化為sat文件。將CATIA軟件的建筑物文件轉(zhuǎn)化為sat格式導(dǎo)入Powercivil軟件中，通過移動(dòng)建筑物的方位布局、角度，使得與Powercivil軟件中的模型相吻合，進(jìn)而得到BIM的完整模型。

3工程應(yīng)用

3.1工程概況

安徽省馬鞍山市某農(nóng)田工程，使用水源為長江流域水流。該區(qū)域由于建設(shè)農(nóng)田示范區(qū)，擬擴(kuò)建農(nóng)田灌溉水利工程管網(wǎng)，計(jì)劃擴(kuò)建農(nóng)田水渠長度為30.53km，改建田間道路15.86km、干線道路30.32km。修建建筑物283座，其中管涵161座、水閘20座、渡槽21座、斗門81座。

3.2BIM應(yīng)用

3.2.1水面曲線確定。Flowmaster軟件分析農(nóng)田水利水流特性具有很好的效果，通過對建立的水利工程模型設(shè)置水流的相關(guān)參數(shù)，F(xiàn)lowmaster軟件通過分析水流參數(shù)即可擬合出輸水水渠的水面形狀，生成流動(dòng)水面的相關(guān)參數(shù)。若設(shè)計(jì)的渠道無法達(dá)到水流的要求，則通過改變水渠的相關(guān)參數(shù)，直至符合灌溉水流的要求。圖1為通過水流參數(shù)模擬得到的支流渠道的水面曲線，可以判斷出該部位水渠設(shè)計(jì)較為合理。3.2.2模型檢測。BIM模型可以檢測模型之間是否存在空間交叉，判斷各分段模型是否存在碰撞與不協(xié)調(diào)，并生成檢測報(bào)告，檢測報(bào)告中的問題可以通過修改原模型，從而避免工程施工中兩個(gè)結(jié)構(gòu)互相影響。以某一支渠道與干線渠道碰撞檢測為例，共檢測出3個(gè)沖突點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(1319.46183m，6725.37584m，136.20184m)、(1319.29563m，6726.54557m，135.97452m)、(1320.84434m，6727.91146m，135.79658m)。3.2.3生成施工圖。與傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)相比較，BIM模型具有較高的出圖準(zhǔn)確性和較快的效率。通過軟件中的剖切命令可以快速得到施工圖，斷面圖也可以通過軟件中的斷面圖工具獲得，從而應(yīng)用于指導(dǎo)施工。圖2為支渠斷面圖，圖紙布局合理，高效指導(dǎo)施工。3.2.4工程數(shù)量計(jì)算。建立好模型后，可以通過Powercivil軟件中帶有的工程量計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)工程算量，得到工程的工程量清單;進(jìn)而套入施工定額，得到工程的概預(yù)算。將工程量清單與實(shí)際工程進(jìn)行比較，誤差為2.32%，在工程允許值5%的范圍內(nèi)，所建立模型與實(shí)際工程誤差小，具有較高精度。3.2.5施工過程模擬。通過Powercivil軟件中自帶的施工模擬工具，可以根據(jù)制定的施工方案進(jìn)行施工模擬，使得施工方案可視化，更加有利于施工方案的選取與優(yōu)化，同時(shí)可以向業(yè)主和客戶進(jìn)行展示。

4結(jié)論

通過BIM軟件構(gòu)建農(nóng)田水利工程，并根據(jù)原始地形資料和灌溉水流進(jìn)行調(diào)整，不斷優(yōu)化農(nóng)田水利模型，主要結(jié)論如下:1)根據(jù)農(nóng)田水利灌溉工程的特點(diǎn)，采用Powercivil軟件和CATIA軟件相結(jié)合的模型，構(gòu)建了地貌、道路等精度要求低的構(gòu)造物和精度高的建筑物。2)通過BIM軟件對農(nóng)田水利工程的水力曲線進(jìn)行確定，分析渠道的合理性并作出相應(yīng)的調(diào)整。3)利用BIM構(gòu)建模型，可以提高構(gòu)建模型的精準(zhǔn)度，擁有快速出圖、高效施工等優(yōu)點(diǎn)。

作者:曾強(qiáng) 單位:遼寧省沈陽市蘇家屯區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村服務(wù)中心