BIM技術在大壩工程設計中的應用探索

費 勝, 陳 堃

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230088)

我國是一個地域廣闊的國家，各地水文、地形、地質(zhì)條件差異很大，在大壩的設計過程中需要根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況進行方案的制定，而不能簡單地套用現(xiàn)成的方案。同時，大壩工程往往影響眾多人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，并且會耗費幾十億、幾百億的資金和2、3年的時間，因此大壩設計方案必須綜合考慮安全可靠性和經(jīng)濟合理性。目前，對于修建在復雜的地形、地質(zhì)、氣象條件下的大壩工程，通常采用水工模型試驗的方法驗證設計方案，但該方法成本高，周期長，而且無法通過改變參數(shù)來進行方案比較和方案優(yōu)化，所以迫切需要更先進、精確的設計方法對水利水電工程水工建筑物進行設計和計算分析。

近幾年，隨著計算機技術的快速發(fā)展，通過計算機建立三維模型、進行數(shù)據(jù)分析等等，在人類生活和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了越來越廣泛的影響。BIM 技術具有直觀形象、工程量計算精確、方便設計修改、重復利用、結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值分析等諸多優(yōu)點，逐漸被人們所接受[1]，具有廣闊的應用前景。

本文利用BIM技術，通過安徽省黃山市月潭水庫工程實例，實現(xiàn)對大壩工程的三維協(xié)同設計。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)設計模型和結(jié)構(gòu)計算模型的資源共享、優(yōu)勢互補，充分利用已有模型進行有限元計算及仿真分析，進而指導三維協(xié)同設計，優(yōu)化設計方案。

1 三維協(xié)同設計

安徽省黃山市月潭水庫工程三維協(xié)同設計基于Bentley系列軟件，借助ProjectWise協(xié)同設計平臺進行交互和協(xié)作。

月潭水庫工程運用BIM技術，通過編制三維信息模型設計應用標準進行三維協(xié)同設計，解決復雜的空間布置、多專業(yè)協(xié)同問題、規(guī)范設計管理流程[2]，建立項目標準化工作環(huán)境、統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)、定位原則、項目標準庫、文件目錄結(jié)構(gòu)等；然后依據(jù)項目文件命名規(guī)則，根據(jù)設計任務的分配，在協(xié)同設計平臺上創(chuàng)建設計文件，項目設計人員只需在對應的文件里面進行各專業(yè)設計工作，而無需自行創(chuàng)建文件。這種利用統(tǒng)一創(chuàng)建的文件有利于保障文件命名遵循“見名知意”原則，又便于分類組織和檢索的要求，提高協(xié)同溝通效率。

在協(xié)同設計平臺中，各專業(yè)設計人員根據(jù)各自權限查看、調(diào)用、參考、提交、校審相關設計文件。項目設計模型初稿完成后，由項目負責人組裝各專業(yè)模型，進行碰撞檢查，相關專業(yè)根據(jù)碰撞檢查的結(jié)果進行修改，然后再次進行檢查，直至沒有碰撞問題出現(xiàn)，該設計模型才算定稿，最后進行二維出圖、工程量統(tǒng)計、渲染以及模型發(fā)布等工作。

1.1 協(xié)同建模成果

安徽省月潭水庫工程三維協(xié)同設計應用范圍包括了勘測三維協(xié)同設計、樞紐三維協(xié)同設計、發(fā)電廠房協(xié)同設計等設計領域，涵蓋勘測、水工、建筑、水機、電氣、金結(jié)等多個專業(yè)。多個專業(yè)的三維模型如圖1所示。

圖1 多個專業(yè)的三維模型

在月潭水庫工程三維協(xié)同設計中首次運用三維地質(zhì)模型。三維地質(zhì)模型的建立，可以逼真地模擬地形地貌的變化特征，直觀地展現(xiàn)地下空間中的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)特征和各要素之間的空間關系[3]，并且能夠逼真地呈現(xiàn)出地層面、斷層面、褶皺等復雜的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，能清晰形象地觀察了解所關心的地質(zhì)現(xiàn)象，直觀、準確地表現(xiàn)水電類工程復雜的地質(zhì)空間構(gòu)造情況，為工程設計提供直觀、可靠的依據(jù)。

1.2 三維模型應用

(1)碰撞檢測。它是三維協(xié)同設計的一個重要功能。在二維圖紙時代，因為可視化的有限，往往需要設計人員靠自己的空間想象力以及經(jīng)驗去設計，導致設計不合理。隨著BIM技術的可視化出現(xiàn)，大大克服這種情況。在工程設計過程中能夠依據(jù)總裝的三維模型逐一的進行空間沖突與分析，以利解決各專業(yè)細部沖突，根據(jù)模擬分析結(jié)果，提早進行設計修改，減少施工階段變更設計，提高設計質(zhì)量。

(2)工程量統(tǒng)計。工程量是工程投資計算的基礎[4]，水利工程中一般采用人工計算工程量，這種計算方法存在人力投入大、重復低效、容易出錯、校審困難等問題。進入三維設計時代后，項目管理人員只需設置項目規(guī)則，如構(gòu)件清單、類別樣式、計量單位、計算方法等材料樣式模板如圖2所示。，然后直接利用模型對象的幾何屬性和工程屬性，統(tǒng)計模型工程量輸出報表如表1所列。

圖2 材料樣式模板

項目分類數(shù)量/m3單價/元合計/萬元大壩C15壩體混凝土951205004756大壩C20混凝土墊層8170540441大壩C25壩頂防浪墻1025806大壩C25壩后橋欄桿475803大壩C25鋼筋混凝土邊墩3120580181大壩C25鋼筋混凝土中墩9320580541大壩C25鋼筋混凝土廊道3525580204大壩C25上游防滲7744580449大壩C25溢流面4110580238大壩C30二期混凝土605803底孔C25底孔周邊8450580490底孔C25進口閘門井2035580118底孔C25進口板梁柱41258024底孔C25出口閘門支撐梁1445808底孔C25出口板梁柱50258029底孔C30二期混凝土76158044總計7536萬元

(3)切圖出圖。三維設計模型定稿后，設計人員可以從中生成各專業(yè)所需的二維圖紙，而且生成的二維圖形與三維模型始終關聯(lián)，從而在三維模型改變時，二維圖形能隨著自動修改，使設計人員能夠從重復而繁瑣的制圖工作中解脫出來，提高出圖效率。同時與傳統(tǒng)的二維圖紙相比，三維圖紙更能直觀地展現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征和各要素之間的空間關系，降低了專業(yè)上的溝通難度，提高方案匯報的效果。

1.3 CADCAE交互

CADCAE交互，也是三維協(xié)同設計中使用者最關心的。通常我們所說的CAD軟件指的是用來進行計算機輔助設計及繪圖的軟件，如MicroStation Revit Catia Solidworks UG Autocad 等，目前市場上流行的幾大基礎設計軟件平臺及架構(gòu)在這些平臺上的各種專業(yè)應用設計軟件都屬于CAD軟件范疇。而CAE軟件指的是計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、動力響應、彈塑性等力學性能的分析計算軟件。在水利工程設計領域，一般通用的大型計算分析CAE軟件通常有ANSYS FLAC_3D ABQUS FLUENT Midas等。

通過CAD與CAE之間的數(shù)據(jù)接口進行模型轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)兩個軟件在模型建立和結(jié)構(gòu)計算上的資源共享、優(yōu)勢互補[5]，充分利用已有模型進行有限元分析，進而作為結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化的依據(jù)。

CAD和CAE軟件中對三維模型表現(xiàn)內(nèi)容的需求不盡相同，因此，在將CAD創(chuàng)建的模型導入CAE軟件進行結(jié)構(gòu)計算的過程中，必須進行模型改造，以適應有限元結(jié)構(gòu)計算的需要。

圖3 三維設計模型

(1)模型導出。以月潭水庫③號壩段為例，利用Bentley系列軟件完成三維設計模型的建立，在模型轉(zhuǎn)換之前，刪除模型中不必要的細節(jié)，譬如裝飾欄桿、路燈等，然后導出模型。三維設計模型如圖3所示。

(2)模型導入。月潭水庫工程CAE軟件選用大型商用有限元分析軟件ANSYS，該軟件前后處理以及分析計算功能強大。將簡化后的三維設計模型導入ANSYS軟件后，首先需要進行坐標系調(diào)整，然后建立地基模型，補充完整結(jié)構(gòu)計算模型。結(jié)構(gòu)計算模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

(3)計算分析。在計算模型中，定義單元類型、材料屬性，根據(jù)月潭水庫大壩結(jié)構(gòu)特點以及材料分區(qū)進行單元網(wǎng)格劃分，設置不同工況條件下的荷載、約束，進行大壩結(jié)構(gòu)計算。有限元計算結(jié)果，如圖5所示。根據(jù)分析結(jié)構(gòu)變形及應力情況，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和方案合理性提供技術支撐。

圖4 結(jié)構(gòu)計算模型網(wǎng)格劃分

圖5 有限元計算成果

5 結(jié)束語

本文以月潭水庫工程為例，通過協(xié)同設計平臺，建立樞紐建筑物三維模型，完成三維協(xié)同設計，實現(xiàn)了三維設計建模、三維動態(tài)切圖出圖、碰撞檢查等。同時，利用三維協(xié)同設計的模型為基礎，應用通用的有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)計算及仿真分析，為三維設計技術的應用積累經(jīng)驗，為工程設計提供參考。

由于本文工作屬首次利用三維設計軟件完成大壩工程的三維協(xié)同設計，有些方面的工作尚待研究，如CAD與CAE的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，目前僅僅實現(xiàn)CAD向CAE之間的單向轉(zhuǎn)換，很難將CAE結(jié)構(gòu)計算成果在三維設計CAD軟件里進行綜合展現(xiàn)，因此，今后有必要深入研究CADCAE的一體化技術，這對提高工程設計效率和質(zhì)量將有非常大的意義。