BIM+VR技術(shù)在CCS電站廠房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蔣昊良 史玉龍 潘自林

摘要：隨著工程設(shè)計(jì)難度逐步增高，傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)不僅難以支撐復(fù)雜與特殊外形的設(shè)計(jì)，更無法對(duì)項(xiàng)目各階段進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)、施工與管理。BIM技術(shù)體系覆蓋項(xiàng)目全生命周期，在設(shè)計(jì)階段其強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)能力不僅可以解決復(fù)雜設(shè)計(jì)難題，更實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，但其缺陷是效果表現(xiàn)力有所欠缺，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（簡稱VR）特有的沉浸式漫游可以有效解決“設(shè)計(jì)非所得”的難題。提出了BIM+VR技術(shù)體系，將BIM設(shè)計(jì)與VR進(jìn)行有效融合，并應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)階段。應(yīng)用結(jié)果表明，BIM+VR技術(shù)體系有效解決了水工建筑物中壓力管道、地下廠房系統(tǒng)建筑物等的設(shè)計(jì)難題，對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的科學(xué)性與美觀性檢驗(yàn)提供了有效支撐，并利用VR模擬了水輪機(jī)等部件的運(yùn)行情況。

關(guān)鍵詞：水利水電工程;建筑信息模型;參數(shù)化設(shè)計(jì);虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TV222.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.02.024

近年來工程項(xiàng)目復(fù)雜度日趨升高，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)愈發(fā)難以滿足現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)需要，三維設(shè)計(jì)模式逐步映人設(shè)計(jì)者的眼簾。建筑信息模型（ Building Infor-mation Modeling或Building Information Management，簡稱BIM）以三維設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，兼?zhèn)湓O(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維于一體，貫穿項(xiàng)目全生命周期，在建筑、交通等行業(yè)已經(jīng)有了深度應(yīng)用。近年來水利水電工程行業(yè)逐步轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思維，開始運(yùn)用BIM設(shè)計(jì)軟件開展設(shè)計(jì)工作。

BIM設(shè)計(jì)軟件將傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為三維設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)計(jì)算軟件，大幅度提升了設(shè)計(jì)工作的科學(xué)性與高效性。但其糾錯(cuò)和展示能力較為欠缺，設(shè)計(jì)者雖可以從多角度審查工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，卻無法從空間上確認(rèn)設(shè)計(jì)布局的合理性與科學(xué)性，也難以合理感知設(shè)計(jì)內(nèi)容的色彩搭配。尤其在水利水電工程領(lǐng)域，工程實(shí)體通常為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的異形體，這給設(shè)計(jì)者的審查和設(shè)計(jì)帶來較大困難。而虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)可以其特有的沉浸式角度有效增強(qiáng)設(shè)計(jì)階段BIM模型的可視化效果，使得設(shè)計(jì)者或用戶身臨其境地感知設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的設(shè)計(jì)效果。同時(shí)，BIM設(shè)計(jì)軟件為VR體驗(yàn)提供了強(qiáng)大的模型與數(shù)據(jù)支撐，因此在BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上借助VR技術(shù)進(jìn)行體驗(yàn)、審查、糾錯(cuò)等將對(duì)傳統(tǒng)水利水電工程設(shè)計(jì)產(chǎn)生巨大的變革。

1 BIM+VR技術(shù)概述

BIM是一套技術(shù)體系，也是一套管理方法[1]。國家住建部自2012年起相繼出臺(tái)相關(guān)政策大力推進(jìn)BIM技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用，其最先被應(yīng)用于建筑行業(yè)[2]，并迅速擴(kuò)展至眾多行業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。現(xiàn)階段BIM設(shè)計(jì)主要以BIM設(shè)計(jì)軟件為核心，如Autodesk Revit、CATIA V5等[3].借助BIM設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大的三維可視化設(shè)計(jì)功能，設(shè)計(jì)者們可以更為直觀地了解設(shè)計(jì)內(nèi)容，解決設(shè)計(jì)難題[4]。

VR技術(shù)自2016年起風(fēng)靡全球，成為當(dāng)今的熱門黑科技之一。其借助1100廣角的頭戴式設(shè)備，利用雙目成像原理將計(jì)算機(jī)中的圖像直接傳輸于頭盔內(nèi)的雙目前方，并借助手柄的觸覺反饋、頭盔的聽覺反饋等技術(shù)使用戶產(chǎn)生一種“身臨其境”的沉浸式感覺，目前被廣泛應(yīng)用于建筑、軍事、工業(yè)仿真等多個(gè)領(lǐng)域[5]。

VR技術(shù)是一個(gè)需要載體才能發(fā)揮特色的工具，BIM模型和數(shù)據(jù)為VR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了有效支撐，而VR技術(shù)以沉浸式和高真實(shí)度為核心，彌補(bǔ)了BIM設(shè)計(jì)階段對(duì)空間布局理解的欠缺以及對(duì)外形、材質(zhì)設(shè)計(jì)的美觀性不足等問題，尤其針對(duì)復(fù)雜性極強(qiáng)的水利水電工程領(lǐng)域。因此，BIM+VR將工程BIM模型與VR沉浸體驗(yàn)進(jìn)行融合，形成完美的互補(bǔ)，從空間關(guān)系、融人構(gòu)件信息到交互式體驗(yàn)，從總體到局部，實(shí)現(xiàn)了更具意義的可視化虛擬體驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化起到了重大作用。

2 CCS工程項(xiàng)目概況

厄瓜多爾Coca Codo Sinclair（簡稱CCS）水電站總投資23億美元，被譽(yù)為厄瓜多爾“第一工程”，受到中厄兩國元首共同關(guān)注。工程處于高地震烈度區(qū)的熱帶雨林地區(qū)，鄰近活火山，自然條件十分復(fù)雜。項(xiàng)目設(shè)計(jì)難度系數(shù)高，是世界同類水頭沖擊式機(jī)組總裝機(jī)最大的電站，年均發(fā)電量約87億kW·h，擁有616.74 m的高水頭和537.8 m高的壓力豎井，以及長達(dá)25 km的復(fù)雜輸水引水系統(tǒng)。CCS水電站主要包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道和地下廠房等，水電站建成后，其發(fā)電量可滿足厄瓜多爾72%的用電需求，使厄瓜多爾直接從電力進(jìn)口國變成電力出口國。

項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間要求非常緊迫，首部樞紐施工、輸水隧洞TBM掘進(jìn)及調(diào)蓄水庫庫盆開挖等直接制約工程總體建設(shè)進(jìn)度，同時(shí)施工圖要經(jīng)過黃河設(shè)計(jì)公司內(nèi)部、中國專家組、CCS設(shè)計(jì)院及墨西哥咨詢的多道異常嚴(yán)格的審查，BIM是高度認(rèn)可的溝通新方式，基于BIM模型基礎(chǔ)的多維度分析計(jì)算可直接滿足各方審查，使更多的專業(yè)棘手技術(shù)問題迎刃而解。

BIM+VR技術(shù)體系的應(yīng)用貫穿規(guī)劃、勘測、壩工、廠房、施工、機(jī)電、金屬結(jié)構(gòu)等眾多專業(yè)模塊，本文僅以CCS水電站廠房BIM設(shè)計(jì)和地下水輪機(jī)VR展示為例介紹BIM+VR技術(shù)的應(yīng)用。

3 BIM+VR技術(shù)應(yīng)用環(huán)境

3.1 實(shí)施方案

工程設(shè)計(jì)包含了概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。CCS項(xiàng)目在概念設(shè)計(jì)階段制定了詳細(xì)的BIM應(yīng)用方案[6]，涵蓋了規(guī)劃、勘測、壩工、廠房、機(jī)電和施工等專業(yè)：在基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，利用BIM參數(shù)化、模板化等技術(shù)手段建立首部樞紐（含泄洪閘、沉砂池及面板堆石壩等）、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫（輸水隧洞出口閘室、面板堆石壩、溢洪道及壓力管道進(jìn)口塔架等）、壓力管道、地下廠房洞群土建及機(jī)電金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備管線等BIM模型（見圖1）。

在設(shè)計(jì)中后期校審階段采用BIM+VR技術(shù)使設(shè)計(jì)人員以沉浸式的方式對(duì)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的空間合理性、碰撞檢測、美觀性等方面進(jìn)行檢查，確保設(shè)計(jì)的合理性與可行性，同時(shí)加深操作工人對(duì)專業(yè)部件安裝、運(yùn)行方面的理解。

3.2 應(yīng)用軟件與措施

該項(xiàng)目以CATIA軟件為BIM建模核心軟件，結(jié)合Substation、ANSYS等軟件進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，采用自上而下的協(xié)同骨架設(shè)計(jì)思路，以參數(shù)化為BIM建模核心，運(yùn)用知識(shí)工程快速構(gòu)建模板，最終與展示軟件無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)可視化預(yù)覽。

4 BIM+VR技術(shù)在CCS廠房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 難點(diǎn)分析

CCS水電站為徑流式電站，電站廠房為尾部式地下廠房，安裝8臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500MW。該工程發(fā)電水頭較高，且機(jī)組安裝高程較高，下游尾水不受下游河道水位的頂托影響。但是，CCS水電站原設(shè)計(jì)下游河道流量為1 600 m/s時(shí)，河道水位與機(jī)組安裝高程之差僅為2.6 m，而機(jī)組正常發(fā)電需要的該數(shù)值最小為3.8 m.再考慮原尾水洞約600 m水道長度產(chǎn)生的水頭損失，不采取特殊的工程措施將無法滿足要求。因此，對(duì)地下廠房系統(tǒng)建筑物的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，其穩(wěn)定性計(jì)算、邊坡計(jì)算等難度均大幅度提高。另外，業(yè)主對(duì)廠房等建筑物的內(nèi)部美觀性和合理性提出了較高要求，并對(duì)諸如水輪機(jī)等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況提出了仿真要求。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)或BIM三維設(shè)計(jì)難以滿足要求，BIM+VR技術(shù)體系可以為其提供有效支撐。

4.2 BIM+VR應(yīng)用路線

為滿足項(xiàng)目的要求，根據(jù)意大利ELC公司概念設(shè)計(jì)資料，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外地下廠房的設(shè)計(jì)做法及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了多項(xiàng)修改，最終決定將概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和VR查驗(yàn)四大階段作為BIM+VR技術(shù)體系整體的應(yīng)用路線。

概念設(shè)計(jì)階段的主要工作是廠房設(shè)計(jì)復(fù)核和方案比選，在結(jié)合南美地區(qū)習(xí)慣之后，為滿足施工進(jìn)度要求，對(duì)廠房進(jìn)行了如減高、增加安裝間等設(shè)計(jì)變更，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基本設(shè)計(jì)。在基本設(shè)計(jì)階段，依據(jù)《CCS水電站基本設(shè)計(jì)報(bào)告及國內(nèi)專家審查意見》等6項(xiàng)設(shè)計(jì)依據(jù)和200 a一遇洪水的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)壓力管道及地下廠房系統(tǒng)建筑物開展BIM設(shè)計(jì)，同時(shí)基于BIM設(shè)計(jì)階段建立的模型進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算等相關(guān)工作。在基本設(shè)計(jì)工作結(jié)束后，針對(duì)基本設(shè)計(jì)中每一條要求開展詳細(xì)深化設(shè)計(jì)，如重點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)的分析優(yōu)化、沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的物理試驗(yàn)等。最后通過VR技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑物、尾水洞、沖擊式水輪機(jī)等的合理性、美觀性、科學(xué)性進(jìn)行查驗(yàn)。廠房設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用路線具體內(nèi)容見表1。

4.3 BIM參數(shù)化建模

在進(jìn)行BIM+VR技術(shù)應(yīng)用路線的規(guī)劃后，針對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)中列舉的內(nèi)容展開BIM參數(shù)化建模。項(xiàng)目采用CATIA軟件作為BIM建模軟件，CATIA軟件提供了強(qiáng)大的參數(shù)化功能，從尺寸、骨架、曲線方程、模板、文檔的參數(shù)化，以及知識(shí)工程陣列、設(shè)計(jì)表參數(shù)、系列零件自動(dòng)解析等，解決了地下廠房支護(hù)方案設(shè)計(jì)、廠房等建筑物土建及機(jī)電管路設(shè)備的整體快速設(shè)計(jì)等，地下廠房洞室參數(shù)化建模如圖2所示。

在參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目融人了流程化設(shè)計(jì)思想與相應(yīng)的開發(fā)工具，以及大量標(biāo)準(zhǔn)化模板、規(guī)范規(guī)程、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等軟性知識(shí)，通過關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)建筑的自動(dòng)創(chuàng)建和優(yōu)化，解決了專業(yè)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與軟件的深層接口問題。

4.4 基于BIM模型的計(jì)算

在BIM模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)地下洞群圍巖、沖擊式水輪機(jī)等重要設(shè)計(jì)模塊展開數(shù)值分析與計(jì)算。其中，地下洞群圍巖的穩(wěn)定性分析是非常重要的一環(huán)，地下廠房洞群的三向薄巖壁問題加劇了主廠房與主變室之間圍巖的破壞性，圍巖穩(wěn)定問題突出。以地下廠房洞室BIM模型為計(jì)算基礎(chǔ)，根據(jù)開挖揭示地質(zhì)及監(jiān)測數(shù)據(jù)，在大型分析計(jì)算軟件中多次反饋分析，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，提出圍巖穩(wěn)定問題最佳解決方案，比傳統(tǒng)的計(jì)算模式更為直觀和準(zhǔn)確。

尾水洞的設(shè)計(jì)也是廠房設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)。該項(xiàng)目在BIM模型的基礎(chǔ)上首次提出了尾水有壓無壓工況穩(wěn)定分析，并基于此進(jìn)行虛擬仿真與實(shí)地仿真，填補(bǔ)了國內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)的空白，如圖3所示。

4.5 VR校審與展示

在BIM模型的基礎(chǔ)上，借助相應(yīng)的引擎與CATIA模型格式進(jìn)行無縫對(duì)接，通過附以與真實(shí)設(shè)計(jì)相一致的材質(zhì)，協(xié)助參建各方感知不同設(shè)計(jì)方案、色彩等配置方案，為設(shè)計(jì)師、業(yè)主提供更加真實(shí)的仿真環(huán)境。與此同時(shí)，借助VR技術(shù)預(yù)先感知質(zhì)量，確認(rèn)空間布局的合理性，檢查大型機(jī)械設(shè)備、管路等的可維修性。

此外，項(xiàng)目針對(duì)沖擊式水輪機(jī)制作了VR運(yùn)行仿真模型，模擬了沖擊式水輪機(jī)在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使得業(yè)主、設(shè)計(jì)師、參觀者等多方人員更加直觀地了解水輪機(jī)的相關(guān)情況，如圖4所示。

5 結(jié)語

以CCS水電站廠房設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)介紹了BIM+VR在其中多個(gè)模塊的深度應(yīng)用，該技術(shù)的應(yīng)用極大提高了工程設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、高效性和美觀性，顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。

鑒于BIM軟件接口不完善、工程復(fù)雜度強(qiáng)的因素，目前BIM+VR技術(shù)在水利水電工程行業(yè)的應(yīng)用仍較少，較為完善的應(yīng)用均處于項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，極少或不存在施工與運(yùn)維階段的應(yīng)用。因此，參照BIM技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用情況.BIM+VR在水利水電行業(yè)施工階段的應(yīng)用可作為下一階段重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

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