引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用

毛擁政 補(bǔ)舒棋 付登輝 蔣 銳 劉少龍 張春林 張中東

(1．陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710001; 2．成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，成都 610041；3.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710010)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

引漢濟(jì)渭工程是陜西省境內(nèi)的跨流域調(diào)水工程，工程設(shè)計(jì)年調(diào)水規(guī)模為15億m3，主要解決供水范圍內(nèi)的城市生活、工業(yè)生產(chǎn)用水問題，為國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程中的重點(diǎn)項(xiàng)目，重中之重。三河口水利樞紐是引漢濟(jì)渭工程的調(diào)蓄中心，位于佛坪縣大河壩鄉(xiāng)三河口村下游2km處，樞紐由大壩、泄洪消能、壩后供水系統(tǒng)、連接洞等工程組成。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高141.5m，總庫(kù)容7.1億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.6億m3，正常蓄水位643m，死水位558m。供水系統(tǒng)設(shè)兩臺(tái)水泵水輪機(jī)組裝機(jī)容量2.4萬千瓦，抽水設(shè)計(jì)流量18m3/s； 兩臺(tái)水輪機(jī)組裝機(jī)容量4.0萬千瓦； 并設(shè)兩臺(tái)減壓調(diào)流閥，設(shè)計(jì)流量31m3/s。工程總工期54個(gè)月，總投資52億元。布置效果圖如圖1所示。

1.2 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

樞紐大壩是國(guó)內(nèi)排名第二的高碾壓混凝土拱壩，采用的結(jié)構(gòu)為拋物線型雙曲拱壩，樞紐周邊地形地質(zhì)條件復(fù)雜，為滿足工程泄洪和興利的需要，壩身建筑物集中，所以空間布置及項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作量大。同時(shí)，設(shè)計(jì)采用了抽蓄機(jī)組和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組共用廠房方案，機(jī)電設(shè)備眾多。為滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要，一開始就明確了利用BIM技術(shù)解決工程設(shè)計(jì)中技術(shù)問題[1]，提高設(shè)計(jì)效率。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

制定項(xiàng)目的BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施過程中的工程量，對(duì)各專業(yè)人員分配相應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，保證專業(yè)間建模參數(shù)銜接，提高整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)行速度，能夠有效解決項(xiàng)目進(jìn)行過程中出現(xiàn)的問題，為項(xiàng)目的有序進(jìn)行提供有力的技術(shù)保障，并為以后建立電站設(shè)計(jì)平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。通過達(dá)索公司的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)ENOVIA[2]，實(shí)現(xiàn)線上協(xié)同作業(yè)，各專業(yè)建模參數(shù)層層傳遞，便于管理者實(shí)時(shí)查看項(xiàng)目進(jìn)度，統(tǒng)籌管理。

2.2 實(shí)施方案

根據(jù)樞紐區(qū)范圍完成地形及地質(zhì)的處理，搭建基礎(chǔ)應(yīng)用的條件，確定土建布置和控制點(diǎn)形成骨架控制后提交下游專業(yè)。利用CATIA設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建模型[3-4]，然后導(dǎo)入企業(yè)自主開發(fā)的參數(shù)化設(shè)備模型庫(kù)，快速拼裝完成工程建筑物體型設(shè)計(jì)。建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員根據(jù)骨架和控制資料，使用CATIA軟件同步進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)[5]，完成設(shè)計(jì)后導(dǎo)入總體模型中。其設(shè)計(jì)過程如圖2所示。

2.3 團(tuán)隊(duì)組織

三河口水利樞紐工程BIM小組由信息中心、地質(zhì)、水工、金屬結(jié)構(gòu)、建筑和機(jī)電全專業(yè)技術(shù)骨干組成，設(shè)有BIM負(fù)責(zé)人，BIM交付、運(yùn)維管理及技術(shù)指導(dǎo)，BIM數(shù)據(jù)組織及協(xié)同平臺(tái)管理以及各專業(yè)BIM設(shè)計(jì)人員，為本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用提供保障。

2.4 BIM軟硬件環(huán)境

BIM技術(shù)的應(yīng)用需要若干軟件相互協(xié)作共同完成，要求信息模型能在各軟件之間無損交換、無縫鏈接[6-7]，因此可選擇同系列的軟件相互配合以實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的應(yīng)用。目前國(guó)際上領(lǐng)先的三維軟件公司主要有歐特克、達(dá)索、奔特力等[8]，項(xiàng)目組在綜合考慮軟件性能、設(shè)計(jì)需求、施工模擬等因素后，選擇達(dá)索系列軟件作為主平臺(tái)[9]，其他軟件配合完成三河口水利樞紐的設(shè)計(jì)工作。本項(xiàng)目主要應(yīng)用的軟硬件如圖3所示。

圖3 主要應(yīng)用軟硬件

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM模型搭建

BIM模型的成功搭建可以讓BIM更加快速地應(yīng)用到項(xiàng)目中去[10]。本項(xiàng)目在BIM模型搭建中的工作主要有：地質(zhì)模型、水工建筑物模型、水機(jī)結(jié)構(gòu)模型、新設(shè)備模型、廠房建筑結(jié)構(gòu)模型、金屬結(jié)構(gòu)模型等的建立。本項(xiàng)目在實(shí)施開始前，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部先行制定了完整的BIM建模標(biāo)準(zhǔn)。ENOVIA協(xié)同平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)各專業(yè)人員協(xié)同作業(yè)，確保參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)能夠一致，項(xiàng)目管理者根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃成果與各專業(yè)綜合協(xié)調(diào)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)確定總體設(shè)計(jì)模型骨架后提交給各專業(yè)人員進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，各專業(yè)人員將設(shè)計(jì)好的模型導(dǎo)入虛擬產(chǎn)品管理(Virtual Product Management， VPM)和CATIA平臺(tái)，完成整體骨架的搭建。實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目分工合作，模型參數(shù)層層傳遞并由多個(gè)設(shè)計(jì)人員共同參與完成項(xiàng)目模型的搭建。骨架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 骨架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

3.2 BIM應(yīng)用情況

(1)地質(zhì)模型建立

利用地質(zhì)建模(Geological Object Computer Aided Design， GOCAD)軟件將地質(zhì)勘察的原始資料整理到GOCAD軟件中[11]，通過軟件和分析完成地質(zhì)模型的建立，并根據(jù)水利工程特點(diǎn)的需要建立了風(fēng)化模型和吸水率模型，滿足大壩設(shè)計(jì)需要。

三河口水利樞紐壩址位于變質(zhì)巖地區(qū)，斷層構(gòu)造發(fā)育，巖性多變，三維地質(zhì)建模工作較為復(fù)雜。巖體風(fēng)化關(guān)系著建基面開挖深度，因此也是地質(zhì)建模的一個(gè)重點(diǎn)，由于巖體風(fēng)化的數(shù)據(jù)主要來源與勘探點(diǎn)，將勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入GOCAD軟件，利用這些勘探點(diǎn)的風(fēng)化數(shù)據(jù)，即可生成樞紐區(qū)的巖體風(fēng)化界面三維空間分布，該界面在勘探點(diǎn)處與勘探數(shù)據(jù)完全吻合。水工使用地質(zhì)模型可以明確地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和風(fēng)化等情況，提升設(shè)計(jì)效率。地質(zhì)模型設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 地質(zhì)模型

(2)水工模型建立

項(xiàng)目進(jìn)行過程中建立了水工專業(yè)的專用模板庫(kù)、開發(fā)了參數(shù)化的模板，目前已建立水工模板50多個(gè)，利用骨架及模板化的方式進(jìn)行水工建筑物單體設(shè)計(jì)，快速完成建筑物布置三維設(shè)計(jì)方案。利用完成的建筑物模型設(shè)計(jì)BIM模型和地質(zhì)模型提供的風(fēng)化情況完成拱壩及樞紐其他建筑物開挖設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)圖紙已應(yīng)用到實(shí)際施工中并已完成壩肩及壩基開挖，與現(xiàn)場(chǎng)符合性良好，工程量準(zhǔn)確。大壩設(shè)計(jì)利用CATIA強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)能力，按水工設(shè)計(jì)的習(xí)慣，根據(jù)曲線方程形成拱圈，擬合形成拋物線型拱壩壩體，通過BIM軟件求出曲面交線，確定設(shè)計(jì)尺寸，減少手工計(jì)算工作，大大提高了設(shè)計(jì)效率，如圖6所示。

圖6 水工模型

(3)電氣設(shè)備模型

電氣專業(yè)設(shè)計(jì)人員從VPM平臺(tái)導(dǎo)出的水工建筑物布置方案的三維模型，采用博超BIM電氣設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。為抽蓄機(jī)組和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組采用共用廠房的設(shè)計(jì)，電氣設(shè)備眾多，復(fù)雜性和難度大大增加，針對(duì)三河口工程中的電氣設(shè)備多和密集的特點(diǎn)，進(jìn)行了一系列新設(shè)備建模工作，擴(kuò)充了已有的設(shè)備庫(kù)，并對(duì)新建立好的模型進(jìn)行了電氣屬性賦值，完工后將其導(dǎo)入到VPM中進(jìn)行總體拼裝。如圖7所示。

圖7 電氣結(jié)構(gòu)模型

(4)建筑結(jié)構(gòu)模型

建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程布置方案，在VPM平臺(tái)上同步進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，并將需要計(jì)算的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維有限元計(jì)算。利用BIM模型導(dǎo)入Simulation CFD中完成計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics， CFD)的數(shù)據(jù)模擬，完成副廠房會(huì)議室的氣流組織模擬，減少常規(guī)計(jì)算工作。如圖8所示。

圖8 建筑結(jié)構(gòu)模型

(5)金屬結(jié)構(gòu)模型

金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)人員按照本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程，依據(jù)閘門、鋼管控制條件，初步擬定其主要尺寸，利用模板參數(shù)化在VPM金屬結(jié)節(jié)點(diǎn)下完成裝配成閘門、鋼管和啟閉機(jī)，并將主要結(jié)構(gòu)件導(dǎo)入仿真計(jì)算軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后利用BIM生成工程圖。如圖9所示。

圖9 金屬結(jié)構(gòu)模型

4 應(yīng)用效果

(1)提供更加直觀的展示效果

在給業(yè)主進(jìn)行廠房參觀廊道的匯報(bào)時(shí)，為了達(dá)到更直觀的效果，三河口水利樞紐應(yīng)用CATIA DELMIA軟件在建成的廠房設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)的展示，并在空間匯出參觀線路，可讓參會(huì)人員對(duì)設(shè)計(jì)方案更好地理解，最后將建筑方案和設(shè)計(jì)的路線動(dòng)畫進(jìn)行剪輯方便溝通。視頻截圖如圖10所示。

圖10 視頻截圖

(2)對(duì)項(xiàng)目的方案進(jìn)行優(yōu)化

在對(duì)上蒲家溝的堆渣方案的選擇上，需要根據(jù)渣量的情況來進(jìn)行不同堆渣方案比選從而選擇出最適宜的堆渣方案，通過BIM技術(shù)可以很快地設(shè)計(jì)出可實(shí)現(xiàn)的方案，以供業(yè)主參考和決策。在渣場(chǎng)的選擇上，業(yè)主重點(diǎn)關(guān)心的是渣場(chǎng)面積、堆渣形狀和堆渣量等情況，如圖11所示。

圖11 方案優(yōu)化圖

(3)解決項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)問題

三河口拱壩開挖體型復(fù)雜，設(shè)計(jì)為復(fù)核現(xiàn)場(chǎng)開挖情況與設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，需要利用多軸無人機(jī)對(duì)大壩開挖情況進(jìn)行了三維測(cè)量，

形成的實(shí)測(cè)結(jié)果和設(shè)計(jì)BIM開挖模型進(jìn)行了比照，結(jié)果實(shí)際開挖和設(shè)計(jì)開挖線符合度很好，如圖12所示。

圖12 解決現(xiàn)場(chǎng)問題

圖13 工程統(tǒng)計(jì)

(4)對(duì)項(xiàng)目的工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

項(xiàng)目開發(fā)過程中需要進(jìn)行大量的工程計(jì)算，通過BIM技術(shù)能夠?qū)Ρ卷?xiàng)目涉及到的所有工程進(jìn)行整合統(tǒng)計(jì)，將設(shè)計(jì)模型拆分成單個(gè)零件進(jìn)而從下到上統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目所需的工程量，能夠給設(shè)計(jì)者更加精確的數(shù)據(jù)，同時(shí)也為本項(xiàng)目能夠順利完成保駕護(hù)航。其統(tǒng)計(jì)方法如圖13所示。

(5)CAD與CAE仿真計(jì)算結(jié)合

將CATIA建立好的水工建筑物等實(shí)體模型導(dǎo)入有限元仿真計(jì)算軟件，將模型的建立和工程計(jì)算有效地分割開來，這樣可以彌補(bǔ)有限元仿真計(jì)算軟件建模能力的不足同時(shí)也能讓有限元仿真計(jì)算軟件更好地進(jìn)行有限元的計(jì)算； 重要的建筑物模型需要通過有限元仿真計(jì)算，驗(yàn)證了建筑物的合理性，并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。如圖14所示。

圖14 計(jì)算結(jié)合

5 總結(jié)與展望

5.1 主要貢獻(xiàn)

(1)協(xié)同平臺(tái)管理項(xiàng)目

依托達(dá)索平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)實(shí)時(shí)、在線、協(xié)同、正向設(shè)計(jì)，確保數(shù)據(jù)源的唯一性和設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)性。各專業(yè)人員獲取到本專業(yè)所需的設(shè)計(jì)任務(wù)后在本地完成模型建立和參數(shù)優(yōu)化，然后將涉及好的模型導(dǎo)入到協(xié)同平臺(tái)中與其他專業(yè)的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行整合最終得到設(shè)計(jì)結(jié)果?；谧钚略O(shè)計(jì)產(chǎn)品全貌實(shí)時(shí)獲取，全方位及時(shí)把控設(shè)計(jì)進(jìn)度。

(2)巧妙使用三維模型

利用三維的地形模型進(jìn)行建筑的基礎(chǔ)開挖和開挖工程量計(jì)算； 直觀的地質(zhì)三維模型可以快速分析建筑物所處環(huán)境的地質(zhì)信息，使得各專業(yè)人員能夠了解到本專業(yè)設(shè)計(jì)模型所面臨的問題，以及與其他專業(yè)銜接時(shí)可能出現(xiàn)的狀況，讓各專業(yè)間的交流更加順暢，更便于進(jìn)行相應(yīng)的工程措施處理，提高了工作效率。

(3)水機(jī)設(shè)備模型庫(kù)建立

建立水機(jī)專業(yè)全套設(shè)備模型。建立院系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的水機(jī)設(shè)備庫(kù)、管路零件庫(kù)。設(shè)備庫(kù)目前已有球閥、蝶閥、電動(dòng)止回閥、止回閥、閘閥、油罐、氣罐、三通、離心泵、深井泵、供水泵、排水泵、空壓機(jī)、調(diào)速器、蝸殼、尾水管、發(fā)電機(jī)和混流式水輪機(jī)等，合計(jì)23種常用部件。通過系列化、參數(shù)化的建模入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各種口徑閥門的調(diào)用。

(4)電站設(shè)計(jì)平臺(tái)

本項(xiàng)目在BIM應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了一套綜合的電站設(shè)計(jì)平臺(tái)，將設(shè)計(jì)規(guī)范和已有的項(xiàng)目模板庫(kù)融入其中，實(shí)現(xiàn)了水利水電工程設(shè)計(jì)的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速化。

5.2 工程總結(jié)

引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐BIM項(xiàng)目整體模型展示，是模板庫(kù)建設(shè)、專業(yè)間協(xié)同和仿真分析等BIM工作的整合，BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)參數(shù)化模型庫(kù)設(shè)計(jì)，有限元仿真計(jì)算評(píng)估，標(biāo)準(zhǔn)化出圖使得自動(dòng)化協(xié)同程度提高，設(shè)計(jì)效率明顯提升； 為項(xiàng)目的差錯(cuò)檢查、三維分析、技術(shù)展示提供更真實(shí)、直觀的評(píng)估平臺(tái)，為業(yè)主及施工方提供了更加直觀簡(jiǎn)潔的工程管理平臺(tái)，為全生命周期的管理提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)。

BIM是一項(xiàng)新興技術(shù)，作為先進(jìn)水利水電建筑工程設(shè)計(jì)解決方案，將會(huì)在水電行業(yè)項(xiàng)目的全過程體系中廣泛應(yīng)用。隨著BIM技術(shù)應(yīng)用的推廣及發(fā)展，各專業(yè)間實(shí)際應(yīng)用的軟件必將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，使協(xié)同設(shè)計(jì)更加順暢。