三維BIM技術(shù)在孟底溝水電站可研設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與思考

摘 要：作為高山峽谷地區(qū)的大型水電工程，孟底溝水電站布置有高拱壩、大型地下洞室群及復(fù)雜場(chǎng)內(nèi)交通等建筑物，具有牽扯面廣、投資大、專業(yè)性強(qiáng)等特性，本文將從三維BIM技術(shù)在項(xiàng)目可研設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過(guò)程著手，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用成效，淺談BIM技術(shù)在水電工程設(shè)計(jì)中的作用和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：BIM；孟底溝水電站；可研設(shè)計(jì)；

孟底溝水電站是雅礱江中游七級(jí)開發(fā)方案中的第五個(gè)梯級(jí)，上游與楞古梯級(jí)銜接，下游與楊房溝梯級(jí)銜接。電站樞紐區(qū)位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣與涼山彝族自治州木里藏族自治縣交界的雅礱江干流上，采用壩式開發(fā)。本工程為一等工程，工程規(guī)模為大（1）型，電站壩址位于孟底溝溝口下游約0.3km處，樞紐布置格局為：混凝土拱壩+壩身5個(gè)表孔和4個(gè)中孔（全壩身泄洪）+下游水墊塘二道壩+左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)+右岸2條導(dǎo)流洞。

作為高山峽谷地區(qū)的大型水電工程，孟底溝水電站布置有高拱壩、大型地下洞室群和復(fù)雜場(chǎng)內(nèi)交通等建筑物，具有牽扯面廣、投資大、專業(yè)性強(qiáng)等特性。其中，全壩身泄洪高拱壩結(jié)構(gòu)布置困難、大型地下洞室群空間交錯(cuò)復(fù)雜、機(jī)電設(shè)備多且管線密集、建筑結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣尤為突出，傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方法，已無(wú)法直觀的從圖紙上展示設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，可能造成各專業(yè)之間結(jié)構(gòu)布置錯(cuò)漏碰缺、工程量漏記或重計(jì)、投資浪費(fèi)等現(xiàn)象出現(xiàn)。隨著基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)在水電工程設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，為有效的解決上述問(wèn)題提供了機(jī)遇，通過(guò)基于BIM技術(shù)的Catia、Revit等三維設(shè)計(jì)軟件，建立各專業(yè)協(xié)同工作平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)正向三維模型建立，為下游各專業(yè)提供含有BIM信息的布置條件圖，既增加專業(yè)溝通，實(shí)現(xiàn)了工程信息的緊密連接，又通過(guò)三維出圖，提高了工作效率。

1 孟底溝項(xiàng)目三維BIM設(shè)計(jì)概述

1.1 項(xiàng)目三維BIM設(shè)計(jì)生產(chǎn)管理

在項(xiàng)目可行性研究設(shè)計(jì)階段，專門成立了孟底溝項(xiàng)目三維數(shù)字化工作小組，使三維協(xié)同工作開展目的明確、緊扣生產(chǎn)需要，科學(xué)有序。

1.2 項(xiàng)目三維BIM設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)

孟底溝項(xiàng)目部組織了可行性研究設(shè)計(jì)階段三維工作策劃會(huì)，明確了總體目標(biāo)、工作分工、工作方式、模型邊界、設(shè)計(jì)精度、進(jìn)度要求等，要求做到正向設(shè)計(jì)、科學(xué)優(yōu)化、成效顯著

2 BIM在孟底溝水電站可研設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孟底溝工程在可研階段，結(jié)合設(shè)計(jì)工作需要，及時(shí)開展三維設(shè)計(jì)工作，在緊張的設(shè)計(jì)進(jìn)度要求下，大力推動(dòng)了孟底溝項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，加強(qiáng)了專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、極大程度上減少了設(shè)計(jì)過(guò)程中的“錯(cuò)、漏、碰、缺”。下面列出了孟底溝工程關(guān)于三維地質(zhì)模型、樞紐布置、參數(shù)化設(shè)計(jì)、工程量、負(fù)責(zé)空間關(guān)系檢查等11個(gè)方面的三維設(shè)計(jì)主要工作內(nèi)容。

2.1 壩區(qū)復(fù)雜地形地質(zhì)模型建立

復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，采用傳統(tǒng)的二維分析難度大，周期長(zhǎng)，且難以全面、完整、準(zhǔn)確地判斷、分析、表達(dá)復(fù)雜的客觀地質(zhì)條件。

如何準(zhǔn)確反映孟底溝水電站樞紐區(qū)風(fēng)化、卸荷等地質(zhì)信息，反映斷層、蝕變帶、巖脈等極為復(fù)雜的空間關(guān)系，是本工程地形地質(zhì)模型建立的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)空間關(guān)系的梳理、建模過(guò)程中的復(fù)核檢查，孟底溝三維地形地質(zhì)模型全面、準(zhǔn)確地反映了樞紐區(qū)工程地質(zhì)條件。

2.2 綜合地形地質(zhì)條件和工程建筑物特點(diǎn)進(jìn)行樞紐建筑物的布置設(shè)計(jì)

（1）水工建筑物

充分結(jié)合實(shí)際地形、地質(zhì)條件，以“盡量避開不利地質(zhì)構(gòu)造，并有利于樞紐整體布置”的條件，開展樞紐建筑物的布置設(shè)計(jì)。在對(duì)高拱壩、三大地下洞室進(jìn)行三維布置設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合模型中展示的建筑物與主要斷層及結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系，可快速?gòu)?fù)核相對(duì)位置關(guān)系并及時(shí)調(diào)整其空間布置。

大壩、水墊塘和二道壩與主要地質(zhì)構(gòu)造模型關(guān)系圖 地下廠房三大洞室與主要地質(zhì)構(gòu)造模型關(guān)系圖

（2）導(dǎo)流建筑物

在對(duì)施工導(dǎo)流建筑物進(jìn)行三維設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際地形地貌和大壩樞紐建筑物的布置，可快速調(diào)整導(dǎo)流建筑物的空間布置，并對(duì)多方案導(dǎo)流建筑物布置進(jìn)行快速的比選，以達(dá)到施工導(dǎo)流建筑物布置最優(yōu)化。

（3）工程樞紐建筑物三維協(xié)同建模

在地形地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合拱壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、施工導(dǎo)流及場(chǎng)內(nèi)交通等樞紐建筑物布置條件，通過(guò)三維協(xié)同建模，較直觀的展示了孟底溝水電站可研階段設(shè)計(jì)成果。

2.3 高拱壩復(fù)雜結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

對(duì)大壩、壩身孔口、開挖等復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用了參數(shù)化建模，便于模型后期應(yīng)用靈活、修改調(diào)整便利。

（1）高拱壩體形參數(shù)化建模

利用《統(tǒng)一二次曲線拱壩壩體自動(dòng)建模方法研究與程序開發(fā)》成果實(shí)現(xiàn)可視化的拱壩體形設(shè)計(jì)。以體形設(shè)計(jì)成果為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)將拱壩設(shè)計(jì)成果導(dǎo)入CATIA，在CATIA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)拱壩的三維自動(dòng)化建模。將體形設(shè)計(jì)和自動(dòng)化建模功能封裝、集成為一個(gè)便捷、友好、易操作的模塊。

（2）壩肩高邊坡開挖參數(shù)化設(shè)計(jì)

孟底溝拱壩、纜機(jī)平臺(tái)和下游水墊塘開挖工程設(shè)計(jì)，通過(guò)建立udf模板、編制工具程序，實(shí)現(xiàn)了全參數(shù)化、自動(dòng)化開挖建模，以及相關(guān)剖面圖紙和參數(shù)的提取。

（3）壩身復(fù)雜孔口群參數(shù)化設(shè)計(jì)

大壩壩身孔口設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，本次孟底溝壩身孔口通過(guò)大量參數(shù)及關(guān)系建立，完成壩身孔口的參數(shù)化模型，可以進(jìn)行模型的參數(shù)化修改調(diào)整，提高后期壩身孔口設(shè)計(jì)效率。

2.4 大壩基礎(chǔ)處理三維設(shè)計(jì)

針對(duì)孟底溝壩區(qū)對(duì)拱壩主要的不利地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合其空間實(shí)際展布，開展壩基淺表混凝土置換塊、基礎(chǔ)深部洞井網(wǎng)格等處理措施三維設(shè)計(jì)。通過(guò)三維模型可以檢查基礎(chǔ)處理與地質(zhì)構(gòu)造之間空間關(guān)系的正確性，并可以對(duì)基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)進(jìn)行可視化快速調(diào)整。

2.5 工程量提取

傳統(tǒng)的工程量計(jì)算主要采用“斷面法”，剖面多，計(jì)算量大，且隨剖面數(shù)量多少，計(jì)算結(jié)果差異較大。孟底溝可研階段，對(duì)工程土建投資影響較大的大體積混凝土、開挖支護(hù)等采用三維模型計(jì)提相關(guān)數(shù)據(jù)，以滿足可研階段工程量計(jì)算精度要求，避免了因計(jì)算誤差造成后期工程量的調(diào)整。endprint

2.6 不同專業(yè)工作接口三維協(xié)同設(shè)計(jì)

樞紐建筑物三維模型直觀、空間關(guān)系明朗，有助于正確理解工程設(shè)計(jì)成果，是專業(yè)內(nèi)部之間、不同專業(yè)之間過(guò)程中“設(shè)計(jì)交底”的利器。孟底溝水電站可研設(shè)計(jì)工作，充分利用三維建模的優(yōu)點(diǎn)，高效的推動(dòng)各專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

2.7 復(fù)雜空間關(guān)系檢查和修正

孟底溝水電站地下廠房洞室群和大部分主要場(chǎng)內(nèi)交通位于左岸山體，空間關(guān)系復(fù)雜，采用三維模型設(shè)計(jì)，避免了建筑物空間關(guān)系的“錯(cuò)、漏、碰、缺”問(wèn)題。本次建模過(guò)程中，在排風(fēng)洞與第一層排水廊道三維設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)洞室間存在碰撞，后將第一層排水廊道抬高，使兩洞室空間錯(cuò)開，及時(shí)解決了問(wèn)題。

2.8 圍堰分區(qū)

通過(guò)本次孟底溝水電站施工導(dǎo)流建筑物的三維設(shè)計(jì)，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)上下游圍堰進(jìn)行材料分區(qū)建模，直觀方便的了解圍堰各部位的建筑材料構(gòu)成，通過(guò)與地形面的運(yùn)算后，還能夠快速計(jì)算出填筑圍堰的各建筑材料的表面積和體積，方便指導(dǎo)實(shí)際水電工程的施工。

2.9 三維出圖

Catia、Revit軟件提供了高效、直觀和交互的工程繪圖系統(tǒng)，其功能滿足二維設(shè)計(jì)和工程繪圖的需求。這兩款軟件均可以從3D零件或裝配件自動(dòng)生成相關(guān)聯(lián)的2D工程圖紙，包括視圖、尺寸和標(biāo)注。用戶還可以將圖案與零件材質(zhì)規(guī)范關(guān)聯(lián)起來(lái)并利用標(biāo)準(zhǔn)的修飾特征添加后生成的標(biāo)注。2D圖紙與3D主模型之間的關(guān)聯(lián)性使用戶可以進(jìn)行設(shè)計(jì)和標(biāo)注的并行工作，較好的提高了設(shè)計(jì)出圖工作效率。

3 應(yīng)用思考

通過(guò)BIM技術(shù)在孟底溝水電站可研階段設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以看出其對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升有較明顯的效果。從建模過(guò)程看，有較為清晰的設(shè)計(jì)思路，才能制作出可行的模型，因此，從模型設(shè)計(jì)開始，設(shè)計(jì)思考即開始，建模過(guò)程中實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的成果，可以對(duì)設(shè)計(jì)成果有直觀的感受，加上依據(jù)模型快速生成投影、剖面等技術(shù)，不同于二維設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)間分配到繪制結(jié)構(gòu)線、標(biāo)注、尺寸等方面，三維模型設(shè)計(jì)可以更多的關(guān)注如空間位置、相對(duì)位置、結(jié)構(gòu)等方面，甚至建筑物的體量也可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，可以對(duì)主要工程量有更直觀的感受。另外，作為設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源，在經(jīng)歷不同階段的校審后，模型的精度和準(zhǔn)確度是一個(gè)逐步提高的過(guò)程，后續(xù)的生產(chǎn)工作提供了高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，校審點(diǎn)與傳統(tǒng)的二維圖設(shè)計(jì)會(huì)存在較大的區(qū)別，可以減少諸如結(jié)構(gòu)剖面失誤等問(wèn)題，在設(shè)計(jì)深度較深，模型準(zhǔn)確度較高情況下，一定程度上可以節(jié)省制圖和圖紙校核時(shí)間。在模型空間展示的直觀效果下，前期的模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳遞更為有效，失誤更少，更方便新的設(shè)計(jì)人員快速介入項(xiàng)目，而且新人員介入生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的把握更加有效。

工程量的統(tǒng)計(jì)可以更加智能，在模型數(shù)據(jù)質(zhì)量符合模型質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行工程量提取可以釋放設(shè)計(jì)人員的體力以及精力分配，提高工程兩方面的統(tǒng)計(jì)效率。

通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中充分有效的應(yīng)用參數(shù)化建模思路，可以快速有效的歸集設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)的設(shè)計(jì)及模型動(dòng)態(tài)調(diào)整降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)成果在以模型動(dòng)態(tài)更新的方式移交業(yè)主時(shí)可以更加直觀，更有說(shuō)服力。

4 結(jié)論

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，考慮到項(xiàng)目建設(shè)方對(duì)工程運(yùn)營(yíng)期的可控性等隱性增值服務(wù)的需求，早期設(shè)計(jì)精細(xì)程度和深度在加深，設(shè)計(jì)時(shí)間也被壓縮，充分利用BIM三維模型的快速建模以及其他如快速提取工程量、三維出圖等實(shí)用功能，來(lái)提升設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)成果質(zhì)量是十分必要的。在分析完善三維模型等數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的基礎(chǔ)上，應(yīng)大力推動(dòng)BIM在項(xiàng)目全生命周期的擴(kuò)展應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：

張順利（1979-），男，河南信陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事水工廠房設(shè)計(jì)工作。endprint