國外某水電站數(shù)字化設計應用探討

皮漫 曾理 屈潔

摘 要：經(jīng)過多年的技術積累及軟件工具的逐漸完善，BIM技術應用在大中型水電站設計過程中的可行性越來越高。通過項目實施，也能反映出當前BIM應用中的薄弱點，以便反饋技術流程體系中的問題，為進一步延伸BIM技術在水電工程中的應用價值提供參考。本文以國外某水電站BIM設計應用為基礎，論述項目實施過程中，如何通過技術手段來提高BIM設計效率。

關鍵詞：BIM；水電站；工程設計

中圖分類號：TV736 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0095-03

Discussion on Digital Design and Application of a

Hydropower Station Abroad

PI Man ZENG Li QU Jie

（Power China Northwest Engineering Corporation Limited，Xi'an Shaanxi 710065）

Abstract： After years of technology accumulation and the gradual improvement of software tools， the application of BIM technology in the design process of large and medium-sized hydropower stations is becoming more and more feasible. Through the implementation of the project， it can also reflect the weakness of the current BIM application， so as to feedback the problems in the technical process system， and provide a reference for further extending the application value of BIM technology in hydropower projects. Based on the application of BIM design in a hydropower station abroad， this paper discussed how to improve the efficiency of BIM design through technical means in the process of project implementation.

Keywords： BIM；hydropower station； engineering design

1 項目介紹

該水電站位于非洲中南部，主要建筑物包括首部碾壓混凝土重力壩、壩后生態(tài)小機、右岸引水隧洞、調壓井及地面廠房。大壩壩頂高程581m，最大壩高130.5m。安裝5臺混流式機組，總裝機容量750MW。項目總工期為51個月，項目合同為EPC模式。為提高生產(chǎn)效率，保證設計質量，決定采用三維設計手段對電站主體建筑物進行施工圖設計。同時，也通過項目實踐積累建立起完整的BIM設計流程體系。本文主要探討技術實現(xiàn)方式。

2 實施流程

工程BIM設計主要使用的軟件包括CATIA、VPM及基于2種軟件所做的二次開發(fā)程序。CATIA實現(xiàn)模型建立，VPM實現(xiàn)模型共享，輔助開發(fā)程序實現(xiàn)工程出圖。軟件功能覆蓋設計全流程。具體實施流程如下。

①建立模型總體架構。模型總體架構包括實體模型中所有部分，通過對模型結構進行梳理，建立起標準的模型架構。通過二次開發(fā)程序將水電工程中的工程劃分方式嵌入軟件中，只需要手動選擇即可實現(xiàn)零件名稱的命名，避免了人為查詢，提高了效率[1]。模型架構建立需要遵循以下原則。第一，按照工程類別進行劃分；第二，考慮模型的聯(lián)動性；第三，重復使用標準化構件；第四，有利于模型的專業(yè)協(xié)同性；第五，模型顆粒度滿足出圖及管理需要；第六，有利于模型的重復適用性。

②梳理參數(shù)與骨架關系，建立項目涉及的專業(yè)模型及設備零件庫。水電站設計專業(yè)包括結構、建筑、水機、電氣、金結、暖通、給排水和地質等多種專業(yè)。本文以結構、建筑、水機、暖通等專業(yè)為基礎進行BIM設計。其中的水工模板庫包括碾壓重力壩相關模板、地面廠房相關模板和鋼管相關模板等基本資源[2]。水機及暖通管材型號、水泵、閥門、彎頭和盤柜等根據(jù)國標建立標準構件庫。

③編制項目實施流程圖。原有的設計保障體系是建立在原有設計方式上的，在項目三維設計實施過程中，設計質量及進度保障體系還未完全建立并驗證。為保障設計質量、進度可控，盡量保留原有設計流程。只在設計、校審過程中采用正向設計方式，即先完成三維設計模型，并對模型進行校審，再完成設計圖紙及計算等任務。專業(yè)間的協(xié)同設計主要采用在線實時協(xié)同設計，在模型設計過程中，完成設計質量的檢查。

④建立標準化配套文件。標準化配套文件主要包括模型基本顯示樣式表、出圖標準、標準化環(huán)境文件等。通過使用標準化文件，實現(xiàn)模型的統(tǒng)一顯示及表達。

通過建立以上配套文件及相應的流程方法，通過技術手段使其設計流程標準化，使設計過程可控。

3 項目實施

3.1 首部樞紐應用

CATIA為全參數(shù)化設計工具，知識工程模塊可將設計知識、規(guī)范、經(jīng)驗融入設計模板中，實現(xiàn)智能化設計。與廠房工程相比，樞紐工程結構相對簡單，且樞紐體型設計主要由水工專業(yè)進行設計，除地質受限外，較少受其他專業(yè)限制，所以建立全參數(shù)化的智能設計模板成為可能。設計之初，就將首部樞紐建立為全參數(shù)化、全關聯(lián)的碾壓重力壩設計模板作為項目實施的目標，為以后快速建立碾壓重力壩模型提供基礎模板。

大壩設計模型包括：溢流壩段、擋水壩段、開挖邊坡、建基面、廊道、大壩混凝土分區(qū)、壩體橫縫、止水、小機進水口和壩頂構造等模型信息。溢流壩段還包括閘墩、混凝土分層分塊、欄桿、爬梯、鋼平臺等模型信息。理清參數(shù)關系是建立模板的首要工作。一般情況下，壩體建基面是根據(jù)壩體橫縫位置來建立的：靠近河床部位，建基面坐落在弱風化下限；靠近大壩兩端，建基面可坐落在強風化下限。根據(jù)基本設計知識，建立全自動化的建基面模板。建模基本算法如下：

Linea=Line（pointa，direct，lengtha，lengthb）

Pointc1=Extremum（linea ，direct，0）

Pointc2=Extremum（linea ，direct，1）

Pointd1=Extremum（lineb ，direct，0）

Pointd2=Extremum（lineb ，direct，1）

……

Lineab=Line（linea，lineb）

……

CVRVE=assembly（linea，lineab ……）

Direct即為壩軸線方向，以分縫面、地質風化面與壩軸線的交點為基礎，保持此交點[x]、[y]值不變，對其[z]值取整，即為pointa的坐標。lengtha和lengthb為馬道在壩體橫縫兩側的寬度。循環(huán)上述算法，可自動完成建基面模型的建立。通過參數(shù)可調整建基面局部參數(shù)，以滿足設計要求。

采用建基面、壩體橫縫、壩段基本斷面可完成擋水壩段設計；采用建基面、壩體橫縫、壩段基本斷面可完成止水的自動設計，止水類型可預先設置單止水或雙止水形式，根據(jù)需要進行選擇[3]。

開挖設計無論對于原有的二維設計還是三維設計，相比其他部位都較為復雜。傳統(tǒng)二維設計，首先需要切地質剖面，再根據(jù)地質剖面定出開挖坡比。而大壩上下游起坡位置為空間曲線，傳統(tǒng)設計無法直接定位出邊坡走向，設計中需要反復計算及依靠輔助線才能定出邊坡走向。另外，邊坡馬道受大壩建基面馬道的影響，應與大壩馬道保持一致。邊坡模板根據(jù)設計需求建立，起坡點在壩趾外側，邊坡底部起始高程為建基面馬道高程，坡頂為上一段建基面馬道高程，邊坡走向根據(jù)邊坡坡比自動計算。依次連接邊坡模板，形成全封閉開挖面，最終將開挖面與地形面進行布爾運算得到開口線。開挖設計利用開挖面間的幾何關系及CATIA強大的參數(shù)化計算能力，實現(xiàn)自動計算，且開挖面與建基面、壩體斷面相互關聯(lián)，在建基面調整、壩體斷面優(yōu)化過程中，上下游邊坡可自動更新，減少修改量，保證了設計質量，提高了設計效率。

通過運用BIM技術手段對首部樞紐進行設計，需要注意以下問題：①大壩骨架盡量細化，名稱表達準確，用表格參數(shù)控制大壩骨架；②采用知識工程將設計過程進行封裝，減少建模流程；③模板參數(shù)應當細化，方便修改；④以骨架為基準，搭建模型。首部設計模型如圖1所示。

3.2 調壓井設計

調壓井采用1洞5管進行布置，即1條引水隧洞經(jīng)過調壓井分為5條發(fā)電洞，調壓井內發(fā)電洞進口處布置檢修門及事故閘門，檢修平臺位于調壓井底部，通過交通洞與外界相連。調壓井結構布置復雜。

原有二維設計較難表達調壓井體型，容易造成設計失誤。平面圖紙也難以向業(yè)主咨詢，施工單位進行設計交底。采用三維設計可有效查看設計體型，方便查找設計缺陷。使用模型進行設計交底，施工交底，也便于施工技術人員快速理解設計方案，制訂施工方案。

調壓井體型根據(jù)不同部位及功能進行模型劃分，最后進行布爾運算。

調壓井主要有以下構件：調壓井筒體；井口構件；底板及阻抗板；閘墩；流道；門槽及二期；廊道；上下游連接隧洞；附屬構件：插筋、欄桿、爬梯等。

3.3 廠房設計

3.3.1 土建設計。廠房協(xié)同設計專業(yè)多，對協(xié)同流程、任務分工、三維校審都有新的要求，是項目設計的關鍵所在。廠房整體模型可由地面廠房單位工程模板根據(jù)水機接口參數(shù)自動生成。施工階段，模型架構已根據(jù)地面廠房模板自動生成，細部設計與水機、電氣、暖通、給排水等專業(yè)進行協(xié)同設計，并布置交通及排水設施。具體內容包括建立設備基礎一期或二期混凝土，為機電管路在混凝土結構上進行開孔，布置插筋、樓梯及欄桿，進行專業(yè)間的碰撞檢查，完成設計出圖等工作 。

原有協(xié)同方式為簡單讀圖方式，即專業(yè)圖紙間的交換。三維協(xié)同設計則對設計內容進行劃分，建立了初步的數(shù)據(jù)及模型交付標準，利用計算機強大的檢索能力提取專業(yè)間所需要的批量數(shù)據(jù)，減少了因人為讀圖而產(chǎn)生的錯漏等問題，提高了協(xié)同效率。

廠房細部設計過程中，大量使用數(shù)字化知識工程模板建立構件。如樓梯、爬梯、插筋及重復性調用工具等模板，建模工作主要為調用模板及修改參數(shù)的過程。

廠房的協(xié)同設計有效避免了設計失誤帶來的專業(yè)碰撞等常見問題，減少了施工反復，全真的仿真模型也方便進行設計優(yōu)化。以軸測圖為主的工程表達方式漸為主流，方便快速使業(yè)主與施工人員理解設計方案。

3.3.2 機電管路設計。根據(jù)廠房結構，布置機電設備，完成機電設備布置后，通過建立點線的方式建立管路管線，完成管線后，對管線進行管徑及材質的確定。根據(jù)彎頭及管路接頭位置建立特殊構件。

相比于傳統(tǒng)的二維設計，三維管路設計更加直觀，方便查詢管路走向，避免管路“打架”，也更利于機電管路及橋架的出圖表達。

在機電管路設計中要注意的問題主要包括：①設備零件需求較大，應建立充足的零件庫；②上游資料仍然以傳統(tǒng)二維方式表達，應該探索三維交付；③對于非標設備，應建立全參數(shù)化模型并入庫；④協(xié)同應實時跟進，保持各專業(yè)的協(xié)調一致性。

4 經(jīng)驗及存在的問題

項目完全可采用三維設計手段建立全信息化模型，項目模型集成了所有設計信息，且初步具備數(shù)字化移交基礎。知識的重復性使用，通過數(shù)字化技術，逐步提高智能化設計手段，是項目BIM設計應用的核心價值。通過搭建完整的信息模型，為進一步提高數(shù)字化技術水平提供了實踐經(jīng)驗。通過該項目的應用，積累了多種知識工程模板及BIM應用經(jīng)驗，對提高下一項目BIM應用提供了實戰(zhàn)基礎。通過實戰(zhàn)，也暴露了以下問題。

①軟件工具問題。項目所使用的軟件不是專門為土木工程行業(yè)所設計的，且出圖功能還比較弱。二次開發(fā)工具也未大規(guī)模應用，功能比較欠缺。工程人員在將設計模型轉化為工程圖的過程中耗費較多精力 。

②設計理念。部分人員還不能接受三維數(shù)字化理念，對工程實施前所制定的標準還不能接受，質量控制方式仍然以工程圖為準，個人經(jīng)驗與標準化流程存在沖突。

③個人素質。部分專業(yè)及主要建筑物設計人員的技術水平在項目前期影響了項目實施的進度。主要原因在于三維設計應用較少，還無法獨立完成三維設計任務 。

針對以上主要問題，加大軟件工具的研發(fā)或者升級，從上至下建立健全的三維設計組織體系，提前策劃設計流程，協(xié)商解決項目實施過程中所遇到的問題，避免用傳統(tǒng)設計的標準來判定數(shù)字化設計成果。引導更多的人員使用是提高項目三維設計水平的唯一途徑。

5 結論

該水電站施工階段采用BIM設計提高了項目設計質量，也提升了設計效率。同時也暴露了BIM全應用過程中所遇到的問題，通過發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、總結經(jīng)驗，為后續(xù)項目開展BIM應用奠定了良好的基礎，也為設計施工一體化的實施及全數(shù)字化交付提供了項目實踐經(jīng)驗。最終可利用BIM為設計服務增值。

參考文獻：

[1]汪亞超，李小帥，黃艷芳，等.基于CATIA的水工結構制圖標準控制方法研究[J].人民長江，2014（1）：77-81.

[2]胡挺，吳立軍.CATIA二次開發(fā)技術基礎發(fā)與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]北京兆迪科技有限公司.CATIAV5R20實例寶典[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.