(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,鄭州 450000)
蘇阿皮蒂水電站(地理坐標為北緯10°25′西經(jīng)13°15′)位于幾內(nèi)亞西部孔庫雷河河中游,距首都科納克里135km。水庫總庫容74.89億m3,裝機容量450MW,年發(fā)電量20億千瓦時,工程等別為Ⅰ等,工程規(guī)模為大(1)型,大壩為碾壓混凝土重力壩,最大壩高120m,項目建成后將扭轉(zhuǎn)幾內(nèi)亞國內(nèi)的能源短缺局面,讓幾內(nèi)亞由電力進口國成為電力出口國,工程效果圖如圖1所示,BIM模型如圖2所示,工程現(xiàn)狀如圖3所示。
圖1 工程效果圖 圖2 3D模型圖
圖3 電站施工現(xiàn)狀
本工程為國際工程,面臨的主要難點如下[1]:
(1)工期緊、任務(wù)重。2016年1月與幾內(nèi)亞政府簽訂融資—設(shè)計—采購—施工總承包F+EPC合同,合同工期只有58個月,與國內(nèi)同類工程相比短17個月,混凝土月澆筑高峰強度高達20×104m3。
(2)地質(zhì)條件復(fù)雜、需要動態(tài)調(diào)整設(shè)計。覆蓋層最大厚度45m,邊坡最大高度150m,巖石遇水軟化,存在軟弱夾層,地質(zhì)條件復(fù)雜,大壩穩(wěn)定、安全、投資問題突出,需要動態(tài)調(diào)整設(shè)計。
(3)建設(shè)環(huán)境苛刻、對設(shè)計的要求高。合同明確要求采用歐美標準,設(shè)計文件的實施須通過YREC(設(shè)計團隊)、CWE(總包方)、CTEB(分包商)、SECC(中方監(jiān)理)、TEF(法國咨詢)的層層評審; 水泥、粉煤灰、鋼材等大宗材料、設(shè)備及零配件均需從國外進口,采購運輸周期至少6個月,存在極大的工期風險。
(4)施工人員理解設(shè)計意圖能力不足。施工人員有2/3為當?shù)毓蛦T,文化水平低、專業(yè)技能差,他們理解設(shè)計意圖的能力不足。
為解決工程面臨的難點,項目組決定以3DE平臺及自主開發(fā)的設(shè)計信息管理系統(tǒng)為依托,實現(xiàn)項目設(shè)計全階段的正向?qū)崟r協(xié)同設(shè)計,并進一步延伸設(shè)計服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈,為項目全生命周期提供重要支撐,實現(xiàn)可交付的工程數(shù)字化資產(chǎn),借助“一帶一路”的戰(zhàn)略平臺,助力“中國元素”,“中國技術(shù)”、“中國標準”、“中國品質(zhì)”走向國際舞臺。
針對本項目的BIM應(yīng)用特點,從可研階段、初設(shè)階段至施工圖階段全階段進行BIM設(shè)計,項目實施前,研究制定符合水利水電行業(yè)的BIM設(shè)計階段劃分標準,當模型的精細程度和設(shè)計深度滿足變更設(shè)計階段的條件時,程序自動判斷并跳入下一設(shè)計階段,在設(shè)計周期內(nèi),模型不是間斷的,是具有連續(xù)性的,這樣可以提升模型成果的連續(xù)應(yīng)用和使用效率?;贓NOVIA在本地進行項目管理,管理項目的人力資源及設(shè)計成果,所有的設(shè)計成果均儲存于云服務(wù)器上,確保數(shù)據(jù)的可追溯性。對于施工現(xiàn)場,采用自主開發(fā)的信息管理程序進行現(xiàn)場文檔的管理,避免現(xiàn)場設(shè)計文檔的管理混亂問題,在設(shè)計信息的管理上提高標準。
為確保項目能如期實現(xiàn),本項目由公司董事長主管、工程院院長主抓、項目經(jīng)理負責,BIM設(shè)計執(zhí)行團隊成員均為各專業(yè)設(shè)計技術(shù)骨干,全程參與該項目的設(shè)計工作,同時擁有豐富的BIM理論及實戰(zhàn)經(jīng)驗,避免設(shè)計團隊與BIM團隊分離問題。
蘇阿皮蒂水電站工程BIM設(shè)計的成功實施,在于團隊嚴格執(zhí)行公司的BIM標準,公司編制了《3DE協(xié)同設(shè)計規(guī)程》、《地理位置及地形建立手冊》、《資源庫管理手冊》、《三維校審流程》、《設(shè)計文件版本變更細則》、《三維標注及工程圖規(guī)范》等BIM標準,針對設(shè)計權(quán)限的管理、協(xié)同設(shè)計平臺的建設(shè)、項目文檔管理、不同設(shè)計階段文件版本升級、地形地質(zhì)建模、二維圖紙等做了嚴格要求,確保項目在全階段特別是施工圖階段能實現(xiàn)可用于施工的精細化模型、工程量、圖紙的同步鏈接,為項目開展正向設(shè)計提供技術(shù)準則。
在軟件方面,本項目最主要的協(xié)同軟件為法國達索公司最新3DEXPERIENCE平臺, 3DE是在CATIA V5的基礎(chǔ)上進行拓展,具有更強的專業(yè)性、高效性、可擴展性的先進設(shè)計平臺,結(jié)合其他諸如CATIA V5、CATIA Composer、ANSYS、ABAQUS、Visual Studio等商用軟件,通過自主開發(fā)的接口程序,實現(xiàn)BIM信息的共享。
圖4 協(xié)同設(shè)計構(gòu)架
在硬件方面,所有BIM工程師配備惠普塔式工作站,中央處理器為Intel(R)E3-1270,顯卡配置為NVIDIA Quadro P2000,內(nèi)存2×16G DDR4-2400,系統(tǒng)硬盤配置256G固態(tài)硬盤。
在可研階段、初設(shè)階段和施工圖階段全階段,基于3DEXPERIENCE平臺開展規(guī)劃、地質(zhì)、水工、廠房、施工、機電、金結(jié)、造價等多專業(yè)實時正向設(shè)計,不同階段模型精細度和復(fù)雜程度在不斷深化,到施工圖階段時,整體模型存儲空間高達3.2G。
在可研階段,主要完成壩型、壩線方案的比選工作,采用參數(shù)化模型快速建立不同壩線及壩型的大壩外形模型。在初設(shè)階段,確定壩型、壩線方案后,在其對應(yīng)的外形模型的基礎(chǔ)上進行詳細加工處理,形成帶電氣、金結(jié)等設(shè)備的詳細模型,在施工圖階段延續(xù)初設(shè)階段的詳細模型,實施進一步精細化處理,進行精準壩基開挖設(shè)計,混凝土合理分區(qū),電氣設(shè)備布置,管線等設(shè)計,并形成工程量BOM表格,最終生成二維施工圖紙,用于施工。
(1)基于3DE平臺的實時正向協(xié)同設(shè)計
依托3DE平臺,可以實現(xiàn)各專業(yè)實時在線協(xié)同作業(yè); 模板、族庫[2]等知識庫資源都存在于服務(wù)器,保證數(shù)據(jù)源的唯一性; 基于模型全貌的實時獲取,能夠?qū)υO(shè)計進度及時把控,基于在線工作用戶信息管理,及時了解項目占用人力資源情況, 3DE平臺的協(xié)同設(shè)計架構(gòu)如圖4所示。
目前BIM應(yīng)用大多停留在依據(jù)CAD的翻模,翻模是BIM發(fā)展的一個過程,有它積極的作用,我們在水利水電工程中應(yīng)用BIM進行正向設(shè)計,目的在于發(fā)掘BIM真正的價值[3-4]。本項目的正向設(shè)計過程主要是:依據(jù)三維地勘數(shù)據(jù),建立地形地質(zhì)模型,多專業(yè)實時在線協(xié)同,建立不同階段的BIM模型,項目管理層在線進行設(shè)計進度把控和設(shè)校審,全面掌控動態(tài)設(shè)計數(shù)據(jù),最終實現(xiàn)出圖和指導施工,具體設(shè)計過程如圖5所示。
(2)企業(yè)級資源庫建設(shè)
完善并豐富企業(yè)級資源庫,拓展了常用的土建庫,形成標準的GB/IEC機電庫,到目前為止總?cè)霂炝慵_20 000多個,標準的參數(shù)化模型400多個,實現(xiàn)各專業(yè)部之間知識最大化共享,減少重復(fù)勞動,提高企業(yè)資源利用率。
(3)重力壩智能設(shè)計
將設(shè)計規(guī)范和公司自有的知識工程結(jié)合起來,自主開發(fā)重力壩智能設(shè)計程序,實現(xiàn)重力壩設(shè)計的規(guī)范化、智能化,能快速完成重力壩的設(shè)計。本程序能讓新員工快速上手,將工程師從繁雜的制圖中解放出來,更加致力于重力壩本身的創(chuàng)新性設(shè)計當中。
(4)復(fù)雜壩基開挖優(yōu)化
圖5 正向設(shè)計流程
圖6 開挖方式對比圖
圖7 泄流底孔壩段優(yōu)化設(shè)計
在以往的開挖設(shè)計中,在土巖分界面附近,只能按簡化的單一坡度進行開挖,若按土層進行開挖,開挖邊坡緩、邊坡設(shè)計保守,若按巖層進行開挖,開挖邊坡陡、工程量雖省但邊坡不安全[5],采用BIM技術(shù),在土巖分界面附近精準開挖,根據(jù)現(xiàn)場實際揭露的地質(zhì)情況,實時動態(tài)調(diào)整地質(zhì)模型和開挖設(shè)計,既能保證邊坡的穩(wěn)定,又能保證工程量的最優(yōu)化,具體的壩基開挖方式對比如圖6所示。包括以下幾個方面:
1)泄流底孔壩段優(yōu)化
采用BIM模型、CFD計算模型、物理模型進行相互驗證,發(fā)現(xiàn)流道邊墻存在摻氣不充分的問題,將會嚴重影響建筑物的質(zhì)量安全和使用壽命,通過反復(fù)調(diào)整模型,直到滿足摻氣要求,保證設(shè)計成果的安全性和可靠性,具體過程優(yōu)化過程如圖7所示。由于結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜,根據(jù)BIM模型、有限元模型、三維配筋模型進行壩體三維配筋設(shè)計,實現(xiàn)模型共享,提高設(shè)計質(zhì)量和效率,鋼筋出圖時間由傳統(tǒng)的2個月縮短為1個月,設(shè)計文件一次性通過咨詢審批。
2)弧形閘門優(yōu)化設(shè)計
閘門設(shè)備由中國生產(chǎn)制造,運輸至幾內(nèi)亞項目現(xiàn)場安裝,設(shè)計、制造加運輸時間長,一旦產(chǎn)品出現(xiàn)問題返廠將延誤工期至少6個月,代價巨大。利用資源庫,快速組建閘門BIM模型,運用DMU運動仿真,解決閘門運動干涉問題,使閘門在出廠前滿足設(shè)計要求,保證工期如期實現(xiàn),具體如圖8所示。
圖8 弧形閘門優(yōu)化設(shè)計
3)大型設(shè)備吊裝工藝模擬
水電站轉(zhuǎn)子起吊是機電設(shè)備安裝具有里程碑意義的環(huán)節(jié),轉(zhuǎn)子作為全廠設(shè)備最重件(約310t),其安裝前和機組檢修時的放置位置的板梁結(jié)構(gòu)需根據(jù)設(shè)備重量精確計算,一旦位置出現(xiàn)偏差,將導致廠房結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞,且在轉(zhuǎn)子吊裝過程中,跨越體型較大的定子機座,需要提前設(shè)定轉(zhuǎn)子的運動軌跡。通過對水電站的轉(zhuǎn)子起吊過程進行可視化模擬,對優(yōu)化廠房的空間結(jié)構(gòu),節(jié)省工程量,指導業(yè)主及施工單位制訂轉(zhuǎn)子吊裝工藝流程,提高吊裝精度,減少誤操作,具有重要的意義[6],吊裝模擬過程如圖9所示。
圖9 大型設(shè)備吊裝工藝模擬
4)基于BIM的設(shè)計信息管理系統(tǒng)開發(fā)
結(jié)合BIM、互聯(lián)網(wǎng)和先進的圖形顯示引擎,自主研發(fā)設(shè)計信息管理系統(tǒng),將輕量化BIM模型與現(xiàn)場設(shè)計文檔相關(guān)聯(lián),實現(xiàn)模型的交互式查詢,實時更新、查看任意時刻設(shè)計進度、施工進度的輕量化模型,實現(xiàn)設(shè)計文件的數(shù)字化交付,將設(shè)計圖文檔管理、設(shè)代日志、設(shè)計變更每周例會等進行管理,逐漸形成可追溯的大數(shù)據(jù),提升項目整體設(shè)計管理水平,設(shè)計信息管理系統(tǒng)界面如圖10所示。
圖10 設(shè)計信息管理系統(tǒng)界面及功能
基于3DE平臺的協(xié)同正向設(shè)計,確保了數(shù)據(jù)源唯一性、方案最優(yōu)性、實現(xiàn)了設(shè)計進度的把控、人力資源的管理。通過本項目的積累,豐富并完善了企業(yè)資源庫,新增庫文件2 000余個,庫文件總量達2萬量級,標準的參數(shù)化模型達400多個。開發(fā)重力壩智能設(shè)計程序,實現(xiàn)重力壩設(shè)計的規(guī)范化、智能化,快速化,設(shè)計時間縮短3個月?;贐IM的設(shè)計信息管理系統(tǒng)開發(fā),規(guī)范了如設(shè)計圖紙、設(shè)計變更、設(shè)計通知、計算書等設(shè)計信息的管理,提升項目整體管理水平,溝通效率提升70%。通過壩基的開挖優(yōu)化,節(jié)省開挖量23.8×104m3,直接節(jié)省投資152.79萬美元,減少開挖工期3個月。對壩體及閘門的優(yōu)化分析計算,節(jié)省了設(shè)計時間1個月,爭取工期4個月,避免工期延誤6個月。
(1)依托3DE平臺實現(xiàn)多專業(yè)實時、在線、協(xié)同、正向設(shè)計,確保數(shù)據(jù)源的唯一性和設(shè)計方案的最優(yōu)性,基于最新設(shè)計產(chǎn)品全貌的實時獲取,全方位及時把控設(shè)計進度,基于在線工作用戶信息,及時了解項目占用資源和人力成本消耗實現(xiàn)設(shè)計全過程數(shù)據(jù)管理,開創(chuàng)了數(shù)字設(shè)計業(yè)務(wù)全新的工作模式;
(2)自主研發(fā)重力壩智能設(shè)計程序,將設(shè)計規(guī)范和公司自有知識工程融入其中,實現(xiàn)了水利水電工程設(shè)計的智能化、標準化、快速化;
(3)自主開發(fā)應(yīng)用可交付的“基于BIM的設(shè)計信息管理系統(tǒng)”,為水利水電工程的BIM應(yīng)用提供了有利的支撐平臺和可借鑒的實踐經(jīng)驗。
(1)公司現(xiàn)有的BIM標準體系還存在一些不足的地方,還需要進一步規(guī)范標準;
(2)三維校審在檢測模型的碰撞問題上有很強的優(yōu)勢,但在檢查模型的樁號、尺寸、角度等具體設(shè)計細節(jié)方面沒有CAD直觀,原因在于CAD校審時有大量的標注信息做參考,如何更方便三維校審是下一步需要繼續(xù)研究的問題。