BIM 技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

張 偉

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安710001）

0 引言

水利工程的實際設(shè)計工作較為繁瑣，體現(xiàn)在二維圖紙中的信息較為復(fù)雜，需要經(jīng)驗極為豐富的從業(yè)人員經(jīng)大量工作后方能獲得具體形態(tài)，且項目的產(chǎn)品信息修改困難、設(shè)計協(xié)同困難、設(shè)計周期及產(chǎn)品質(zhì)量不可控。通過BIM 技術(shù)的使用可以實現(xiàn)工程的信息化查詢和設(shè)計的協(xié)同修改，運用BIM 技術(shù)的節(jié)點控制，對關(guān)鍵位置進行施工放樣，可優(yōu)化施工組織設(shè)計，提高工程質(zhì)量，盡可能的減少返工，進而縮短工期，從而保證施工交底效果并完善后期的運維管理。再者，對于地形條件比較復(fù)雜的水利工程來說，開挖、回填量巨大，土方量的計算的精準度就與工程的最終造價有著密切的關(guān)聯(lián)。運用BIM 對工程進行全部子項建模，實現(xiàn)全元素的信息化查詢和關(guān)鍵節(jié)點控制[1]，同時，精確完成土方的開挖、回填量計算，完成信息化工程管理，以達到方便后期運維管理的目的。

1 采用BIM 技術(shù)原因

1.1 方便結(jié)構(gòu)計算

由于項目大多地處山谷地帶，地質(zhì)條件較為特殊，因此常規(guī)結(jié)構(gòu)計算無法滿足設(shè)計周期要求，因而利用BIM 軟件功能，完成結(jié)構(gòu)地基布置及配筋計算[2]，可大大減少設(shè)計時間。

1.2 方便設(shè)備管路檢查

項目中包含各專業(yè)的管路布置（采暖熱力管網(wǎng)、給水排水管網(wǎng)、雨水收集措施、消防管網(wǎng)、鍋爐燃油管網(wǎng)、生活熱水管網(wǎng)及太陽能熱水管網(wǎng)等)，廠區(qū)及各單體中有大量管道交叉位置，利用BIM 軟件空間特性，完成各管道專業(yè)的碰撞檢查，可大大優(yōu)化設(shè)計方案。

1.3 滿足綠色建筑分析及模擬要求

為滿足綠色建筑要求，進行一系列綠色建筑分析及模擬，采用BIM 技術(shù)對該部分工作具有決定性的作用，如對空調(diào)房間進行的室內(nèi)氣流組織模擬分析、建筑物的采光及日照分析、庫區(qū)總體規(guī)劃的熱島及噪聲分析等。

1.4 指導(dǎo)施工，保證施工的正確性與設(shè)計信息的完整性

利用BIM 軟件骨架化的模式進行參數(shù)化設(shè)計，以實際的施工順序作為其設(shè)計順序，可以做到“畫一步做一步”，切實的指導(dǎo)施工流程，利用Navisworks 系列軟件完成4D 施工流程的模擬，發(fā)現(xiàn)并解決施工難點，大大減小施工難度，縮短施工時間。

1.5 滿足運營管理需要

通過BIM 技術(shù)指導(dǎo)施工完成后，輸出composer 末端信息查詢系統(tǒng)，強化BIM 思維，將為業(yè)主提供更為科學(xué)先進的管理技術(shù)及經(jīng)驗。

2 BIM 技術(shù)的實際應(yīng)用

BIM 技術(shù)除應(yīng)用到全設(shè)計階段外，更可以輔助完善整個項目的各個階段：設(shè)計、施工、設(shè)備安裝和運營管理。對施工及安裝方來說，BIM 的可視化功能，同時增加4D 信息，進行多時間段的虛擬施工，可以優(yōu)化施工組織設(shè)計。

自啟動BIM 計劃以來，一直致力于在水利工程中推廣BIM技術(shù)，先后完成了引漢濟渭三河口水利樞紐BIM 設(shè)計、陜西省延安南溝門水庫管理站BIM 設(shè)計、延安黃河引水工程BIM 設(shè)計、陜西省涇河?xùn)|莊水利工程BIM 設(shè)計等。

2.1 引漢濟渭三河口水利樞紐工程

在該項目前期策劃中，將BIM 技術(shù)使用該項工程的具體勘察設(shè)計工作中，并且由于CATIA 良好的建模能力和數(shù)據(jù)管理能力，最終確定該軟件為該項目的BIM 操作平臺。通過VPM平臺完成各專業(yè)的協(xié)同工作，利用多種設(shè)計軟件完成各專業(yè)（勘察測繪、土方開挖、場地規(guī)劃和道路建設(shè)）的三維建模任務(wù)（見圖1）等、設(shè)計和分析等工作，提高設(shè)計效率，簡化設(shè)計流程，精確模型細節(jié)，使工程的實際展現(xiàn)更為直觀?；贐IM 理念的解決方案幫助該項目的參與人員，在多方面可以利用形成的BIM 模型，以數(shù)字化的方式進行分析計算[3]。該應(yīng)用使參建各方共享成文信息，避免了相關(guān)方的矛盾，減少了人力、資本等不必要的浪費。

圖1 三河口電站廠房土建BIM 模型

在該項目中，BIM 技術(shù)輔助完成了綠色建筑的分析工作。由于項目所在地地處深山之中，多數(shù)設(shè)計參數(shù)無法獲得，因而無法進行常規(guī)數(shù)據(jù)計算與模擬[4]。通過BIM 模型，利用Simulation CFD 等分析軟件進行模型分析使的綠色建筑的參數(shù)分析有了可能，并獲得了較好的效果，見圖2。

圖2 三河口電站副廠房中控室空調(diào)系統(tǒng)氣流組織模擬

2.2 陜西省延安南溝門水庫管理站工程

在南溝門管理站BIM 設(shè)計的過程中，建筑專業(yè)利用Autodesk Revit Architecture 完成綜合樓的BIM 模型，同時利用CATIA 軟件完成附屬廠房的BIM 模型；利用CATIA 軟件平臺，機電專業(yè)（包括采暖、通風(fēng)、空調(diào)、動力、給水排水、電氣、消防等）建立完備的機電設(shè)備模板庫，最終完成整個廠區(qū)的BIM設(shè)計工作。利用Autodesk Navisworks 軟件完成漫游視頻文件的制作。最后利用VR 技術(shù)完成漫游視頻的虛擬現(xiàn)實展現(xiàn)，使得整體設(shè)計在移動端完美的表達了設(shè)計師的設(shè)計理念，見圖3～圖6。

作為BIM 技術(shù)與綠色建筑技術(shù)結(jié)合較為成功的一個案例，該項目于2015 年7 月經(jīng)過陜西省綠色建筑專家委員會評審?fù)ㄟ^，達到“一星”綠色建筑設(shè)計標識，其模型渲染效果圖見圖7。

圖3 走廊漫游模擬

圖4 外立面漫游模擬

圖5 鍋爐設(shè)備間漫游模擬

圖6 附屬設(shè)備間漫游模擬

圖7 南溝門管理站廠區(qū)BIM 模型渲染效果圖

2.3 延安黃河引水工程

在延安黃河引水工程延水關(guān)一二級泵站的設(shè)計過程中，由于項目所在地區(qū)域跨流域、廠區(qū)高差較大、地質(zhì)條件復(fù)雜，建筑、暖通、給排水等專業(yè)BIM 小組全部采用常規(guī)設(shè)計流程足以達到設(shè)計要求，動力專業(yè)首先利用CATIA 軟件進行管道及地溝分布布置，設(shè)置不利檢測點，然后利用鴻業(yè)管道及管廊軟件對布置進行分析，得出管道水力計算參數(shù)及溝壁受力分析數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)獲得各檢測點參數(shù)，參數(shù)達到規(guī)范要求后得出最終布置方案（見圖8～圖9）。而這種處理問題的能力是常規(guī)設(shè)計所不具備的。

圖8 延水關(guān)一二級站BIM 模型渲染效果圖

圖9 延水關(guān)一二級站熱力管溝BIM 模型布置圖

2.4 陜西省涇河?xùn)|莊水利工程

涇河?xùn)|莊水利工程BIM 設(shè)計中，本次設(shè)計范圍包含地下引水發(fā)電系統(tǒng)BIM 設(shè)計和地上110kV 及GIS 樓BIM 設(shè)計。在該次設(shè)計任務(wù)中，包含以下主要目標：利用BIM 技術(shù)指導(dǎo)設(shè)計，分各階段選擇適宜的技術(shù)措施；總結(jié)提煉水利行業(yè)“節(jié)能建筑”設(shè)計理念，研究適合于我省水利行業(yè)的節(jié)能技術(shù)措施并加以推廣[5]；作為我省水利行業(yè)的頭號重點項目，推動使用并促進BIM 技術(shù)的發(fā)展，并依托BIM 設(shè)計流程展示實際施工過程，以解決實際施工過程中遇到的問題。

項目中通過參數(shù)化墻體的模板（見圖10）建立，完成了墻體的節(jié)能計算的數(shù)據(jù)化處理，從各種保溫材料的可視化處理，到保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度等數(shù)據(jù)的添加。為今后做建筑的整體性節(jié)能計算奠定了基礎(chǔ)。墻體結(jié)構(gòu)中各層的材料，厚度，導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的添加，方便節(jié)能計算。熱阻θ＝L/（λS）式中：λ 是導(dǎo)熱系數(shù)，L 是材料厚度或長度，S 是傳熱面積。物體對熱流傳導(dǎo)的阻礙能力，與傳導(dǎo)路徑長度成正比，與通過的截面積成反比，與材料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。EXCEL 表格數(shù)據(jù)處理輔助模板的使用，使得通過軟件完成保溫經(jīng)濟厚度的計算成為可能，見圖11。

圖10 GIS 樓墻體參數(shù)化模板

圖11 GIS 樓墻體保溫計算輔助工具

表1 BIM 設(shè)計項目信息統(tǒng)計表

3 技術(shù)創(chuàng)新分析與統(tǒng)計

在以上各水利水電工程中，全部采用了BIM 設(shè)計流程完成了實際的建模工作。在設(shè)計思維上，同樣完成了傳統(tǒng)二維思維向三維設(shè)計思路的轉(zhuǎn)變。各項目中相應(yīng)參數(shù)及應(yīng)用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

4 結(jié)語

水利工程施工及設(shè)備安裝條件復(fù)雜，且相關(guān)方信息重復(fù)利用率較低，通過使用BIM 技術(shù)設(shè)立水利專業(yè)的BIM 模型能有效利用既有條件完成信息的共享工作。同時，利用BIM 技術(shù)的優(yōu)勢，更加精確計算土方的開挖、回填量，同時完成地質(zhì)模型的建立，為方案的進一步確定奠定了良好的基礎(chǔ)。但是現(xiàn)階段由于軟件的推廣及應(yīng)用尚處于開始階段，針對于水利水電工程的BIM 參數(shù)化模板較少，因此在構(gòu)建相應(yīng)的BIM 模型時，應(yīng)根據(jù)實際需要，完善水利工程專用的參數(shù)化模板庫，并大力提高模板庫中模板的重復(fù)利用率。

通過上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，BIM 技術(shù)在大中型水利水電工程中的使用在行業(yè)內(nèi)還比較缺少，因此，BIM 技術(shù)在水利水電行業(yè)中的推廣需進一步開展。同樣的，BIM 技術(shù)在方案決策階段，可以提供精確、參數(shù)化的設(shè)計模型，對及時發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化設(shè)計，簡化施工流程，減少資源浪費有著巨大的實際意義。同時，BIM模型中工程量的提取和工程施工模擬，方便了工程的經(jīng)評有效控制和施工進度管理，同時也將顯著提高水利水電工程的信息化程度。