已建水電站三維建?；鶞?zhǔn)設(shè)定研究

陳璐瑩

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告中提出“建設(shè)數(shù)字中國、智慧社會(huì)”的戰(zhàn)略要求?！秶窠?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》明確指出“推進(jìn)能源與信息等領(lǐng)域新技術(shù)深度融合”、“加快推進(jìn)能源全領(lǐng)域、全環(huán)節(jié)智慧化發(fā)展”要求。國內(nèi)核電、國網(wǎng)公司已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付，采用先進(jìn)的管理思想、強(qiáng)大的管理功能、領(lǐng)先的開發(fā)技術(shù)，完善的信息管理系統(tǒng)，對工程全生命周期的數(shù)字化進(jìn)行全過程管理。對于規(guī)模大、生命周期長、具有系統(tǒng)性和綜合性的水利工程而言，隨著現(xiàn)代水利工程的體量和復(fù)雜程度的不斷增長[1]，在水電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的全生命周期中，易造成信息的協(xié)同性差[2]，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)更新不及時(shí)，產(chǎn)生“信息孤島”[3]。加快推進(jìn)智慧水利，明顯提升水利信息化水平，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)理念和數(shù)字化技術(shù)為國家水治理體系和治理能力的現(xiàn)代化提供有力支撐與強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)成為當(dāng)務(wù)之急[4]。

BIM不僅代表建筑信息模型(Building Information Modeling)，也包含了建筑信息管理(Building Information Management)，是以集成各類相關(guān)信息的三維模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的數(shù)字化技術(shù)。但目前提到BIM，仍主要指代建筑信息模型(BIM模型)。建筑信息模型是水電站數(shù)字化升級和智慧化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)[5]，為數(shù)字孿生技術(shù)提供模型支持，具有信息多元化、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)、協(xié)同合作等優(yōu)點(diǎn)[6- 8]，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段的全生命周期信息流通和數(shù)據(jù)傳遞[9- 10]。建筑信息模型的復(fù)雜程度取決于運(yùn)行管理要求的精細(xì)度，運(yùn)行管理要求越細(xì)數(shù)據(jù)信息模型越復(fù)雜。

對于已建電站來說，其數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求非常迫切。建立數(shù)字化電站可以還原前期工程項(xiàng)目信息模型，形成工程技術(shù)電子資產(chǎn)并進(jìn)行優(yōu)化管理，通過歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行不同維度的數(shù)據(jù)分析，為工程后期調(diào)度管理、技術(shù)改造提供參考意見，使得電站在運(yùn)維階段提高管理效率，節(jié)約運(yùn)維成本。由于大部分已建電站在設(shè)計(jì)、施工過程并未進(jìn)行BIM實(shí)施，竣工交付產(chǎn)品中也不包含BIM模型，因此，已建電站數(shù)字化轉(zhuǎn)型的第一步就是建立電站BIM模型。建立BIM模型的常用方式有兩種：根據(jù)圖紙進(jìn)行的三維建模和結(jié)合無人機(jī)、點(diǎn)云等技術(shù)的掃描建模[5,11]。對于根據(jù)圖紙進(jìn)行三維建模這一方法而言，水電站涉及專業(yè)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此竣工圖紙量龐大。如何實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同作業(yè)，進(jìn)行高效、完整地建模、總裝是亟待解決的問題。

進(jìn)行各專業(yè)協(xié)同建模的基礎(chǔ)是在建模工作開展前統(tǒng)一建?；鶞?zhǔn)。本文以向家壩水電站為例，分析現(xiàn)有建?；鶞?zhǔn)的優(yōu)勢和不足之處，探討已建電站三維建模基準(zhǔn)的設(shè)定方法。

1 向家壩水電站現(xiàn)狀分析

向家壩水電站位于云南省昭通市水富市與四川省宜賓市敘州區(qū)交界的金沙江下游河段上，是金沙江下游梯級開發(fā)中最后一級水電站。工程樞紐主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、沖排沙建筑物、左岸壩后引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)、通航建筑物及灌溉取水口等組成。其中攔河大壩為混凝土重力壩，電站廠房分列兩岸布置，泄洪建筑物位于河床中部略靠右側(cè)，一級垂直升船機(jī)位于左岸壩后廠房左側(cè)，灌溉取水口位于兩岸岸坡壩段，沖沙孔和排沙洞分別設(shè)在升船機(jī)壩段的左側(cè)及右岸地下廠房的進(jìn)水口下部。最大壩高161.00m，壩頂長度909.26m，兩岸廠房各安裝4臺(tái)750MW機(jī)組，地下廠房跨度31.00m，一級垂直升船機(jī)最大提升高度114.20m。壩址控制流域面積45.88萬km2，占金沙江流域面積的97%，多年平均徑流量3810m3/s。水庫總庫容51.63億m3，調(diào)節(jié)庫容9億m3，回水長度156.6km。

向家壩電站由于建設(shè)較早，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)和施工單位均未提交BIM成果。雖已建立數(shù)字檔案系統(tǒng)，但是多數(shù)為PDF掃描圖紙或CAD二維圖紙，且不能把設(shè)備相關(guān)的各類信息，從多個(gè)維度進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢，降低了工作效率。向家壩電站亟待進(jìn)行資產(chǎn)數(shù)字化提升，建立關(guān)聯(lián)了技術(shù)文檔、工藝系統(tǒng)、空間位置、質(zhì)量安全、單元工程及組織結(jié)構(gòu)等多維度信息的三維模型，并在此基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)電站各類運(yùn)行維護(hù)應(yīng)用，結(jié)合應(yīng)用場景發(fā)揮其在工程建設(shè)、樞紐管理、電站管理和流域調(diào)度等方面的作用。

向家壩電站布局及建筑物與三峽電站相似，左岸為壩后式廠房，右岸為地下廠房，并設(shè)置有升船機(jī)。向家壩電站的BIM模型實(shí)施范圍為擋水建筑物(左岸非溢流壩、沖沙孔壩段、升船機(jī)壩段、壩后廠房壩段、泄水壩段、右岸非溢流壩)，泄洪消能建筑物，沖排沙建筑物，左岸壩后引水發(fā)電系統(tǒng)(進(jìn)水口、引水鋼管、主廠房、副廠房及戶內(nèi)式開關(guān)站)，右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)(進(jìn)水口、引水隧洞、尾水隧洞、主廠房、主變洞、電纜豎井及地面副廠房、地面開關(guān)站)和通航建筑物(上游引航道、上閘首、塔樓段、下閘首和下游引航道)，主要包含基礎(chǔ)處理、壩體機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備安全檢測、建筑等。各單位工程對應(yīng)的具體實(shí)施范圍詳見表1。

表1 向家壩水電站BIM模型實(shí)施范圍

根據(jù)向家壩水電站的竣工圖紙來看，各單位工程具有獨(dú)立的定位軸網(wǎng)。對于大壩部分而言，主要以壩中心線作為縱向定位軸線，壩軸線作為橫向定位軸線；對于廠房而言，以安裝間和廠房相接處作為縱向定位軸線，以機(jī)組中心線作為橫向定位軸線；進(jìn)水口則以進(jìn)水口中心線作為縱向定位軸線，除此之外，尾水洞、排沙洞、進(jìn)廠交通洞等均有獨(dú)立的定位軸網(wǎng)系統(tǒng)。

2 建模基準(zhǔn)設(shè)定

2.1 現(xiàn)有建?；鶞?zhǔn)

各專業(yè)協(xié)同作業(yè)建立BIM模型的第一步就是統(tǒng)一建模基準(zhǔn)，但就目前的標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施情況來看，主要是以一個(gè)標(biāo)段或者一個(gè)單位工程來建立建?；鶞?zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)在于同一單位工程統(tǒng)一建?；鶞?zhǔn)，可以滿足該單位工程各專業(yè)協(xié)同作業(yè)的要求，且各單位工程相對獨(dú)立。對于在建電站而言，在不同的設(shè)計(jì)和施工階段，需要水工、金結(jié)、電氣、給排水、暖通、建筑等多專業(yè)反復(fù)進(jìn)行變更確認(rèn)。其中任一專業(yè)的方案變更都會(huì)影響到其他專業(yè)[12]。而一般建模基準(zhǔn)是以特征點(diǎn)為基點(diǎn)，在設(shè)計(jì)、施工過程中，該特征點(diǎn)也存在變更的可能性，因此對于在建水電站，采用一個(gè)單位工程一個(gè)建?；鶞?zhǔn)的方式有利于模型的修改變更，不會(huì)對其他部分和整體產(chǎn)生較大的影響。但其缺點(diǎn)是需要在收集齊各單位工程模型后，再次進(jìn)行定位和總裝。此時(shí)由于各單位工程已集成各專業(yè)模型，導(dǎo)致模型數(shù)量多，構(gòu)件多，在移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作過程中易造成構(gòu)件的丟失且對計(jì)算機(jī)配置要求高。除了在建模工作開始前各單位工程統(tǒng)一建模基準(zhǔn)外，也存在各建模人員各建各的，以自己的習(xí)慣進(jìn)行模型建立(比如以原點(diǎn)為控制點(diǎn)進(jìn)行建?；蜃远x軸網(wǎng))，這對各專業(yè)分裝和模型總裝都帶來了巨大的困難，即使后期統(tǒng)一了建?；鶞?zhǔn)，需要各建模人員對模型進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生重復(fù)勞動(dòng)且浪費(fèi)時(shí)間精力。

在三維建模中，常用的基準(zhǔn)定位方式有兩種：控制點(diǎn)坐標(biāo)定位和軸網(wǎng)定位?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)定位的優(yōu)點(diǎn)是精確度高，滿足絕對位置，但由于控制點(diǎn)數(shù)位多，在建模過程中建模人員容易輸錯(cuò)，從而導(dǎo)致模型偏差，且不利于各專業(yè)協(xié)同作業(yè)。軸網(wǎng)定位是根據(jù)各單位工程中特征位置建立軸網(wǎng)，例如向家壩左岸壩后廠房以機(jī)組中心線作為定位軸網(wǎng)，進(jìn)水口則以進(jìn)水口中心線作為縱向定位軸線等。軸網(wǎng)定位的優(yōu)點(diǎn)是單位工程內(nèi)的相對位置明確，便于水工、電氣、水機(jī)、暖通、給排水和建筑等各專業(yè)協(xié)同建模，但絕對位置不明，需要在總裝中進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整。此外，水電站中的許多廊道、管道等存在彎段，尾水渠、泄水渠等存在放坡，僅利用軸網(wǎng)定位無法進(jìn)行精細(xì)化地建模，需要借助控制點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。

2.2 適用于已建電站的“控制點(diǎn)+定位軸網(wǎng)”建?；鶞?zhǔn)

對于向家壩水電站而言，由于其已經(jīng)竣工交付并投入使用，各單位工程平面位置已知，控制點(diǎn)坐標(biāo)(絕對位置)已知，定位軸網(wǎng)(相對位置)已知，因此，可采用“控制點(diǎn)+定位軸網(wǎng)”的建?；鶞?zhǔn)方式來實(shí)現(xiàn)快速、高效地圖紙建模，具體方法如下。

2.2.1“控制點(diǎn)+定位軸網(wǎng)”建立整體建?；鶞?zhǔn)

首先根據(jù)平面布置圖的控制點(diǎn)確定各單位工程的絕對位置，再由各單位工程的定位軸網(wǎng)確定建筑物的相對位置，形成一套完整包含控制點(diǎn)坐標(biāo)信息和各單位工程定位軸網(wǎng)信息的向家壩水電站建?；鶞?zhǔn)。在該建模基準(zhǔn)中，擋水建筑物(左岸非溢流壩段、沖沙孔壩段、升船機(jī)壩段、壩后廠房壩段、泄水壩段和右岸非溢流壩段)，泄洪消能建筑物，沖排沙建筑物和通航建筑物(上游引航道、上閘首、塔樓段、下閘首和下游引航道)共用大壩定位軸網(wǎng)；左岸壩后引水發(fā)電系統(tǒng)(進(jìn)水口、引水鋼管、主廠房、副廠房及戶內(nèi)式開關(guān)站)和右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)(進(jìn)水口、引水隧洞、尾水隧洞、主廠房、主變洞、電纜豎井及地面副廠房、地面開關(guān)站)的定位軸網(wǎng)則由各自機(jī)組中心線確定的廠房定位軸網(wǎng)、進(jìn)水口中心線確定的進(jìn)水口定位軸網(wǎng)和不同的隧洞軸網(wǎng)組成。各個(gè)定位軸網(wǎng)均由控制點(diǎn)控制，處于絕對位置。該建?；鶞?zhǔn)需要建立于各專業(yè)建模人員開始建模前，形成對整個(gè)工程的位置把控。

2.2.2各單位工程按建?；鶞?zhǔn)建模

各單位工程從上一步驟建立的建?；鶞?zhǔn)中提取所需的部分。由于向家壩水電站地理位置的特殊性，且已有控制點(diǎn)控制了絕對位置，上一步驟所建立的建模基準(zhǔn)與正北向存在一定的角度，與建模人員的建模習(xí)慣不符，且可能不易于尺寸的定位及放樣。因此，各單位工程各專業(yè)可以根據(jù)實(shí)際情況，對所需的建模基準(zhǔn)中的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使定位軸網(wǎng)呈水平和豎直向，便于建模。但提交的模型仍需以原建?；鶞?zhǔn)為準(zhǔn)。這樣既方便建模，也不會(huì)對總裝造成影響。對于像交通洞、引水管這種既受定位軸線控制又受控制點(diǎn)控制的部分，則可由建模人員自主選擇參考建?；鶞?zhǔn)的方式(以定位軸網(wǎng)為主或以控制點(diǎn)為主或兩者同時(shí)參考)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。

2.2.3總裝

首先由各單位工程對各專業(yè)進(jìn)行分裝，由于同一單位工程各專業(yè)參考的是同一個(gè)定位軸網(wǎng)，因此其相對位置已確定。只需要將各專業(yè)模型簡單的分裝即可。而各單位工程已由控制點(diǎn)控制了絕對位置，總裝只需對各單位工程模型進(jìn)行組合即可得到處于絕對位置的向家壩水電站BIM模型，不需要進(jìn)行其他的操作(例如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等)。大大減少了總裝的工作量以及由于操作不當(dāng)造成的錯(cuò)位、錯(cuò)失等問題。

3 結(jié)論

已建水電站各建筑物的絕對位置和相對位置固定，對其進(jìn)行三維建模，可首先建立一套完整詳細(xì)且處于絕對位置的“控制點(diǎn)+定位軸網(wǎng)”建模基準(zhǔn)，各單位工程依據(jù)該建?；鶞?zhǔn)進(jìn)行建模。該建?；鶞?zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)有：①便于各專業(yè)協(xié)同建模；②對于水電站中的管廊結(jié)構(gòu)，使用“控制點(diǎn)+定位軸網(wǎng)”的建?；鶞?zhǔn)可以大大提升建模的精確度和速度；③總裝無需再次修改各單位工程的相對位置和絕對位置，提高總裝效率。而對于在建水電站，由于其設(shè)計(jì)階段和施工階段的BIM模型絕對位置和相對位置存在變動(dòng)的可能性，因此該建模基準(zhǔn)并不適用，需要進(jìn)行更深入的研究。