BIM協(xié)同設(shè)計在三河口電站供水發(fā)電廠房系統(tǒng)中的應用

補舒棋 毛擁政 鄭湘文 葛瑤

摘要：BIM協(xié)同設(shè)計技術(shù)已成為水利水電行業(yè)中工程設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向與趨勢，越來越多地應用在水電工程項目的廠房和電站設(shè)計中。通過在三河口供水發(fā)電系統(tǒng)中的應用實踐，探討了在項目協(xié)同設(shè)計實施過程中的BIM設(shè)計解決方案，利用網(wǎng)絡(luò)在線VPM協(xié)同設(shè)計平臺和骨架設(shè)計架構(gòu)，實現(xiàn)了專業(yè)間工程設(shè)計信息的實時共享和各建筑物骨架控制，并利用BIM數(shù)據(jù)進一步進行結(jié)構(gòu)分析和延伸應用?？偨Y(jié)了協(xié)同設(shè)計過程中的設(shè)計實踐經(jīng)驗，可為類似工程的BIM設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM;協(xié)同設(shè)計;VPM;CATIA;三河口電站;下坂地電站;陜西省

中圖法分類號：TV731

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.006

大中型水利樞紐引水發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計工作通常涉及規(guī)劃、地質(zhì)、測量、水工、道路、金屬結(jié)構(gòu)、水力機械、電氣、建筑、金結(jié)、暖通等專業(yè)，各專業(yè)間需要互相協(xié)調(diào)和配合。陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院（以下簡稱“陜西院”）采用傳統(tǒng)的設(shè)計協(xié)同方式，即由規(guī)劃、地質(zhì)、測量專業(yè)人員提供參數(shù)、繪制圖紙，由水工專業(yè)牽頭為各專業(yè)反饋設(shè)計信息，專業(yè)間互相提資配合，以二維圖紙溝通為主。這種傳統(tǒng)的溝通方式效率低下，加之施工圖紙有時會出現(xiàn)“錯漏碰缺”等問題，需對其進行反復核查;還存在專業(yè)間信息反饋時間長和數(shù)據(jù)管理無序等問題，影響工程設(shè)計進度。建筑信息模型（ Building Informa-tion Modeling，BIM）協(xié)同平臺不僅使得設(shè)計信息的呈現(xiàn)立體直觀，且很大程度上解決了專業(yè)間協(xié)調(diào)性問題，各專業(yè)可實時在線進行協(xié)同設(shè)計和校審，模型碰撞檢查功能可發(fā)現(xiàn)施工階段錯誤，降低返工率和損失率。

目前水利水電行業(yè)三維協(xié)同設(shè)計的主流軟件平臺有美國Autodesk公司的Revit、美國Bentley公司的Micro Station與Project Wise、法國達索公司的CA-TIA與VPM[1]。華東勘測設(shè)計研究院、成都勘測設(shè)計研究院于2003年開展了針對以上3個平臺解決方案的研究，并于2008年嘗試應用在部分水電工程項目的廠房和電站設(shè)計中[2]。多個大型水電工程中均采用了BIM進行協(xié)同設(shè)計，例如云南金沙江阿海水電站的三維協(xié)同設(shè)計運用了Autodesk解決方案[3];派河口樞紐采用了Bentley平臺系列軟件進行三維協(xié)同設(shè)計[4];兩河口水電站的三維協(xié)同設(shè)計采用了達索解決方案[5]3;烏東德水電站樞紐工程中也應用了達索解決方案[6]。總結(jié)以上使用BIM協(xié)同平臺的項目的共同特點是項目復雜且涉及專業(yè)廣泛。雖然不同項目采用了不同的軟件解決方案，但各工程協(xié)同方式不同，因此研究如何選擇協(xié)同解決方案十分必要。本文以達索系統(tǒng)作為主平臺，詳細闡述了三河口水利樞紐供水發(fā)電廠房系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計工作，包括生命周期流程、協(xié)同設(shè)計方法、產(chǎn)品劃分、骨架設(shè)計、模板應用及應用效果等，以期為同類工程的協(xié)同解決方案提供參考。

1 工程概況

三河口水利樞紐是引漢濟渭工程的調(diào)蓄中樞，為I等大（1）型工程，具有供水、調(diào)蓄、發(fā)電功能。壩后電站廠房為3級建筑物，電站廠房抽水流量為18m3/s，發(fā)電引水設(shè)計流量72.71m3/s，發(fā)電采用2臺常規(guī)水輪發(fā)電機組及2臺可逆式機組。發(fā)電工況總裝機容量為64 MW，抽水工況泵站總裝機功率24 MW[7]。

廠區(qū)建筑物主要包括主廠房、副廠房、主變室、GIS樓、供水閥室、進廠道路。供水系統(tǒng)由進水口、壓力管道、供水閥室、尾水系統(tǒng)、連接洞等部分組成（見圖1）。該項目各專業(yè)間交叉度高，需多方協(xié)同，適合使用BIM技術(shù)通過VPM平臺進行專業(yè)協(xié)同設(shè)計，其布置設(shè)計的復雜性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①供水發(fā)電廠房為岸邊地面式廠房，布置于壩后消力塘一側(cè)，常規(guī)機組與可逆式機組布置于同一個廠房內(nèi)，其電站（泵站）電氣接線設(shè)置既要滿足機組供水發(fā)電和工頻運行要求，又要滿足水泵抽水和機組變頻運行要求[8];②供水和發(fā)電系統(tǒng)共用一個進出水流道，工況運行復雜，供水閥的口徑和規(guī)模在我國供水工程中排名首位[9];③利用封堵后的導流洞作為尾水系統(tǒng)一部分，實現(xiàn)了通過連接洞補充供水至秦嶺隧洞和尾水排放的功能。

2 協(xié)同設(shè)計解決方案

2.1 VPM協(xié)同平臺

三河口水利樞紐供水發(fā)電廠房系統(tǒng)主要采用達索的虛擬產(chǎn)品生命周期管理平臺ENOVIAVPM作為協(xié)同及產(chǎn)品管理平臺（其基本功能主要有創(chuàng)建產(chǎn)品、角色管理、創(chuàng)建頂層節(jié)點、管理文檔、修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生命周期管理等）。CATIA V5R20作為模型的主設(shè)計平臺，負責完成復雜的BIM設(shè)計工作。VPM是達索系統(tǒng)公司基于CATIA平臺上的一個既能滿足協(xié)同設(shè)計又能滿足虛擬產(chǎn)品生命周期管理的解決方案[10]。

項目經(jīng)理在VPM平臺內(nèi)定制項目生命周期管理流程（見圖2）。產(chǎn)品狀態(tài)共分為工作中、公開、審查、批準4種，涉及創(chuàng)建零件、數(shù)據(jù)保存、瀏覽、數(shù)據(jù)狀態(tài)提升等[11]?！肮ぷ髦小睜顟B(tài)對于非權(quán)限內(nèi)的設(shè)計角色是非可見狀態(tài)，當產(chǎn)品發(fā)布公開后即為可視狀態(tài)，供下一級人員審核數(shù)據(jù)，VPM中可對人員進行角色劃分（包括數(shù)據(jù)管理角色、項目管理角色、設(shè)計角色、審核角色）、專業(yè)劃分、角色權(quán)限管理;修改權(quán)限可通過鎖定機制獲得，由管理員設(shè)置的用戶名密碼登錄，所有密碼均需通過管理員更改，用戶不能擅自修改，有效避免了密碼在傳遞過程中泄漏的風險[12]，而通過VPM平臺建立的數(shù)據(jù)會通過加密措施進行處理、保存。

2.2 各專業(yè)協(xié)同設(shè)計方法

地質(zhì)數(shù)據(jù)信息是采用有離散光滑插值（DSI）技術(shù)的GOCAD軟件來完成數(shù)據(jù)建模，地質(zhì)數(shù)據(jù)內(nèi)容主要涵蓋地質(zhì)斷層、巖性、風化層、地下水等，將其導人協(xié)同平臺中，再由下游專業(yè)進行設(shè)計方案布置。廠房內(nèi)部的電氣設(shè)計是通過博超STD數(shù)字化三維變電設(shè)計平臺完成后導人VPM平臺，包括水工、建筑、水力機械、管路布置、金屬結(jié)構(gòu)、開挖等專業(yè)在內(nèi)的協(xié)同設(shè)計工作則是通過CATIA內(nèi)的模塊進行設(shè)計（見表1）。通過建立好的數(shù)據(jù)模型成果，可進一步進行有限元分析計算、工程量計算、出圖、效果圖、虛擬仿真、漫游、施工交底匯報、人員培訓等。

3 產(chǎn)品劃分與骨架參數(shù)化設(shè)計

3.1 產(chǎn)品劃分

根據(jù)項目結(jié)構(gòu)特點進行產(chǎn)品劃分，圖3為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。在ENOVIA在線管理平臺按照一定編碼規(guī)則建立產(chǎn)品節(jié)點及骨架設(shè)計，骨架是構(gòu)成工程全三維模型的核心和有效組織形式，一般采取多級樹結(jié)構(gòu)，分為總骨架和子骨架，子骨架又可衍生下級子骨架[13]。由圖3所示，S004-P10-P1-50000-00000- 3D為三河口水利樞紐總產(chǎn)品下的引水、抽水、發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品節(jié)點。通過全局骨架SK結(jié)尾的文件內(nèi)含有由坐標信息建立的引水壓力鋼管軸線、尾水洞軸線、連接洞軸線、廠房機組中心點及中心線、導流洞軸線等，發(fā)布核心控制點、軸線、基準面，為供水系統(tǒng)廠房提供基本位置參考。供水系統(tǒng)廠房產(chǎn)品下的骨架系統(tǒng)根據(jù)總骨架發(fā)布的廠房機組中心點（帶有安裝高程信息）、機組方向線及水機發(fā)布的機組設(shè)備尺寸建立一套廠房的尺寸控制系統(tǒng)，包括廠房的橫縱軸網(wǎng)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、廠區(qū)范圍及一些主要控制參數(shù)等，控制廠房的各層高程及體型尺寸。

3.2 骨架參數(shù)化設(shè)計

圖4為廠房參數(shù)化骨架傳遞的設(shè)計流程，通過創(chuàng)建參數(shù)驅(qū)動幾何元素實現(xiàn)聯(lián)動，并通過零件發(fā)布功能將參數(shù)和幾何元素提供給其他節(jié)點使用;在被其他產(chǎn)品使用時是外部參考，當上級骨架參數(shù)改變，可以手動或自動更新外部參考的元素。該設(shè)計融合了水工結(jié)構(gòu)、水力機械，金屬結(jié)構(gòu)、電氣布置、引水及尾水系統(tǒng)、廠區(qū)開挖、排水系統(tǒng)等內(nèi)容，形成一個在線的BIM數(shù)據(jù)庫，設(shè)計節(jié)點清晰。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹使設(shè)計內(nèi)容的展示更為直觀，通過線上的規(guī)范數(shù)據(jù)存取機制，工程師可實時進行數(shù)據(jù)的有序管理、設(shè)計、查找、修改、校審等工作。

4 模板庫及應用

通過CATIA V5的“知識工程及專家系統(tǒng)（ Knowledge Ware）”模塊可將用戶經(jīng)驗做成參數(shù)化模板錄入Catalog模板建立標準件庫，用戶可在VPM協(xié)同平臺上調(diào)用各專業(yè)模板。系統(tǒng)單元中的“知識工程顧問”“知識專家”等模塊從參數(shù)化的角度使設(shè)計過程標準化，有利于知識的延續(xù)與再利用，是新時期工程技術(shù)人員迫切需要的知識與技能[14]。登陸內(nèi)網(wǎng)便可在工程設(shè)計中重復使用知識工程模板（見圖5）。模板采用統(tǒng)一編號管理，并建立了相應模板文檔說明，幫助設(shè)計人員快速了解模板及其使用方法。目前建立了涉及水工、建筑、金結(jié)、水機、電氣等專業(yè)的參數(shù)化模板及相應的目錄庫（見表2）。

5 應用效果

（1）通過以上的BIM數(shù)字化的三維協(xié)同體系，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計，以及專業(yè)間動態(tài)參照，實時查看、設(shè)計聯(lián)動。通過權(quán)限保護，保證了模型的正確性與一致性，避免了傳統(tǒng)設(shè)計中人為提資過程中出現(xiàn)的錯漏。通過碰撞檢查功能，及時發(fā)現(xiàn)協(xié)同布置問題，對地面廠房內(nèi)部的設(shè)計（涉及設(shè)備布置、消防、交通、排水等）、電站基礎(chǔ)體型、二次開挖及廠房分縫分塊設(shè)計、導流洞改造、尾水洞設(shè)計、排水系統(tǒng)設(shè)計、止水帶設(shè)計等做了多次修改和優(yōu)化。利用地質(zhì)專業(yè)提供的風化模型成果分析廠房的一次開挖和二次開挖（見圖6（a）），通過測量功能進行土石方開挖、廠房分縫分塊混凝土、廠房混凝土等工程量計算，利用模型進一步得到出圖成果等，節(jié)約了大量時間。三河口電站廠房分縫分塊設(shè)計（見圖6（b））通過傳統(tǒng)方式完成所有圖紙、工程量計算及校審工作大約需要7 d，而運用CATIA軟件僅需要4d左右，節(jié)省時間約40%。

（2）知識工程應用。通過知識工程模板功能建立了關(guān)于電站廠房的各專業(yè)的模板（近50多個），并導人至模板目錄庫;使用CATIA知識工程平臺中的RULE（滿足條件就實施）、LIST工具、設(shè)計表等編輯知識工程語言將多種體型融合在一個模板中;利用CHECK等工具設(shè)置融人設(shè)計規(guī)范條款;采用知識工程陣列編輯語言，減輕了人員工作量。

（3）數(shù)據(jù)規(guī)范化。陜西院編制了《CATIA VPM協(xié)同設(shè)計規(guī)范》《信息分類及編碼規(guī)范》《模板設(shè)計及入庫規(guī)范》等規(guī)范，為其他BIM項目建立了基礎(chǔ)條件。

（4） BIM數(shù)據(jù)應用。利用模型對業(yè)主及施工方進行供水閥設(shè)備原理及分層取水原理動畫匯報、廠房施工技術(shù)交底匯報、現(xiàn)場設(shè)備的操作模擬和參觀線路的模擬、整體廠房的實景漫游等。利用模型對主、副廠房結(jié)構(gòu)進行了有限元分析計算（見圖6（c）），對導流洞改造尾水洞的封堵體進行了三維有限元計算，從而驗證了其穩(wěn)定性。對廠房中安裝間薄厚板結(jié)構(gòu)靜動力分析，對兩種結(jié)構(gòu)形式的靜動力特性進行分析，從而得到安裝間結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化設(shè)計。

通過資料調(diào)查，對比了采用傳統(tǒng)工作模式的下坂地電站廠房工程人力資源情況及變更情況。下坂地樞紐工程為Ⅱ等大（2）型，其地下電站廠房為3級建筑物，主副廠房和安裝間洞室面積為1 273 m2，高38.8 m;主變洞室面積為845 m2，高27.8 m，總裝機150 MW，電站引用流量89.69 m3/s，工程已于2009年進行發(fā)電。對比結(jié)果如下：

（1）人力資源情況。下坂地地下電站廠房水工設(shè)計人員近16人，三河口電站廠房水工設(shè)計人員9人。與下坂地工程不同的是，三河口廠房的設(shè)計任務除了要滿足發(fā)電，還需滿足抽水和供水，因此廠房功能分區(qū)較多且布置復雜。三河口電站設(shè)計體量較下坂地電站大，但人力資源調(diào)動更少，卻仍滿足了進度要求，充分反映了BIM協(xié)同工作模式的高效率性和重要性。

（2）變更情況。下坂地電站廠房土建變更文件約120份（4 a），調(diào)查資料表明近60%的變更是由于洞挖后地質(zhì)條件與設(shè)計不符，其余40%為體形結(jié)構(gòu)等變化。而截至目前，三河口電站廠房土建變更文件共計19份（3 a）。綜合對比上述數(shù)據(jù)，可反映出傳統(tǒng)工作模式在工程設(shè)計上的一些弊端，若能在前期進行充分的三維設(shè)計協(xié)同，部分變更或可避免。

6 結(jié)語

將各專業(yè)統(tǒng)一在適合項目的CATIA VPM平臺上進行整體方案設(shè)計，有利于工程數(shù)據(jù)的傳遞、分享、溝通、分析、管理。三河口水電站項目在VPM平臺上完成的BIM數(shù)據(jù)量達到2.5G左右，大量的數(shù)據(jù)會造成服務器負擔，影響使用和管理效率，如何輕量化數(shù)據(jù)并提高數(shù)據(jù)安全性是需要繼續(xù)研究的內(nèi)容。為使BIM產(chǎn)品功能得到延伸，其技術(shù)價值得到最大化利用，還應出臺水利水電行業(yè)領(lǐng)域可行的模型信息數(shù)字化交付標準，細化交付要求、深度、方式及標準數(shù)據(jù)格式等。

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（編輯：李曉濛）

作者簡介：補舒棋，女，工程師，碩士，主要從事水利水電工程BIM設(shè)計研究工作。E-mail：canxuan1002@qq.com