BIM協(xié)同設計在海外大型水電工程中的應用及技術(shù)研發(fā)

樊少鵬，劉會波，熊澤斌，周 嵩，呂昌伙

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

BIM即“建筑信息模型”，是利用建筑工程項目的各項信息數(shù)據(jù)構(gòu)建的建筑模型，對項目進行設計、施工和運營的過程,是為適應建筑行業(yè)信息化發(fā)展需求而產(chǎn)生的高新技術(shù)。通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，達到對項目全生命周期信息的共享和傳遞，提高信息交互的效率和水平的效果[1]。由于BIM技術(shù)中的三維數(shù)字模型具有可視化、模擬性、易于協(xié)調(diào)優(yōu)化的優(yōu)點，可以顯著減少設計、施工、管理人員的工作量并提升協(xié)同工作效率，便于后期數(shù)字化管理，在諸多發(fā)達國家已廣泛應用于工程實踐，從全球視角來看，BIM技術(shù)的應用已成新時代的主流[1-4]。

目前，汽車制造、航空航天以及市政建筑領域已經(jīng)有了屬于各行業(yè)的成熟的BIM技術(shù)，推廣發(fā)展十分迅速。但BIM技術(shù)在水利水電行業(yè)的應用起步總體較晚且還不太成熟，與常見的生產(chǎn)制作行業(yè)不同，大型的水利水電工程通常具有研究設計階段多、參建部門及專業(yè)廣、工程結(jié)構(gòu)類型復雜、建設工期長等顯著特點，以上因素一方面對于BIM技術(shù)全面推廣形成了一定阻力，而另一方面為實現(xiàn)水利水電工程全生命周期的高效化、精細化設計管理的要求，又對BIM技術(shù)的全面深入應用提出了更為迫切的需求[5-12]。

長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司(以下簡稱“長江設計公司”)也在多個水利水電工程中，均開展了基于BIM技術(shù)的工程設計，其中在安哥拉凱凱水電站導流工程、引水發(fā)電系統(tǒng)等主體工程設計中BIM技術(shù)的應用就是典型代表。

1 工程概況

1.1 項目簡介

安哥拉凱凱水電站是安哥拉寬扎河規(guī)劃的8個梯級電站的第3級，上一級為LAUCA水電站，下一級為ZENZO水電站。壩址處控制流域面積112 663 km2，多年平均流量591 m3/s。水庫正常蓄水位630 m，庫容4.36億m3，電站裝機容量2 172 MW，年平均發(fā)電量85.66億kW·h。

擋水建筑物采用1座主壩和2座副壩，其中主壩采用碾壓混凝土重力壩，布置在主河床，共設5個表孔和2個底孔，最大壩高103 m，壩軸線長度553 m；副壩亦采用碾壓混凝土重力壩壩型，用于封閉左岸埡口。凱凱水電站工程首部樞紐建筑物及主壩典型斷面見圖1。

工程采用首部式地下電站開發(fā)，主廠房尺寸為221.00 m×30.37 m×67.55 m，共布置有4臺530 MW的發(fā)電機組，整個引水發(fā)電系統(tǒng)橫穿左岸山谷，2條尾水隧洞長分別為5 133、5 161 m。

工程施工導流方面，大壩上下游采用全年土石圍堰，在右岸供布置有2條導流洞，斷面為城門洞型，斷面尺寸為14.4 m×14.4 m(寬×高)，最大高度分別為24、13 m。

1.2 工程特點和難點

安哥拉凱凱水電站因其電站裝機容量達2 172 MW，被喻為非洲的“三峽工程”。工程由葛洲壩集團股份有限公司總承包，是長江設計公司首個參與建設的基于“歐美及國際設計標準、業(yè)主工程師審查制度”的EPC項目主體工程設計分包合同項目。安哥拉項目業(yè)主GAMEK聘請前期負責該項目基礎設計的葡萄牙COBA公司作為項目外籍業(yè)主工程師。

鑒于項目設計要求高、溝通難度大、審查嚴格，因此對BIM三維設計提出了迫切需求，以期能夠在設計協(xié)作、成果校審、方案調(diào)整、質(zhì)量控制、成果展示等諸多方面發(fā)揮其特有的優(yōu)勢。

2 BIM技術(shù)應用

2.1 BIM設計工作依據(jù)

BIM應用標準體系現(xiàn)階段有國家標準、團體標準、企業(yè)標準3類。凱凱水電站BIM設計總體上以GB/T 51212—2016《建筑信息模型應用統(tǒng)一標準》作為總的原則指導。同時，鑒于水利水電BIM聯(lián)盟團體形成了自身一套龐大的BIM標準體系，其中以《水利水電工程信息模型分類及編碼標準》《水利水電工程信息模型設計應用標準》《水利水電工程設計信息模型交付標準》為代表的3項標準亦作為項目BIM策劃和執(zhí)行的主要參考。此外，本項目還嚴格遵循了長江設計公司近年來頒布的企業(yè)標準和程序文件中的技術(shù)規(guī)定(表1)。

表1 公司級BIM設計內(nèi)控文件及程序文件

2.2 BIM總體工作流程

凱凱水電站BIM設計總體工作流程按2級層面開展，即項目管理層(項目經(jīng)理或BIM總監(jiān)、專業(yè)負責人)和項目作業(yè)層(主設人、設計人等)，其中：BIM策劃工作在項目管理層中完成，按層級分為項目級三維策劃和專業(yè)級三維策劃，前者主要開展總體策劃和總體任務分解，后者將根據(jù)項目總體策劃要求和專業(yè)級需要進一步細化任務分解。BIM的具體搭建工作在作業(yè)層中完成，主設人和設計人根據(jù)具體的任務內(nèi)容、質(zhì)量進度要求開展設校審和成果交付歸檔工作，見圖2。

圖2 BIM設計總體工作流程

2.3 BIM策劃

全過程BIM策劃的目的是根據(jù)本項目的特點和具體的設計階段，響應項目的根本應用需求。從體系上來講，BIM策劃可由技術(shù)策劃、協(xié)同策劃和管理策劃等3個方面(圖3)，同時三者基于BIM設計工作的邏輯時序上又是互為關聯(lián)的一個有機整體(圖4)。

圖3 BIM設計策劃體系劃分

圖4 BIM設計總體策劃內(nèi)容及工作流程

2.3.1技術(shù)策劃實施

技術(shù)策劃是在客戶端的設計、建模層面，梳理明確工作目標、深度、方案和邊界條件一系列具體問題，其中關鍵環(huán)節(jié)內(nèi)容如下。

a)結(jié)構(gòu)樹搭建和工作包分解。依次按照項目節(jié)點、專業(yè)節(jié)點和工作包節(jié)點進行拆分。結(jié)構(gòu)樹搭建的基本原則為：①地形、地質(zhì)模型獨立創(chuàng)建；②按需分列方案節(jié)點；③建筑物按主體功能分解定位；④機電金結(jié)等設施設備隨建筑物定位。工作包分解的原則為：①基于階段特點和專業(yè)特點，層次清晰，易引用、擴展和繼承；②分區(qū)、分段、分功能；③先定位，后功能，再細節(jié)。工程BIM結(jié)構(gòu)樹搭建及工作包分解展示見圖5中給出的示例。

a)項目級結(jié)構(gòu)樹(BIM總監(jiān)確定)

b)骨架信息設計與發(fā)布。在完成工作包分解后，還需要對坐標系以及骨架信息進行設計和定義，其目的即是為了實現(xiàn)前述原則中所涉及的定位。通過有效的定位信息在平臺下進行協(xié)同作業(yè)。在完成定位前提下，再開展功能和細部結(jié)構(gòu)的設計，可有效避免后期針對各專業(yè)不同模型的繁瑣裝配操作。圖6展示了工程在總體層面和專業(yè)內(nèi)的骨架信息定義和引用上的示例。

a)總體定位(點、軸系)

c)模型精細度要求擬定。依據(jù)成果交付的相關需求，需在策劃階段對模型精細度進行界定，確認BIM模型信息中需要包含的細化層次結(jié)構(gòu)和對應內(nèi)容。鑒于水利水電工程所具有非標性和多階段性，應根據(jù)具體項目的特點進行專業(yè)化定制，以落實到本項目的項目需求和階段深度。凱凱水電站施工詳圖階段的土建設計尺寸采用大范圍，精度0.1 mm；機電金結(jié)細部設計尺寸可采用正常范圍，精度0.001 mm。本工程各專業(yè)的BIM模型涵蓋內(nèi)容和精細度要求見圖7。

圖7 各專業(yè)BIM模型展示內(nèi)容及精細度要求

2.3.2協(xié)同策劃實施

BIM應用過程中的一個核心指導理念就是三協(xié)協(xié)同設計，其本質(zhì)是基于同一數(shù)據(jù)源，以可視化三維模型為載體，實現(xiàn)信息的實時更新、流轉(zhuǎn)和利用。在此前提下，總體上按照“組織、專業(yè)、設計與分析”3個方面構(gòu)建了項目的協(xié)同體系，見圖8。其中組織協(xié)同明確了BIM設計的數(shù)據(jù)組織及使用方式；專業(yè)協(xié)同是針對前述設計策劃的內(nèi)容，按照不同專業(yè)層面的需求進行協(xié)調(diào)組織管理；設計與分析協(xié)同則從基于應用角度，為相關計算分析、模型展示等明確合理的接口關系。

圖8 BIM設計協(xié)同體系

協(xié)同作業(yè)模式下，傳統(tǒng)的串行工作流程演變?yōu)椴⑿泄ぷ髁鞒蹋还ぷ髌瘘c和交付節(jié)點的模式也相應由分部、分序的迭代推進的模式所取代。在此前提下，協(xié)同策劃工作主要涵蓋：①對項目的業(yè)務流程進行梳理，找到正向協(xié)同設計的接口和模型驅(qū)動關鍵參數(shù)；②根據(jù)專業(yè)協(xié)同需求(如專業(yè)內(nèi)主要解決結(jié)構(gòu)設計問題、專業(yè)間主要解決方案碰撞問題、水工和地形地質(zhì)間主要解決布置合理性和工程安全問題)，明確工作包的前后續(xù)邏輯關系；③形成項目BIM設計方案流程和進度控制等(圖9)。協(xié)同策劃過程成果將為后續(xù)管理策劃的基礎和指導。

圖9 BIM設計協(xié)同策劃流程

2.3.3管理策劃實施

BIM三維協(xié)同設計的管理要點包括數(shù)據(jù)管理(模型數(shù)據(jù)及相應權(quán)限、設計成果等)，進度管理(WBS任務分解和派發(fā)、進度跟蹤及資源調(diào)配)，質(zhì)量管理(交付要求、設校審全過程記錄)，變更管理(大、小級別的設計升版更新)等3個方面。圖10給出了本工程管理策劃的一個主要節(jié)點流程。

圖10 BIM設計管理推進及主要節(jié)點

基于上述流程，項目的管理策劃工作依托于2個管理平臺具體實現(xiàn)，見圖11。①在項目管理信息系統(tǒng)中，完成文字性工作(報告、校審單、互提資料單、流程的流轉(zhuǎn))和二維圖紙的任務分解；②在3DE中的ENOVIA網(wǎng)絡端平臺，完成三維設計任務分解，對“工作任務”—“時間計劃”—“人員分配及成果流轉(zhuǎn)對接”間的相互關系進行協(xié)調(diào)和明確。在此基礎上，與2.3.1 技術(shù)策劃中所搭建3DE BIM模型結(jié)構(gòu)樹進行對應和掛接。

a)項目整體WBS

通過以上技術(shù)、協(xié)同和管理三位一體的策劃工作，實現(xiàn)了對設計任務合理化排序和分配、對協(xié)同作業(yè)人員組織和流程精細化管理、對項目推進過程的有效掌控。在具體實施過程中，如某些設計工作存在滯后，項目管理人員能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)問題并加以研判，通過調(diào)整人力資源或進度安排來保證項目的推進在有序可控的狀態(tài)。

3 BIM設計建模及成果

凱凱水電站工程三維模型主要包括地形地質(zhì)信息模型、主電站引水發(fā)電建筑物模型、導流工程模型、機電設備模型、金結(jié)設備模型、橋梁工程模型等。

a)三維地形地質(zhì)建模。凱凱水電站三維地形地質(zhì)模型根據(jù)勘探及地質(zhì)測繪成果創(chuàng)建而成，見圖12。地形范圍包括主、副壩區(qū)，引水發(fā)電系統(tǒng)區(qū)、工程場址等，地質(zhì)模型內(nèi)容包括覆蓋層及基巖、基巖風化層、斷層、鉆孔及河流、沖溝等地貌信息，內(nèi)容豐富全面。三維地質(zhì)模型創(chuàng)建并經(jīng)審定后，供其他土建專業(yè)使用，并基于施工過程中進一步揭露的地質(zhì)信息，對三維地質(zhì)模型及時進行更新。

圖12 三維地形地質(zhì)模型

b)引水發(fā)電建筑物建模?；谌S地形地質(zhì)模型，電站專業(yè)采用“骨架+模板”的方法完成引水發(fā)電系統(tǒng)的土建模型正向設計，包括進水口、引水隧洞、主廠房、母線洞、調(diào)壓室、排空洞泵房、通風豎井、交通豎井、母線豎井、進廠交通洞、附屬交通洞、尾水支洞、岔管、尾水隧洞、尾水出口、地面控制樓、地面變電站等部位的三維模型，見圖13。基于該模型成果，在施工詳圖階段開展了2D工程圖紙的設計出圖工作。

圖13 引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物結(jié)構(gòu)模型

c)導流工程建模?；谌S地形地質(zhì)模型，導流專業(yè)完成包括上游圍堰、下游圍堰、導流建筑物進出口開挖結(jié)構(gòu)、導流洞洞身開挖及進水口結(jié)構(gòu)土建模型正向設計(圖14)，相關成果應用于工程量統(tǒng)計計算以及輔助混凝土結(jié)構(gòu)設計等。

a)總布置

d)機電專業(yè)建模。目前機電專業(yè)建?？傮w處于初步設計階段，其中：水力機械已基本完成輔助設備和油氣水系統(tǒng)管路的布置，電氣基本完成主要電氣設備、電纜橋架及電纜敷設的建模與布置，暖通已基本完成主要通風管路的布置，部分成果見圖15。

a)技術(shù)供水系統(tǒng)設備

e)金結(jié)專業(yè)建模。基于主電站及導流工程的模型成果，金結(jié)專業(yè)完成導流洞進水口疊梁門與封堵門埋件整體開槽布置及埋設大樣，電站進水口疊梁門、事故門結(jié)構(gòu)及埋件開槽布置及埋設大樣等模型的正向設計建模，見圖16。

a)導流洞門體埋件整體開槽及一期埋件布置

4 BIM設計技術(shù)難點解決方案

4.1 3DE二維工程制圖

Dassault CATIA軟件已引進長江設計公司并應用十余年，目前更新至3DE2019x版本，但在實際工作中，二維工程制圖一直是設計師的使用痛點，主要原因是受制于制圖方法和制圖環(huán)境。3DE的制圖方法和工作流程與現(xiàn)有二維繪圖工作方式有較大的區(qū)別，且默認的制圖環(huán)境(標準)完全不適用于水利水電工程行業(yè)，使得設計人員常迂回采用“3DE建立三維模型并導出各類視圖”+“AutoCAD等傳統(tǒng)制圖軟件進行二維出圖”的方式完成出圖工作。此舉一定程度上可規(guī)避3DE的既有短板，但三維模型和二維元素之間的數(shù)據(jù)及邏輯交互鏈完全被打斷。一旦設計方案發(fā)生調(diào)整，二維圖紙中所有元素特征和相關的尺寸標注等均無法通過參數(shù)驅(qū)動而自動調(diào)整更新，設計人需要再次對三維模型進行導出后重復制圖操作。

為使3DE平臺能夠更好地滿足行業(yè)出圖要求，BIM技術(shù)研發(fā)小組對3DE的Drafting模塊開展二次開發(fā)，定制了工程制圖標準文件及模塊應用環(huán)境，包括圖紙幅面尺寸及圖框、字體、線型樣式、文本樣式、標注樣式以及預制的2D部件(包括常用標注部件以及材質(zhì)庫等)。此外，為實現(xiàn)更便捷、高效的軟件交互操作體驗，還對Drafting模塊中的圖紙瀏覽(結(jié)構(gòu)樹、瀏覽器)、工具欄優(yōu)化集成、右鍵的多級菜單功能都進行了全面定制，最終Drafting模塊界面見圖17，實現(xiàn)了在保留模型的參數(shù)化制圖的便利性同時，全面適配傳統(tǒng)制圖軟件的性能優(yōu)勢。

圖17 3DE深度定制后的Drafting模塊界面

以凱凱水電站尾水隧洞布置及開挖支護圖的施工詳圖繪制為例，本套圖紙實現(xiàn)了在3DE中平滑地完成從建模到出圖的整個過程，見圖18。當各隧洞間的布置方案、支護參數(shù)發(fā)生調(diào)整后，可調(diào)整模型數(shù)據(jù)并在二維圖紙中得到更新，所有的點線元素、尺寸標注值亦無需人工調(diào)整干預。

a)三維模型

4.2 水工結(jié)構(gòu)三維配筋

作為水工建筑物設計的重要工作之一，施工詳圖階段的鋼筋圖設計通常需要占用大量的時間和精力，主要原因包括：①針對水工建筑物的規(guī)則部位，雖可利用手工進行二維制圖，但涉及的編號標注、關系管理、工程量統(tǒng)計等設計工作的效率偏低下，且修改調(diào)整極為不易；②水工建筑物更多部位是異形結(jié)構(gòu)，體形復雜多變，不僅設計出圖難度大，且有限的結(jié)構(gòu)剖面不能完全表達三維的結(jié)構(gòu)和鋼筋。針對上述難點，長江設計公司研究開發(fā)了“水工結(jié)構(gòu)三維可視化CAD系統(tǒng)”[14-17]，可開展完整的三維配筋設計及后處理制圖工作(圖19)。

圖19 配筋軟件主界面

本配筋軟件不僅可提供常規(guī)的面線配筋等，還能實現(xiàn)孔口加強筋、螺旋筋、角度配筋、自動配筋等多種靈活強大的布筋命令(圖20)，還能將所有的鋼筋參數(shù)信息(材料型號、直徑、長度等)及幾何布置信息(布筋面、鋼筋范圍等)完整地導入二維圖紙文件中，并進而實現(xiàn)鋼筋表、鋼筋材料統(tǒng)計表的自動生成和更新。

a)操作一

a)操作二

以凱凱水電站導流洞進水塔為例，由于其結(jié)構(gòu)復雜，充分利用本配筋軟件優(yōu)勢開展了基于三維模型的鋼筋圖設計(圖21)，不僅幫助設計者從瑣碎的制圖和工程量統(tǒng)計工作中解脫出來，更有效保證了設計成果質(zhì)量。

a)導流洞進水塔三維配筋

5 結(jié)語

凱凱水電站工程作為長江設計公司重點推進三維協(xié)同設計的國際項目，項目部從2017年起就開始對BIM應用工作的全面鋪開進行研究和部署，通過每年開展BIM策劃書編制和BIM推進自查匯報等措施，將BIM任務逐層逐級落在實處，為本項目整體設計水準提高起到了極大的促進，也因此贏得了國內(nèi)總包方和安哥拉業(yè)主的高度認可。

從Dassault CATIA V5過渡至3DExperience，三維平臺軟件和配套技術(shù)方案在不斷更新迭代，種種設計難點、痛點也在逐一被解決。與此同時，行業(yè)人士對BIM協(xié)同設計認識也在不斷深入——從“要我用”到“我要用”，從“臨時建孤立的專業(yè)內(nèi)模型算工程量”到“關注其他專業(yè)接口需求，隨時做好協(xié)同邊界策劃”，從“建模和制圖分庭治之”到“設計成果全過程數(shù)據(jù)管理”等等，由此一系列觀念的轉(zhuǎn)變可以看到水利水電行業(yè)正朝著信息化、智能化的新高度不斷推進。