BIM技術(shù)在水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用

朱 毅，孫立鵬，孫文彬

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

0 前言

隨著 “數(shù)字中國(guó)”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，水電水利工程建設(shè)行業(yè)以數(shù)字信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)工程智能化建設(shè)、電廠智慧化運(yùn)維的條件已經(jīng)日趨成熟。業(yè)內(nèi)對(duì)數(shù)字化、信息化、智能化、智慧化的具體應(yīng)用目標(biāo)和實(shí)施路徑也日益明晰，發(fā)展方向更是隨著科技的進(jìn)步及行業(yè)對(duì)其的認(rèn)知加深在不斷的升級(jí)，持續(xù)的變化。從最初的BIM技術(shù)致力于傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)技術(shù)的數(shù)字賦能逐漸向通過(guò)新工具、新手段、新技術(shù)孵化創(chuàng)造新業(yè)務(wù)、新設(shè)備、新應(yīng)用、新項(xiàng)目轉(zhuǎn)變，逐漸呈現(xiàn)出了“業(yè)務(wù)數(shù)字化”和 “數(shù)字化業(yè)務(wù)”雙輪驅(qū)動(dòng)、互補(bǔ)前進(jìn)的態(tài)勢(shì)。其中水電水利工程機(jī)電專業(yè)因其在數(shù)字化、信息化、智能化、智慧化業(yè)務(wù)中所扮演的典型角色，BIM技術(shù)在工程機(jī)電領(lǐng)域全生命周期各階段均有著廣泛的應(yīng)用。智慧電廠運(yùn)維管控、機(jī)電安裝智能建造、智能新設(shè)備的選型使用、老舊電廠智能升級(jí)改造、設(shè)備管線標(biāo)準(zhǔn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、信息模型輕量化交付交互、設(shè)備檢修及安裝虛擬仿真等，均是通過(guò)數(shù)字化、信息化技術(shù)的發(fā)展而新出現(xiàn)的機(jī)電專有典型業(yè)務(wù)。

本文以兩河口水電工程基于BIM技術(shù)的三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐作為切入點(diǎn)，重點(diǎn)闡述三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)建設(shè)、流程優(yōu)化和實(shí)踐總結(jié)，并對(duì)以數(shù)字化設(shè)計(jì)成果為源頭的工程全生命周期信息化應(yīng)用進(jìn)行了探索和思考，為未來(lái)BIM技術(shù)與水利水電工程專業(yè)設(shè)計(jì)的深度融合與應(yīng)用提供參考[1]。

1 工程概況

兩河口水電工程為我國(guó)第三大水電能源基地雅礱江干流中游的控制性水庫(kù)電站工程，位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，地下廠房?jī)?nèi)安裝6臺(tái)單機(jī)容量為500MW的水輪發(fā)電機(jī)組。兩河口工程實(shí)現(xiàn)了全面的三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)，并在模型整體總裝輕量化交付、三維設(shè)計(jì)流程優(yōu)化、模型成果質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化、模型的深化設(shè)計(jì)應(yīng)用、全要素的智能機(jī)電工程管控系統(tǒng)等領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用和探索研究。

2 機(jī)電三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

隨著水電站機(jī)電工程新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在及未來(lái)水電工程建設(shè)的要求[2]。三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)首先是工程語(yǔ)言從二維圖紙向三維數(shù)字化表達(dá)的轉(zhuǎn)變，其次是計(jì)算機(jī)輔助繪圖向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的質(zhì)變，更重要的是數(shù)字化設(shè)計(jì)向智能化設(shè)計(jì)的發(fā)展[3]。三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)不僅能在三維環(huán)境中表達(dá)工程全部的幾何外觀和設(shè)計(jì)構(gòu)想，還能通過(guò)模型中載入的數(shù)據(jù)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化分析與方案對(duì)比，為工程建設(shè)的決策提供科學(xué)依據(jù)，降低實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。同時(shí)，三維協(xié)同設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮BIM模型多專業(yè)協(xié)同的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)數(shù)據(jù)的共享、信息的流通，減少設(shè)計(jì)工作中人為誤差，避免錯(cuò)漏碰缺，打造優(yōu)化、深化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)服務(wù)和各類信息化應(yīng)用的基礎(chǔ)[6-9]。

2.1 正向設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

兩河口水電工程的設(shè)計(jì)全過(guò)程均在三維環(huán)境中開(kāi)展，設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)信息均通過(guò)模型承載和傳遞，主要體現(xiàn)在:

(1)設(shè)計(jì)意圖直接通過(guò)模型體現(xiàn)，模型的創(chuàng)建過(guò)程亦是設(shè)計(jì)的過(guò)程。

(2)在三維環(huán)境中進(jìn)行性能指標(biāo)計(jì)算復(fù)核及設(shè)計(jì)成果的校審檢查等。

(3)以模型為載體進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的技術(shù)交底及成果輕量化交付。

(4)模型不僅具有出圖所需的外觀幾何信息，還承載了設(shè)備及管線的相關(guān)主要技術(shù)參數(shù)信息。

(5)模型與圖紙具有聯(lián)動(dòng)關(guān)系，圖紙是由模型直接剖切所得，保證圖模一致。

(6)材料表是由模型承載的不同信息通過(guò)分層過(guò)濾自動(dòng)分類統(tǒng)計(jì)生成。

(7)模型及其所承載的信息具有可傳遞性，可直接或間接用于工程中多種BIM業(yè)務(wù)的應(yīng)用而不需要重新建模。

圖1為兩河口水電工程主廠房、母線洞、主變洞三個(gè)地下洞室隱藏土建模型后機(jī)電多專業(yè)三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的總裝模型。

圖1 兩河口水電站三維正向設(shè)計(jì)部分機(jī)電模型

2.2 協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

兩河口水電站機(jī)電工程協(xié)同設(shè)計(jì)包含水力機(jī)械、電氣一次、電氣二次、通信工程、金屬結(jié)構(gòu)、暖通工程、給排水及輸變電工程八個(gè)專業(yè)，機(jī)電工程外的協(xié)同設(shè)計(jì)涉及廠房、壩工、建筑、結(jié)構(gòu)、水道等其他專業(yè)以及各個(gè)設(shè)備供應(yīng)廠商。

(1)專業(yè)內(nèi)協(xié)同

兩河口水電工程機(jī)電專業(yè)內(nèi)協(xié)同設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是約束每一位設(shè)計(jì)人員均應(yīng)在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建模環(huán)境和操作界面中開(kāi)展三維協(xié)同正向設(shè)計(jì)工作，并且保證不同設(shè)計(jì)人員所建模型之間的接口格式和屬性一致，專業(yè)內(nèi)提交的各個(gè)模型成果具有統(tǒng)一性和規(guī)范性[10]。

(2)專業(yè)外協(xié)同

由于不同的設(shè)計(jì)專業(yè)以及各個(gè)設(shè)備供應(yīng)廠商采用的三維設(shè)計(jì)軟件均不相同，故需在專業(yè)內(nèi)的協(xié)同成果基礎(chǔ)之上，將專業(yè)外協(xié)同的重點(diǎn)放在約定各相關(guān)方協(xié)同工作的方式、流程和模型數(shù)據(jù)格式上，通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)并行工作的優(yōu)勢(shì)，保證信息傳遞的及時(shí)性、有效性以及模型數(shù)據(jù)的通用性。

3 三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的流程及重難點(diǎn)

隨著BIM技術(shù)在水電水利工程中的應(yīng)用和探索越來(lái)越深入，工程設(shè)計(jì)方對(duì)三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的理解和實(shí)施路徑也越來(lái)越清晰，行業(yè)內(nèi)對(duì)大型水電水利工程機(jī)電三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的流程及方法也逐步形成了范式，達(dá)成了共識(shí)[11-15]。但通過(guò)兩河口水電工程的實(shí)踐，仍發(fā)現(xiàn)流程中有一些重難點(diǎn)值得被關(guān)注，所以筆者在本項(xiàng)目中提出了 “區(qū)域劃分、超前設(shè)計(jì)、迭代更新”的理念開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)工作，取得了較好的成果和應(yīng)用效果。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)環(huán)境配置及構(gòu)件資源庫(kù)基礎(chǔ)建設(shè)

兩河口水電工程三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)在項(xiàng)目可研階段初期就啟動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)建模環(huán)境的配置，及構(gòu)件資源庫(kù)的建設(shè)等基礎(chǔ)類工作。本項(xiàng)工作的重要性首先是使參與設(shè)計(jì)的工程師都能在標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一環(huán)境中開(kāi)展三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)工作，其不僅可得到一套統(tǒng)一的模型成果，為后續(xù)的模型整合、協(xié)同設(shè)計(jì)以及 “區(qū)域劃分”的模型界面接口屬性一致打下良好的基礎(chǔ)，還能夠有效提升項(xiàng)目成果的整體品質(zhì)；其次是在項(xiàng)目前期設(shè)備未招標(biāo)、參數(shù)不確定時(shí)為 “提前設(shè)計(jì)，迭代更新”提供條件，提高構(gòu)件資源庫(kù)的復(fù)用率，從而有效提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作的整體效率，節(jié)約人力成本。

(1)標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的定制

BIM是工程物理特性與功能特性信息化、數(shù)字化的承載和可視化的表達(dá)，是傳統(tǒng)手繪制圖與CAD輔助設(shè)計(jì)的升級(jí)[16-18]。但目前市面上沒(méi)有針對(duì)水電水利工程的專有三維設(shè)計(jì)軟件，故需要在商業(yè)軟件中根據(jù)水電水利工程現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行定制的開(kāi)發(fā)與完善，以實(shí)現(xiàn)所建立的項(xiàng)目三維模型在美觀、直觀的基礎(chǔ)上具有實(shí)際工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義，所載有的幾何信息與屬性信息滿足國(guó)家行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過(guò)模型剖切或轉(zhuǎn)換視角所生成的2D圖紙滿足行業(yè)圖紙的交付要求[10]。本項(xiàng)目的機(jī)電工程三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)工作選擇在Autodesk Revit平臺(tái)中開(kāi)展，標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的定制工作包含對(duì)專業(yè)系統(tǒng)功能分類、添加材質(zhì)屬性、定義連接性、配置模型顏色、確定填充圖案、線形線寬、尺寸標(biāo)注、字體字高、符號(hào)注釋、模型文件名稱、確定屬性信息種類等多達(dá)五十余個(gè)設(shè)置進(jìn)行替換、修改或增補(bǔ)。

(2)專業(yè)構(gòu)件資源庫(kù)的建設(shè)

在Autodesk Revit平臺(tái)進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程中，專業(yè)庫(kù)中構(gòu)件的數(shù)量和質(zhì)量直接影響到模型成果及圖紙成果的品質(zhì)，是實(shí)施BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的重要基礎(chǔ)工作[10]。在本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化建模環(huán)境定制的同時(shí)，同步開(kāi)展了構(gòu)件資源庫(kù)的建設(shè)和資料儲(chǔ)備，為 “超前設(shè)計(jì)”打下基礎(chǔ)。專業(yè)構(gòu)件資源庫(kù)的建設(shè)包含參數(shù)化構(gòu)件和非參數(shù)化構(gòu)件兩大類，其中參數(shù)化構(gòu)件由外形驅(qū)動(dòng)參數(shù) (csv或txt)數(shù)據(jù)表控制[19]，此類構(gòu)件雖然具有常用性、通用性、快捷性、簡(jiǎn)便性等優(yōu)點(diǎn)，但不適合大型的、復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，故大多用于彎頭、法蘭、橋架連接件、支吊架、閥門、IPB、共箱母線等約束條件較少的機(jī)電設(shè)備或通用管線構(gòu)件模型中。非參數(shù)化構(gòu)件雖然不能根據(jù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)，但因其具有不受制于約束條件數(shù)量影響的優(yōu)點(diǎn)，故可創(chuàng)建出精細(xì)度較高的模型構(gòu)件，多來(lái)源于以往項(xiàng)目的積累、設(shè)備供應(yīng)商的提供和設(shè)計(jì)方有針對(duì)性的創(chuàng)建，特別適合大型的、復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，比如水輪發(fā)電機(jī)組、橋機(jī)、主變壓器及各類復(fù)雜的輔助設(shè)備等，如圖2所示。

圖2 專業(yè)構(gòu)件資源庫(kù)部分成果

3.2 超前設(shè)計(jì)

根據(jù)以往水電工程機(jī)電專業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出水電工程與其他民建工程機(jī)電專業(yè)設(shè)計(jì)最大的不同就在于設(shè)計(jì)周期和實(shí)施過(guò)程。

其他工程建設(shè)領(lǐng)域大多都是在設(shè)計(jì)方提供完整的設(shè)計(jì)資料后方才開(kāi)展施工，而水電工程涉及的專業(yè)眾多，土建開(kāi)挖和澆筑周期較長(zhǎng)，所以機(jī)電工程的設(shè)計(jì)、選型、招標(biāo)、采購(gòu)、出圖、施工是根據(jù)工程整體的建設(shè)情況分期實(shí)施，并互相緊密牽制。這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果交付的時(shí)間大量集中在設(shè)備供應(yīng)商的設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)確定最終技術(shù)參數(shù)之后，這讓本就處在整個(gè)工程設(shè)計(jì)鏈下游的機(jī)電專業(yè)很難獲取合理的設(shè)計(jì)周期，嚴(yán)重影響了三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)工作的有效開(kāi)展。鑒于此，在兩河口水電工程中首次提出了 “超前設(shè)計(jì)”的理念。其難點(diǎn)在于需要合理的根據(jù)工程建設(shè)進(jìn)度編制科學(xué)的設(shè)計(jì)計(jì)劃，給三維設(shè)計(jì)留有足夠的實(shí)施周期，以及統(tǒng)一設(shè)計(jì)人員的認(rèn)識(shí)，將三維設(shè)計(jì)的過(guò)程理解為設(shè)計(jì)本身，而將出圖過(guò)程僅理解為設(shè)計(jì)成果的表達(dá)，并非設(shè)計(jì)過(guò)程。其優(yōu)勢(shì)在于可利用數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件在三維環(huán)境中提前開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，將設(shè)計(jì)工作啟動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)前移，此過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況不斷地優(yōu)化和調(diào)整設(shè)計(jì)方案，在方案最終確定后可短時(shí)間快速完成出圖任務(wù)，動(dòng)態(tài)延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期而非出圖周期。 “超前設(shè)計(jì)”可有效避免各類矛盾在施工高峰期疊加到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在提高人力資源使用計(jì)劃性的同時(shí)，還能通過(guò)持續(xù)地進(jìn)行模型維護(hù)和階段性整體設(shè)計(jì)成果的可視化會(huì)商，提升業(yè)主對(duì)設(shè)計(jì)服務(wù)的體驗(yàn)和參與度。

3.3 區(qū)域劃分

BIM行業(yè)內(nèi)極力推行同步分布式交互的協(xié)同設(shè)計(jì)方式，即多個(gè)協(xié)作成員在同一時(shí)間、不同地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)[6-9]。但在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)難度很大，原因是此種方式首先受制于項(xiàng)目是否有投入進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等軟硬件的建設(shè)；其次受制于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)安全；然后還對(duì)設(shè)計(jì)人員電腦終端的性能要求較高；更為重要的是運(yùn)用此種協(xié)同方式要有明確統(tǒng)一的模型或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層級(jí)、轉(zhuǎn)換格式；最后還要求每一位參與項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)的人員理解統(tǒng)一的實(shí)施規(guī)則和具備一定的三維設(shè)計(jì)能力。考慮各種因素、結(jié)合實(shí)際情況，本項(xiàng)目采用了異步分布式交互協(xié)同，即多個(gè)協(xié)作成員在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)文件管理、E-mail、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)等手段進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。在實(shí)施過(guò)程中，逐漸的總結(jié)發(fā)現(xiàn)并提出了 “區(qū)域劃分”的理念，效果顯著，具有一定的推廣價(jià)值。

本項(xiàng)目將機(jī)電專業(yè)的設(shè)計(jì)范圍按系統(tǒng)功能和土建結(jié)構(gòu)物理區(qū)域劃分為若干個(gè)協(xié)同實(shí)施分區(qū)，區(qū)域之間界面清晰，采用標(biāo)準(zhǔn)化的建模環(huán)境保證界面接口格式和屬性一致，每個(gè)區(qū)域內(nèi)均可獨(dú)立完成各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)工作，區(qū)域與區(qū)域之間的模型能夠便捷的進(jìn)行總裝。區(qū)域劃分的原則可根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)由項(xiàng)目部組織各專業(yè)討論確定，劃分的區(qū)域個(gè)數(shù)可隨項(xiàng)目階段的不同而不斷的細(xì)化或適當(dāng)調(diào)整。

如圖3(a)所示，首先將工程以土建結(jié)構(gòu)物理區(qū)域劃分為安裝間、母線洞、第一副廠房、第二副廠房、主變室、主廠房等若干個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)施區(qū)域，若在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某區(qū)域劃分范圍太大，還可繼續(xù)細(xì)分，例如將主廠房再細(xì)分為單機(jī)組段，如圖3(b)所示。其次在單個(gè)區(qū)域內(nèi)具體開(kāi)展多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，單個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)計(jì)深度到達(dá)技施出圖深度后，固化本區(qū)域內(nèi)的總裝模型，再返回各專業(yè)開(kāi)展最后的出圖工作。采用 “區(qū)域劃分”的方式進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)其難點(diǎn)在于前期對(duì)區(qū)域劃分的原則制定，需要多專業(yè)進(jìn)行討論，界定責(zé)任范圍、明確每個(gè)區(qū)域的設(shè)計(jì)邊界。其優(yōu)勢(shì)在于每個(gè)實(shí)施區(qū)域內(nèi)的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)度互不影響，可有效避免混亂，例如安裝間區(qū)域的成果已達(dá)出圖深度，而母線洞區(qū)域仍處于方案設(shè)計(jì)階段，兩個(gè)區(qū)域之間互不影響；其次每個(gè)區(qū)域可進(jìn)行快速的同坐標(biāo)系總裝，隨時(shí)可展現(xiàn)工程整體面貌，讓參建各方清晰的了解工程設(shè)計(jì)進(jìn)度和最新成果。

圖3 部分 “區(qū)域劃分”設(shè)計(jì)成果

3.4 迭代更新

傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)流程存在如下不足[19-20]:

(1)在開(kāi)展施工圖設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員手中只有草圖，缺乏完整的設(shè)計(jì)資料或者因設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)未完成而缺少設(shè)備最終的技術(shù)參數(shù)，所以在繪制最終技施圖紙時(shí)往往需要重新繪制，草圖則被作為輔助參考，故草圖的工作價(jià)值被折損。

(2)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的草圖因受制于設(shè)備廠家供圖時(shí)間或相關(guān)上游專業(yè)出圖時(shí)間等因素，不能一次性準(zhǔn)確傳遞到最終的施工設(shè)計(jì)中，以至于后期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)更改頻繁，造成工期的延誤和成本的增加。

(3)在開(kāi)展工程各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于CAD圖紙均為局部的、零散的單專業(yè)成果，沒(méi)有一個(gè)完整的綜合性設(shè)計(jì)方案供設(shè)計(jì)人員在出圖前進(jìn)行內(nèi)部碰撞檢查和進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(4)業(yè)主在最終的施工圖紙交付現(xiàn)場(chǎng)之前無(wú)法了解工程機(jī)電整體性設(shè)計(jì)方案，以至于在圖紙交付現(xiàn)場(chǎng)或施工完成后又提出諸多的優(yōu)化建議，導(dǎo)致機(jī)電設(shè)計(jì)及安裝工程多次返工。

(5)各項(xiàng)目、各專業(yè)的二維產(chǎn)品及資料難以流通和傳承，導(dǎo)致許多工程的設(shè)計(jì)資產(chǎn)價(jià)值隨時(shí)間衰減嚴(yán)重或直接遺失。

水電工程的設(shè)計(jì)是隨著外部數(shù)據(jù)的輸入而不斷加深的，行業(yè)內(nèi)三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)主推的全生命周期應(yīng)用理念最重要的體現(xiàn)就是做到 “一套模型、一個(gè)工程”，保證模型隨著工程的進(jìn)展不斷細(xì)化加深，同時(shí)模型所承載的數(shù)據(jù)也具有延續(xù)性。通過(guò)兩河口水電工程三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合水電工程的建設(shè)習(xí)慣和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際反饋，筆者對(duì)三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行了適應(yīng)性改良和優(yōu)化，結(jié)合 “超前設(shè)計(jì)、區(qū)域劃分”提出了 “迭代更新”的方法。

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程為:機(jī)電設(shè)備及管線選型計(jì)算→各專業(yè)在三維環(huán)境中利用構(gòu)件資源庫(kù)開(kāi)展初步設(shè)計(jì)→向其他專業(yè)提供三維設(shè)計(jì)初步方案→機(jī)電設(shè)備招標(biāo)設(shè)計(jì)→復(fù)核機(jī)電設(shè)備及管線選型計(jì)算→向其他專業(yè)提資→根據(jù)劃分的區(qū)域和設(shè)備資料的獲取情況持續(xù)優(yōu)化初步設(shè)計(jì)方案中的模型 (迭代更新)→區(qū)域協(xié)同成果三維環(huán)境中聯(lián)合會(huì)審→優(yōu)化設(shè)計(jì)方案或?qū)嵤┢渌罨O(shè)計(jì)應(yīng)用 (根據(jù)需要)→固化模型→完成技施出圖→基于模型的各類信息化應(yīng)用 (根據(jù)需要)。

圖4為兩河口水電工程機(jī)電專業(yè)通過(guò)三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的方式提交工程現(xiàn)場(chǎng)的技施圖紙。

圖4 兩河口三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)部分機(jī)電技施圖紙

雖然優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程多了迭代更新、模型校審、優(yōu)化設(shè)計(jì)等過(guò)程，但從實(shí)施效果來(lái)看，采用積累的構(gòu)件資源庫(kù)在三維環(huán)境中開(kāi)展初步設(shè)計(jì)能夠節(jié)省大量的時(shí)間和人力，加之將設(shè)計(jì)工作啟動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)前移，拉長(zhǎng)了設(shè)計(jì)服務(wù)周期，有效的避免了各類矛盾在施工高峰期疊加到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，留出更多的時(shí)間和人力投入到提高設(shè)計(jì)品質(zhì)的工作中，很大程度地緩解了人力 “洪峰”，同時(shí)還提高了成果質(zhì)量。

通過(guò)實(shí)踐，在兩河口水電工程三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)中將 “迭代更新”分為 “大迭代”和 “小迭代”?！靶〉笔歉鶕?jù)區(qū)域劃分的結(jié)果，根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)度、施工進(jìn)度、設(shè)計(jì)資源獲取的情況，各相關(guān)專業(yè)在單個(gè)單元區(qū)域內(nèi)的迭代更新過(guò)程?！按蟮眲t是根據(jù)工程的重要節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)單元區(qū)域的 “小迭代”成果進(jìn)行總體裝配，再通過(guò)參建各方的聯(lián)合會(huì)審得到工程階段性整體模型最新成果的過(guò)程。通過(guò) “大迭代”和 “小迭代”的交替實(shí)施，能夠很好的將 “一套模型、一個(gè)工程”的全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用理念落在實(shí)處。

4 總結(jié)

隨著BIM技術(shù)在我國(guó)工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入和普及，國(guó)內(nèi)對(duì)BIM技術(shù)的認(rèn)知已逐漸從簡(jiǎn)單的三維設(shè)計(jì)演變到了利用模型解決各種工程具體的問(wèn)題，把關(guān)注點(diǎn)放在了提高項(xiàng)目全生命周期設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維的各種信息化應(yīng)用技術(shù)中[21-25]，而三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)正是BIM技術(shù)各種應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)的基礎(chǔ)。

以工程勘察設(shè)計(jì)工作的維度來(lái)看，傳統(tǒng)CAD時(shí)代的設(shè)計(jì)成果是零散的、不連貫的、信息共享不暢的，而BIM技術(shù)的出現(xiàn)則給設(shè)計(jì)方案的整體呈現(xiàn)、深化設(shè)計(jì)和其他價(jià)值挖掘創(chuàng)造了良好的條件。兩河口水電工程在三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)總裝模型上對(duì)機(jī)電設(shè)備及綜合管線標(biāo)準(zhǔn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、電纜及橋架二次優(yōu)化設(shè)計(jì)、模型輕量化交付、可視化設(shè)計(jì)交底會(huì)商、智能碰撞檢測(cè)、材料量統(tǒng)計(jì)和成本測(cè)算等方面均進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，同時(shí)也在全過(guò)程質(zhì)量監(jiān)督管控、工程進(jìn)度三維可視化實(shí)時(shí)展示與預(yù)警分析、關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備狀態(tài)跟蹤等信息化管控方面進(jìn)行了探索和研究，并對(duì)工程竣工后的智能電站建設(shè)提出了規(guī)劃[26-28]，如圖5所示。

圖5 兩河口機(jī)電設(shè)備及綜合管線標(biāo)準(zhǔn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)部分成果

筆者從兩河口水電工程三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)踐應(yīng)用中總結(jié)得出了 “數(shù)字化設(shè)計(jì)→信息化賦能→智能化應(yīng)用→智慧化服務(wù)”的水電水利工程BIM技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的推薦技術(shù)路線，可供參考。

(1)數(shù)字化設(shè)計(jì):打造標(biāo)準(zhǔn)化的三維設(shè)計(jì)環(huán)境、創(chuàng)建或積累構(gòu)件資源庫(kù)，編制三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)各要點(diǎn)的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范生產(chǎn)過(guò)程、提升設(shè)計(jì)的成果價(jià)值和品質(zhì)，為數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的模型載體。

(2)信息化賦能:通過(guò)采集工程參建各方的各類海量信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聚合、清洗、梳理、分類，通過(guò)對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行承載和體現(xiàn)，并完成模型的總裝與再拆分與再重組，盡可能的提升數(shù)據(jù)的有效價(jià)值。

(3)智能化應(yīng)用:以模型為載體將匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析解決具體的工程應(yīng)用問(wèn)題，釋放模型和數(shù)據(jù)價(jià)值。

(4)智慧化服務(wù):總結(jié)提煉數(shù)據(jù)智能化應(yīng)用的結(jié)果，逐步形成為 “知識(shí)庫(kù)”，結(jié)合相關(guān)的衍生算法為工程提供更優(yōu)質(zhì)、更科學(xué)、更精準(zhǔn)的諸如智能輔助決策、機(jī)電設(shè)備健康預(yù)警預(yù)判、系統(tǒng)故障專家診斷等各類定制化的智慧服務(wù)。

BIM技術(shù)是改變工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維方式的生產(chǎn)力提升，是各類與之相關(guān)生產(chǎn)方式的升級(jí)，是生產(chǎn)關(guān)系的變革，是一種工程建造理念的重要轉(zhuǎn)變。其核心價(jià)值是通過(guò)三維模型、工程各類數(shù)據(jù)以及可交互的應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工程知識(shí)資源的共享共用[29-32]，通過(guò)參建各方對(duì)模型的應(yīng)用和對(duì)其中數(shù)據(jù)的添加、更新、清洗、分類、提取、應(yīng)用，解決各自生產(chǎn)成本的最大化減小，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整體利益的最大化。從設(shè)計(jì)源頭開(kāi)始實(shí)施基于BIM技術(shù)的三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工程師在三維環(huán)境中的設(shè)計(jì)方案交底，不僅能夠有效地提升工程參建各方的設(shè)計(jì)參與感與體驗(yàn)感，還能夠開(kāi)展基于模型為基礎(chǔ)的機(jī)電安裝工程全要素智能化建管服務(wù)，通過(guò)不斷地融入設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、監(jiān)造、設(shè)備物質(zhì)管控、合同管理、質(zhì)量驗(yàn)評(píng)等各類數(shù)據(jù)，使之成為一個(gè)具有生命力、可視化的集成數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析中心[1]。實(shí)現(xiàn)水電水利工程機(jī)電專業(yè)各業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)并聯(lián)與智能化創(chuàng)新應(yīng)用，深度充分挖掘工程數(shù)據(jù)價(jià)值[33-37]，最終實(shí)現(xiàn)各要素?cái)?shù)據(jù)在參建各關(guān)聯(lián)方橫向的傳遞與工程建設(shè)周期縱向的階段性時(shí)序傳遞，將“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)”結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景的問(wèn)題分析、問(wèn)題預(yù)警等智能化創(chuàng)新應(yīng)用和科學(xué)輔助決策價(jià)值充分體現(xiàn)在實(shí)處。圖6(a)為兩河口水電工程整體設(shè)計(jì)方案的輕量化成果交互界面以及在此基礎(chǔ)之上自主研發(fā)的水電工程智能機(jī)電工程管控系統(tǒng)的主界面，如圖6(b)所示。

圖6 機(jī)電模型輕量化交付及智能建設(shè)管控系統(tǒng)

BIM技術(shù)在我國(guó)水電水利工程的應(yīng)用方興未艾，因其涉及到工程設(shè)計(jì)、管理、政策、法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、建造方式、新設(shè)備的應(yīng)用、建造模式、人才培養(yǎng)等各個(gè)領(lǐng)域，不可能一蹴而就，需要行業(yè)內(nèi)各參與方理念的統(tǒng)一和共同的努力。本文以兩河口水電工程的三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)作為切入點(diǎn)，過(guò)程中總結(jié)了相關(guān)重、難點(diǎn)，提出了 “區(qū)域劃分、超前設(shè)計(jì)、迭代更新”的方法，可供其他類似工程借鑒參考。BIM技術(shù)作為未來(lái)工程建設(shè)領(lǐng)域的主要技術(shù)方法，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，行業(yè)認(rèn)知的不斷深入和統(tǒng)一，必將得到更為廣泛的應(yīng)用，前景廣闊。