烏東德水電站K25溶洞集控樓三維設計關鍵技術研究

王 寧，李 麗 君，周 自 清，殷 俊

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著國家和行業(yè)相關技術標準和規(guī)范的不斷落地與完善，三維設計與BIM技術已成為水利工程勘測設計的重要技術手段，在不少在建的大中型水利工程中得到普遍應用。水利工程三維設計與BIM技術應用已從設計單個階段、單個專業(yè)的應用往全階段、全過程、全專業(yè)的應用轉變。多專業(yè)協同設計成為現階段水利工程三維設計發(fā)展的主要趨勢。

與建筑工程相比，水利工程一般具有體量大、結構復雜、涉及專業(yè)眾多、施工周期長、現場環(huán)境因素影響較大等特點。因此水利工程三維設計過程更加復雜，對于三維設計軟件的要求更高。目前水利工程三維設計平臺主要有“ABC”三大軟件平臺，即Autodesk Revit、Bentley MicroStation、達索的CATIA(3DE)。限于軟件技術局限性，單一軟件平臺很難滿足水利工程全過程三維設計應用需要，因此多軟件協作成為目前較為常見的技術方式。

作為一個典型的大型水利樞紐，烏東德水電站在設計階段即采用了多平臺協同的三維設計方式。其中大壩主體與附屬主要水工構筑物采用CATIA軟件進行三維設計，而項目配套的管理房及集控樓采用了Revit軟件進行設計。由于設計方案中該集控樓位于大壩右壩肩K25溶洞，為三維設計帶來了技術難題。鑒于烏東德水電站集控樓的地形特殊性及本身的復雜構造，本文采用了以SketchUp、Revit等多種軟件相結合的設計方式，通過三維方式解決洞壁地形、復雜的建筑外形及內部布局問題，并最終完成集控樓三維設計出圖工作。

1 K25溶洞集控樓項目介紹

1.1 烏東德水電站與K25溶洞概況

烏東德水電站壩址位于四川省會東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段，是金沙江下游河段4個梯級(烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩)中的第一個梯級電站，為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成[1]。緊鄰大壩右壩肩處存在天然巖溶斜井K25溶洞[2]，該溶洞有“形態(tài)不規(guī)則、大跨度、高邊墻、小夾角”的工程特點。文獻[2]中提出采用“上部封閉、中部攔擋、下部置換”的處理方案，斜井內充填物開挖前，對頂部位進行了修型、錨固處理，以防止下部充填物開挖時頂部掉塊?；诖髩沃黧w水工結構受力及安全需要，溶洞下部采用混凝土回填，至標高988 m處與大壩壩頂齊平。溶洞內部形成一個長為62.8 m、寬為32 m、最高點達24.8 m的空間。經過方案論證，將烏東德樞紐的集控中心布置在該溶洞中[3]。這種溶洞中布置建筑物的方式為建筑設計工作帶來了挑戰(zhàn)，也為集控樓順利出圖提出了更高的技術要求。

1.2 項目特點及難點

1.2.1地形獨特

根據文獻分析對比，利用壩肩的天然溶洞來布置集控樓尚屬國內外水電站工程首例[3]，因此沒有太多可參考案例對比指導該項目設計。跟普通的建筑工程相比，該項目最大特點在于建筑物在地形(即溶洞洞壁)之內，而不是在地形之上。為精確地表達洞壁與建筑物空間位置關系，決定采用三維設計方式進行集控樓建筑設計。

1.2.2建筑外形獨特

集控樓外部采用特殊異形曲面造型，美觀大方。為還原方案設計的意圖，通過Rhino軟件精確地創(chuàng)建了集控樓外觀模型，如何在施工圖設計階段準確利用Rhino模型的三維形體數據出施工圖也成為項目設計的技術難點。

1.2.3建筑內部構造復雜

項目涉及的集控樓方案采用地上1層、地下3層共4層結構，內部布置大廳、中控室、值班室、計算機房、會議室、通訊設備間及通風排煙機房、配電室等輔助設備用房[3]。集控樓內部構造復雜，各類管線系統(tǒng)空間布局密布，也對工程設計手段提出了更高的要求，采用三維設計方式更能直觀地表達這種復雜的空間布局。

1.3 項目三維設計技術特點

1.3.1全過程三維正向設計

項目建筑設計采用全過程三維協同設計方式完成施工圖設計并提交圖紙成果，設計涵蓋了概念方案設計到施工圖設計階段。在概念方案階段，采用SketchUp軟件創(chuàng)建建筑物的基本外形及場地布局；在初步設計階段，利用Rhino軟件精確創(chuàng)建建筑物外部異形幕墻形體，并導入到Revit中，與建筑、結構Revit模型進行整合；在施工圖設計階段，對Revit模型進行平立剖出圖，并添加必要的尺寸標注及文字注釋，經過校審后，最終生成正式施工圖紙。

1.3.2多軟件數據融合探索

該項目建筑設計是一次多種軟件間協同、多數據融合的成功探索。從方案設計到施工圖設計，運用到SketchUp、Rhino、Revit、3DMAX等多種軟件。設計數據傳遞盡可能無損地在各個軟件中進行傳遞。最大限度保留概念方案設計意圖。此外，根據項目施工管理階段要求，將Revit格式BIM模型導入3DE三維設計平臺，將歐特克與CATIA雙平臺模型進行整合，為后期施工階段建設管理提供重要的數據支撐[4-5]。

1.3.3溶洞內壁與回填地形處理

為精確表達溶洞內壁與集控樓的空間位置關系，采用了Rhino軟件進行了洞壁建模，并將洞壁模型導入Revit中與集控樓主體模型進行整合，從而確保在復雜地理環(huán)境中集控樓布局。通過Revit體量建模表示混凝土回填地形，也對于集控樓出圖與工程量統(tǒng)計起到重要參考作用。

2 K25溶洞集控樓三維設計

2.1 三維設計總體技術流程

項目從概念方案設計到施工圖出圖的主要設計工作均采用了三維設計軟件進行三維設計，其主要工作步驟如圖1所示。

圖1 三維設計總體工作流程

2.2 方案設計

溶洞集控樓造型設計靈感來源于大壩開閘泄洪時水流飛泄的自然形態(tài)[3]。在方案創(chuàng)作階段，通過SketchUp創(chuàng)建建筑形體，推敲設計方案。在設計方案確定后，再利用Rhino創(chuàng)建精確的建筑外部異形曲面形體(見圖2)。

圖2 項目方案設計及建筑外形處理技術流程

SketchUp和Rhino是建筑設計中常用的建筑方案的造型設計軟件[6-7]。這兩種軟件功能特點鮮明：SketchUp功能簡潔、易于上手，可快速創(chuàng)建形體，無需進行復雜的三維建模，可以應用在建筑、規(guī)劃、園林、景觀、室內以及工業(yè)設計等領域，不過設計精度有限，特別是復雜曲面造型形體建模；Rhino則具備諸如掃掠、放樣、旋轉、布爾運算、拉伸、控制點調節(jié)等各種不受約束的自由造型三維建模工具，可以根據想象構建任何造型而不受復雜度及尺寸的限制，適合創(chuàng)建異形化的建筑構件。

2.3 施工圖設計

2.3.1建筑模型創(chuàng)建

K25溶洞集控樓主體是一個4層的混凝土框架結構建筑物，在集控樓建筑主體三維設計中采用常規(guī)的建筑設計方式：即在Revit軟件中通過標高軸網定位，并利用墻、板、柱等構件完成建筑主體BIM模型創(chuàng)建；并根據需要對各樓層進行房間分隔與功能劃分。在反復優(yōu)化修改之后，得到可出施工圖深度的BIM模型，并為施工出圖做準備。

圖3是集控樓主體建筑BIM模型，展示出建筑內部各層空間的布置情況。

圖3 集控樓建筑布局

2.3.2結構計算模型的導入

在該項目結構的三維設計中，考慮到結構設計專業(yè)的特殊性(結構設計模型要與結構分析計算關聯)以及Revit軟件結構設計的局限性(即本身不具備結構分析計算功能)，課題組并未采用在Revit軟件中直接進行結構構件建模的方式，而是先利用盈建科YJK軟件進行結構分析計算，然后通過探索者插件將YJK結構分析計算模型導入到Revit軟件中，再修改完善結構模型并提交建筑和機電專業(yè)作為設計參考。結構計算模型導入流程如圖4所示。

圖4 結構三維設計技術流程

2.3.3地形處理(溶洞內壁處理)

該項目溶洞集控樓處于地形(溶洞洞壁)之內，因此跟常規(guī)的建筑物所處的地形有明顯的區(qū)別。為了準確表達這種空間位置關系，課題組利用Rhino軟件對等高線地形(DWG格式)進行放樣生成準確的地形曲面，并通過SAT格式導入到Revit軟件中(流程如圖5所示)。這樣可使得地形、建筑物整合在同一個BIM模型中，以便于后期建筑設計出圖及空間位置表達。

圖5 地形(溶洞洞壁)三維設計處理流程

2.3.4混凝土回填表示

K25溶洞集控樓所處地面(高程988 m)以下的部分采用混凝土回填方式施工，而集控樓地下3層空間為回填后保留的不填充區(qū)域。由于Revit軟件中難以通過常規(guī)的結構構件表示這類內部中空的空間布置，課題組利用Revit內建模型表示混凝土回填區(qū)域，通過Revit內建模型的在位編輯功能(放樣、拉伸及空心形狀剪切等，如圖6(a)所示)完成混凝土回填區(qū)域模型的創(chuàng)建(如圖6(b)所示)，然后將回填區(qū)域模型與建筑、結構模型進行整合。這樣不僅能夠準確反映集控樓地下部分的空間布局，有利于內部空間優(yōu)化布置，也為后期出施工圖提供參考。

圖6 混凝土回填區(qū)域三維設計建模

2.3.5BIM模型的整合

在Revit中，分別完成幕墻、建筑、結構、基坑、巖壁及邊坡構件建模后，利用Revit模型鏈接功能[8]，將上述各個模型構件鏈接進主體模型，完成模型的拼接與整合工作，如圖7所示。這里要注意各個模型構件需采用統(tǒng)一的定位參照。定位參照一般將主體建筑物的A軸與1軸交點處定為項目原點，各專業(yè)均以該定位位置為準，建模后不得再修改移動定位基準。除此之外在模型鏈接過程中還需注意項目北與正北朝向，確保各個模型構件按同一基準定位和同一項目朝向進行整合。

圖7 集控樓模型整合

2.3.6模型出圖

在完成各專業(yè)深化設計工作后，在Revit軟件進行各專業(yè)模型整合，利用Revit的出圖功能完成項目的施工圖設計工作[9-10]，步驟如下：

(1)選用本單位訂制視圖樣板文件，該樣板文件中包括圖框、尺寸標注樣式、線型、字體、工程量表、圖案填充等預定義樣式。

(2)基于Revit的出圖功能，由模型的平面、立面、剖面視圖，添加必要的尺寸標注及文字注釋，完成平、立、剖出圖及場地布置圖紙。

本文采用了鴻業(yè)BIMSpace建筑插件實現樓梯大樣圖及立面圖快速出圖。

3 結論與展望

3.1 結 論

水利工程三維設計與BIM技術全過程全生命周期應用已成為水利設計行業(yè)技術發(fā)展的主要趨勢。在大型水利水電工程三維設計工作中，往往存在多平臺協同設計、數據整合的情況。本文以烏東德水電站K25溶洞集控樓工程設計為例，介紹了如何通過多種軟件實現三維正向設計出圖。該項目的三維設計工作主要技術特點包括：

(1)采用三維正向設計模式。K25溶洞集控樓采用了從方案設計到施工圖設計全過程三維設計模式，主要設計圖紙從BIM模型中生成。

(2)解決了異形建筑造型建模與出圖問題。在方案設計階段，利用Rhino精確地對異形曲面外立面幕墻建模，并導入Revit中進行幕墻分割，最大限度保證了設計意圖的實現。

(3)溶洞內壁的模型生成與剖切。鑒于K25溶洞集控樓建筑主體在溶洞之中，利用Rhino放樣生成洞壁曲面并導入Revit，為建筑方案布置做參考。

(4)混凝土回填模型。K25溶洞集控樓地下部分混凝土回填部分建筑布局復雜，本文通過Revit內建模型方式對該區(qū)域精準建模，為地下建筑設計提供了重要參考。

3.2 展 望

水利工程三維設計已從初期的三維參數化建模發(fā)展為以BIM技術為核心的三維協同設計。目前單一軟件平臺進行水利工程三維設計的技術已相對成熟，而且行業(yè)中對于主流的設計平臺的技術成果較豐富。然而由于水利工程的復雜性，單一平臺往往難以覆蓋水利工程全專業(yè)設計需求。因此多平臺協同成為目前水利工程三維設計技術研究熱點。本文圍繞烏東德水電站K25溶洞集控樓項目探討多平臺協同的水利工程三維設計技術應用，不僅為類似項目設計提供參考，同時也為水利工程多設計平臺軟件間工作協同、數據協同提供了一條思路。