基于BIM技術(shù)的閘站工程三維設(shè)計應用研究

李 壤,黃錦鵬,胡緒寶,陳蔚華,張周文

(中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司,廣東 中山 528400)

時任美國Autodesk公司副總裁菲利普·伯恩斯坦于2002年提出BIM一詞,原意是指建筑信息模型,隨著各行各業(yè)不斷的推進,其內(nèi)涵越來越豐富,至今包含了工程信息化過程及信息化管理,而且還在不斷與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合,如BIM與GIS、IOT、AR、VR、MR、5G、機器學習、視覺計算、人工智能、大數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)等[1-2]。

目前,在工程行業(yè)BIM已經(jīng)衍生為以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ),運用BIM軟件集成工程項目中各類相關(guān)信息,構(gòu)成一個工程信息數(shù)據(jù)模型,一個完善的信息模型把工程項目全生命周期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源連接于一處,對建設(shè)工程進行完整描述的綜合技術(shù),利用BIM模型可進行工程規(guī)劃、勘察、測量、設(shè)計、建造、運營及拆除,實現(xiàn)動態(tài)、集成、可視化的全過程全周期管理,賦能建設(shè)項目各參與方[3]。

現(xiàn)代水利水電工程設(shè)計理念在不斷迭代更新進步,向資源、景觀、生態(tài)、環(huán)境水利概念看齊[4],結(jié)構(gòu)形式多變,涉及專業(yè)眾多,后期運維管理日趨智能,從設(shè)計、施工、到后期運維全階段,傳統(tǒng)建設(shè)理念和方法都已面臨更大挑戰(zhàn),需要更高層級設(shè)計思維和措施[5]。BIM技術(shù)為工程建設(shè)帶來信息化、數(shù)字化、工業(yè)化、智慧化等優(yōu)勢[6]。針對閘站工程結(jié)構(gòu)形式復雜,異形構(gòu)件眾多、計算分析要求高等因素,運用二維設(shè)計方法不能全方位囊括,因此,運用BIM技術(shù)完成工程中特殊異形構(gòu)件建模合模用模,各專業(yè)同步在一個BIM云平臺上溝通協(xié)調(diào),降低獨立或交叉作業(yè)錯誤率[7]。但BIM技術(shù)在閘站工程上的應用和研究還處于起步階段,遠不及工業(yè)與民用建筑工程,因其結(jié)構(gòu)復雜和功能特殊性決定了對BIM技術(shù)應用需求和建筑方向迥然不同[8]。

利用BIM思維進行設(shè)計,不僅可以提高設(shè)計成果可靠性、安全性及準確性,尤其是在設(shè)計階段,可邊設(shè)計邊校核讓設(shè)計師更注重構(gòu)筑物性能,提高建筑物設(shè)計品質(zhì)[9-10]。三維渲染能全面展示設(shè)計和施工環(huán)境,幫助設(shè)計、施工、業(yè)主及監(jiān)理人員更好地理解設(shè)計意圖,使各方人員對工程設(shè)計意圖的理解達到同一層次,減少理解偏差帶來的信息失真[11]。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容全面逼真地展示出大型閘站工程復雜結(jié)構(gòu)及大型設(shè)備等空間布置情況,對關(guān)鍵線路、工序和復雜節(jié)點實現(xiàn)驗證和優(yōu)化[12-13]。本文從實際工程出發(fā),結(jié)合BIM各類軟件特點及優(yōu)勢,對BIM技術(shù)應用于閘站工程的可行性及優(yōu)越性,進行了參數(shù)化建模、計算分析、出圖出量、方案匯報、施工模擬等研究[14-15]。

1 項目概況

中山市橫欄鎮(zhèn)九頃泵站二期位于中順大圍橫欄堤段,樁號西37+612處,距離拱北水閘約800 m,工程位于寶裕涌出口,屬中順大圍外排泵站。對九頃船閘上閘首拆除并重建,下閘首的排架及啟閉機在進行改造和更換,對船閘閘室底板進行灌漿加固處理。設(shè)計流量為76.5 m3/s,裝機容量為4 020 kW,其中橫欄鎮(zhèn)九頃泵站二期工程設(shè)計流量為45 m3/s,裝機容量為2 520 kW。

前期準備工作包括以下內(nèi)容。

a)BIM協(xié)同環(huán)境。本項目基于云平臺搭建BIM協(xié)同設(shè)計管理平臺,建立模型文件及管理文件多層級多層次結(jié)構(gòu),實現(xiàn)信息與資源共享,大幅提升牽涉各方溝通效率。資料共享、實現(xiàn)多方多地協(xié)同、實現(xiàn)設(shè)計環(huán)境托管與配置。

b)BIM設(shè)計模板。為充分發(fā)揮BIM設(shè)計優(yōu)越性,協(xié)作各專業(yè)需統(tǒng)一BIM設(shè)計標準,預先編制項目樣板。在BIM設(shè)計思維中,面向?qū)ο笫菢O其重要的理念。因此,針對每一個樁基、底板、墩墻、擋墻的典型斷面,皆應有信息定義。設(shè)計階段斷面輪廓的信息定義,通常至少應包含該類構(gòu)件位置及材料信息,以滿足后續(xù)工程量輸出以及各類信息表達生成。除上述信息定義之外,該設(shè)計模板中還應包含符合要求的標注符號樣式、標準規(guī)范圖框及本項目定制的其他標準化內(nèi)容等。

2 BIM技術(shù)應用

2.1 建立幾何模型

本次建立施工圖階段BIM模型,其包含地形、水工、金屬結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、設(shè)備、園林等8個專業(yè)模型。此外,交通橋板、道路及河流用樓板、地形子面域命令建模。BIM模型見圖1,共有10個建筑物(泵房、船庫、船閘上下閘首、防洪閘、清污橋、攔污橋、值班室、樁基、擋墻)。該模型Revit項目文件以默認原點作為項目基點,便于各專業(yè)模型合模,鏈接模型的方式減少合模模型大小,便于模型打開查看傳遞。模型按照圖紙及相關(guān)資料搭建,結(jié)構(gòu)與真實尺寸保持一致。

a)地形(含道路、河流)

b)泵房上部建筑

c)防洪閘上部建筑

d)泵房下部結(jié)構(gòu)

e)防洪閘下部結(jié)構(gòu)

f)船閘上閘首上部建筑

g)機電(給排水+金結(jié))

h)結(jié)構(gòu)擋墻

2.2 綁定非幾何信息參數(shù)

BIM設(shè)計不單純是創(chuàng)建三維模型,其重點是模型中的信息。模型信息分為幾何信息和非幾何信息。幾何信息是存在模型中的實體,可以直接看到和編輯,如結(jié)構(gòu)墻、柱、梁、板、基礎(chǔ)等構(gòu)件;非幾何信息是賦予這些構(gòu)件的參數(shù),如構(gòu)件名稱、材質(zhì)、混凝土等級、尺寸、注釋、采購時間、供應商、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、價格及使用壽命信息等。BIM的非幾何信息對于施工、運維至關(guān)重要,因此,在模型創(chuàng)建過程中工程師們就需要將非幾何信息按需求賦予構(gòu)件。

如項目中把結(jié)構(gòu)材質(zhì)、混凝土等級等信息綁定對應的幾何構(gòu)件中,實現(xiàn)數(shù)模綁定,后期隨著模型流轉(zhuǎn),可以在任何能打開模型的端口查看。模型信息賦值見圖2。

a)綁定信息(墻、柱、墩臺)

b)綁定信息(底板、墩墻)

c)綁定信息(樓板、樓梯、梁)

2.3 導入計算軟件分析

基于Revit模型計算分析,創(chuàng)建BIM模型是第一步,Revit模型創(chuàng)建應該遵循計算分析軟件對接要求,進行模型準備。在Revit中創(chuàng)建只包含構(gòu)件尺寸等基本信息的結(jié)構(gòu)專業(yè)初期模型,并利用程序間的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將Revit模型導入到結(jié)構(gòu)分析計算軟件中,如用CFD進行泄流水力學分析,Mida進行水工結(jié)構(gòu)力學有限元計算分析,將計算調(diào)整完成后的模型數(shù)據(jù)信息用于Revit模型修改,對模型附加更多信息,然后在Navisworks軟件中將所有專業(yè)的模型合并,進行專業(yè)綜合協(xié)調(diào)。最后在Revit中調(diào)整模型,并利用剖切方式導出結(jié)構(gòu)平法圖紙。模型計算分析見圖3。

a)BIM模型導入CFD

b)BIM模型導入Midas

2.4 主要參考工程量統(tǒng)計

Revit明細表統(tǒng)計功能,快速計算出BIM模型主要構(gòu)件參考工程量,參考工程量統(tǒng)計數(shù)據(jù)整理后供相關(guān)部門做工程量概預算參考。通過計算出參考工程量,對整個項目資源做協(xié)調(diào)管理。設(shè)計階段可提高算量預算提資和項目工程量準確度。施工階段工程量實時計算,控制工程中物料采購,勞動力配合,使施工資源達到最優(yōu)利用,從而加快施工進度。運維階段工程量可以直接用于物資管理、設(shè)備記錄巡查、檢查維修派單等需求,工程量統(tǒng)計見圖4。

a)門、結(jié)構(gòu)柱、欄桿扶手統(tǒng)計工程量

2.5 碰撞檢查

碰撞檢查是基于建立好的模型,應用BIM軟件合并各專業(yè)模型,進行檢查碰撞沖突問題的發(fā)現(xiàn)、記錄,完成設(shè)計圖紙范圍內(nèi)各種結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、機械等平面和豎向高程相協(xié)調(diào)的三維協(xié)同工作,以避免空間沖突,盡可能減少碰撞,優(yōu)化專項方案,提升日后使用價值,避免產(chǎn)生工期延誤、返工等問題。碰撞檢查見圖5。

a)底板結(jié)構(gòu)與金結(jié)沖突碰撞

b)墩墻結(jié)構(gòu)與給排水管道碰撞

2.6 渲染圖片及視頻

基于搭建完成的各專業(yè)BIM模型,通過Enscape插件型渲染工具,在Revit軟件中直接渲染。其出眾之處在于其運行速度快,對電腦配置要求相對較低,與主體模型可以進行實時渲染同步,操作簡便,即能進行項目溝通交流定稿,又能配合進行企業(yè)宣傳。渲染圖片及視頻見圖6。

a)渲染圖

b)渲染視頻

2.7 施工模擬

可通過Fuzor軟件模擬一些復雜施工內(nèi)容。其操作相對簡潔,同時能夠與Revit建模軟件實現(xiàn)雙向聯(lián)動。不同施工模擬可以使用不同動畫類型進行表達,在模型處理、效果展示上有著Navisworks、Lumion等軟件沒有的優(yōu)勢。但是Fuzor的缺點也相對明顯,在使用過程中發(fā)現(xiàn)大體量模型處理對電腦配置要求較高;Fuzor軟件下無法對地形進行壓平、局部抬高等編輯,例如河流山川等地形環(huán)境也需要在Revit建模軟件中建立后導入渲染,無形中降低了軟件處理效率;在模擬一些特殊施工環(huán)節(jié),例如觸發(fā)事項模擬,依然有較高難度。施工模擬見圖7。

a)泵房模擬

b)基坑開挖模擬

2.8 BIM模型方案匯報

方案匯報目前有2種主流模式。第1種是基于Revit原模型匯報;第2種是基于網(wǎng)頁端輕量化模型,進行網(wǎng)頁端查看交流與匯報。

基于原模型匯報,直接在Revit打開模型,進行溝通匯報,優(yōu)點是不需要轉(zhuǎn)到第三方查看模型,缺點是需要高配置電腦,低配置電腦難以正常顯示。

基于網(wǎng)頁端輕量化模型匯報,首先需上傳Revit模型至網(wǎng)頁端,即可在任意PC、平板、手機等硬件端,流暢打開該類網(wǎng)頁進行模型快速查看。便于向業(yè)主匯報,問題記錄與交流,簡化操作過程,提升匯報交流效率。匯報現(xiàn)場見圖8。

a)網(wǎng)頁端輕量化模型標注

b)網(wǎng)頁端輕量化模型剖切

3 結(jié)語

中山市橫欄鎮(zhèn)九頃泵站二期工程結(jié)構(gòu)復雜、形式多樣,容易出現(xiàn)專業(yè)間提資過程中,信息傳遞不充分不及時,采取統(tǒng)一模型模板及云端協(xié)作的控制措施,防止了各專業(yè)設(shè)計信息丟失、割裂。本項目以閘站主體為例,通過多專業(yè)協(xié)同三維參數(shù)化設(shè)計應用,將閘站工程各專業(yè)靈活結(jié)合在同一設(shè)計空間內(nèi),驗證了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計空間的合理性;計算分析軟件復用BIM模型,提高了設(shè)計計算分析手段;BIM方案匯報,豐富了工程設(shè)計方與業(yè)主方的信息溝通方式?？梢詫㈤l站工程的BIM設(shè)計經(jīng)驗運用到類似工程中,為其他景觀河道類工程的設(shè)計提供了寶貴設(shè)計經(jīng)驗。