基于BIM技術的泵閘工程設計

翁發(fā)根，黃 河

（中鐵水利水電規(guī)劃設計集團有限公司，江西 南昌 330029）

隨著數(shù)字化、信息化的逐步發(fā)展，BIM 技術已經(jīng)成為工程建設領域的“第二次科技革命”[1]，可為工程設計、建造、運維各階段需求提供全生命周期的解決方案。水利工程正在從傳統(tǒng)的二維設計向三維協(xié)同設計發(fā)展，BIM 技術的應用有效解決了常規(guī)水利工程設計的痛難點。大型泵閘工程涉及專業(yè)多、協(xié)同工作量大、設備及管路布置復雜，傳統(tǒng)的二維設計已很難滿足日益精細化管理的需求[2-6]。本文以某大型泵閘工程為例，采用Bentley 軟件平臺，全專業(yè)使用BIM 技術，在工程布置優(yōu)化、工程量快速統(tǒng)計、三維配筋快速成圖以及智慧管理等方面進行了深入應用，為類似泵閘工程BIM技術應用提供參考。

1 工程概況

某泵閘樞紐工程位于南昌市昌北城區(qū)，設計排澇流量342 m3/s，是一座大（1）型泵站，擬用7 臺ZGQ46.0-3.13 型豎井貫流泵，單機容量2 500 kW，總裝機容量17 500 kW。工程擬新建進水閘、主泵房、安裝間、副廠房、管理房、交通橋和開關站等設備設施。工程建設總工期32 個月，已于2020 年7 月開工，預計2023年8月竣工。

泵站設計排澇流量342 m3/s，其排澇規(guī)模居國內(nèi)前列。單個水泵葉輪直徑超過4 m，單機流量49.0 m3/s，配套電機容量2 500 kW，是目前世界在建最大的豎井貫流式機組和泵站。

2 BIM技術應用總體情況

依托Bentley 軟件多專業(yè)協(xié)同設計平臺，在保證數(shù)據(jù)接口暢通前提下，基于Project-Wise 搭建項目共享環(huán)境，各專業(yè)可實時同步上傳進度文件，實現(xiàn)多端同步建模，保證多專業(yè)協(xié)同和文件共享。根據(jù)統(tǒng)一的軸網(wǎng)定位文件，地質(zhì)專業(yè)與水工專業(yè)先行創(chuàng)建數(shù)字地質(zhì)模型與泵閘主體結構模型，其余各專業(yè)參考上述模型同步作業(yè)；在專業(yè)模型之間遇到?jīng)_突或不明確的情況時，或是在項目中期關鍵節(jié)點時，通過三維協(xié)同會議室進行集中會審，確保各專業(yè)步調(diào)一致；模型建立以完整性及精度為導向，材料、日期等屬性信息由應用端人員統(tǒng)一掛接。

2.1 軟件應用配置

根據(jù)項目情況，調(diào)配各專業(yè)三維設計人員組成協(xié)同設計項目組，以滿足項目各流程的專業(yè)需求。工程涉及航測、地質(zhì)、水工、施工、水力機械、金屬結構、電氣、建筑、給排水等專業(yè)。根據(jù)各專業(yè)特點選擇不同的設計軟件，本泵閘工程BIM 設計應用軟件配置詳見表1。

表1 泵閘工程BIM設計應用軟件匯總

2.2 應用內(nèi)容及特點

BIM 技術在本工程的測量、地質(zhì)、水工建筑、電氣、水力機械、金屬結構、施工等專業(yè)均進行了應用。

通過導入鉆孔資料，生成三維地質(zhì)網(wǎng)格面，并建立基于地質(zhì)模型的三維地層模型，如圖1—2所示。

圖1 三維地質(zhì)網(wǎng)格面

圖2 地層模型

通過三維軸側圖、剖切圖、透視圖等對復雜結構進行表達，如建立泵房模型及水機設備裝配模型，如圖3—4 所示；建立金屬閘門三維模型及裝配模擬，如圖5—6 所示，提高參建單位讀取圖紙信息的效率并減少錯漏。

圖3 泵房模型

圖4 水機設備裝配模型

圖5 金屬閘門三維模型

圖6 金屬閘門裝配模擬

結合三維設計模型，應用專業(yè)配筋軟件ReStation，實現(xiàn)三維配筋并快速抽取二維鋼筋圖和自動統(tǒng)計鋼筋材料表，如圖7—8 所示。通過Restation 對泵房、閘室等處大體積混凝土結構配筋，可實現(xiàn)鋼筋直徑、保護層、彎折、錨固等細節(jié)的一鍵處理、一鍵出圖，免去人工二維鋼筋圖繪制中的繁瑣設計過程，提高工作效率。

圖7 配筋模型

圖8 二維配筋圖

對模型進行視圖操作后可導出細部或全局精細設計圖紙，布置圖直接使用三維圖像表達，如圖9所示，施工圖和細部結構圖可導出二維圖紙。

圖9 三維全站總裝模型

通過LumenRT軟件實時渲染的模型，如圖10所示，并與設計軟件同步，方便項目建設時和建成后效果的快捷演示，基于BIM 技術的全站渲染效果如圖11所示。

圖10 實時渲染演示

圖11 三維設計模型渲染效果

BIM 技術應用于本泵閘工程的最大特點是緊密結合現(xiàn)場施工，在復雜工程多專業(yè)協(xié)同設計、工程布置優(yōu)化、工程量快速統(tǒng)計、三維配筋快速出圖、設備裝配模擬和建管平臺開發(fā)應用等方面得到了較充分的應用。

2.3 創(chuàng)新亮點

（1）本工程涉及專業(yè)多、結構復雜，通過三維模型演示，在與業(yè)主、施工和監(jiān)理等參建單位溝通工程布置時，大大減少了溝通時間，避免了設計遺漏，提高了設計效率和設計準確性，出具的圖紙涵蓋三維軸測圖、剖視圖和抽取的二維結構布置、鋼筋圖等，內(nèi)容豐富、形象直觀，改變了原有傳統(tǒng)的二維出圖方式，在工程建設過程中廣受歡迎。交付現(xiàn)場施工使用的三維設計圖紙，如圖12所示。

圖12 交付現(xiàn)場施工使用的三維設計圖紙

（2）本工程地處沖積平原區(qū)，工程地質(zhì)條件較差，采用鉆孔灌注樁對地基進行處理。通過GeoStation 地質(zhì)三維設計軟件建立實體地層模型，能較全面地了解地層分布情況，布置樁基礎時能有效地控制樁底高程，精確到每一根樁，進而較好地控制樁基工程量?；谌S地質(zhì)模型的三維精確布樁模型，如圖13—14所示。

圖13 三維地質(zhì)樁基模型

圖14 三維精確布樁模型

（3）本工程將BIM技術與工程建設深度融合，實現(xiàn)工程質(zhì)量管理、進度管理、安全監(jiān)測、造價管理等關鍵業(yè)務與BIM 模型的數(shù)字化映射，通過AI 技術實現(xiàn)工程指定區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測、識別、統(tǒng)計等智能分析，為工程建設管理提供良好的數(shù)據(jù)和決策支撐，實現(xiàn)泵閘工程設計建造高效管理?；贐IM模型的智慧建管平臺和施工進度模擬如圖15 所示。該平臺可結合工程設計以及實際建設進度信息，綜合展示工程實時施工進度情況，并可動態(tài)模擬工程施工建設過程，實現(xiàn)了現(xiàn)場視頻的在線查看、控制功能，同時實現(xiàn)了視頻智能分析功能，基于人工智能技術和視頻流處理技術對目標區(qū)域進行人臉識別、安全帽檢測，非法侵入檢測等。

圖15 基于BIM模型的智慧建管平臺和施工進度模擬

3 BIM技術應用總結

本泵閘工程作為世界在建最大的豎井貫流式機組和泵站，涉及專業(yè)多、結構復雜，采用Bentley 軟件平臺，全專業(yè)使用BIM技術進行設計表達，在工程布置優(yōu)化和調(diào)整時，大大節(jié)約了設計人員間的溝通時間，提高了設計效率和設計準確性。

工程結合地質(zhì)模型，在樁基布置時對樁長控制更精準；采用三維模型配筋等方法，可以提高出圖效率；在BIM模型基礎上進行屬性掛接、裝配模擬等應用，為工程后續(xù)過程提供了更全面的支持；BIM技術貫穿整個施工過程，實現(xiàn)建設質(zhì)量、施工進度、安全生產(chǎn)、資金使用等的精準控制，為工程建設管理提供良好的數(shù)據(jù)和決策支撐，實現(xiàn)泵閘工程設計建造管理。

本工程最終交付三維軸測圖、剖視圖、抽取的二維結構布置圖和鋼筋圖等各類圖紙300余張，各專業(yè)模型50余項，設計效率較傳統(tǒng)方法提升數(shù)倍。

隨著項目施工的進行，工程BIM 建管平臺將進一步完善，并建立基于BIM 技術的設計施工一體化平臺，架起聯(lián)系設計表達和施工實施的紐帶，在原有工作和本項目的基礎上，進一步豐富模型材料庫和完善三維技術標準等，為BIM 技術設計應用及創(chuàng)新提供技術支撐。