BIM项目案例：某水电站枢纽工程BIM设计与应用

1工程概况

  1.1项目简介

   水电站坝址位于四川省会东县和云南省禄劝县交界的金沙江下游河道上。电站上距攀枝花市213.9km、下距白鹤滩水电站182.5km，下距重庆市928km.坝址控制流域面积40.6万km2，占金沙江流域面积的86%，占长江宜昌以上流域面积40%以上。电站开发任务以发电为主，兼顾防洪。

   水电站正常蓄水位975m，坝顶高程988m，最大坝高270M（世界第5高拱坝），总库容74.08亿m3，装机容量10200MW（世界第5），工程静态总投资为789亿元，为I等大（1）型工程。枢纽工程主体建筑物由混凝土双曲拱坝、坝身5个表孔和6个中孔、右岸2条泄洪洞、两岸地下电站等组成。乌东德水电站枢纽工程CATIA三维勘测设计模型及效果图见图1.

图1乌东德水电站枢纽工程CATIA三维勘测设计模型与效果图

  1.2工程特点和难点等

  乌东德水电站工程规模大，创造许多世界之最，是目前世界上最薄的300米级双曲拱坝，拥有世界最高的地下厂房（89.8米），大坝单位坝顶弧长泄量世界第一，导流洞开挖断面世界第一，导流洞高度世界第一；尾水洞调压室开挖半径世界第一，是首个坝身不设导流底孔的高拱坝，首个采用半圆筒型调压室的水电站。乌东德水电站工程设计深度全面，技术难度巨大；施工条件复杂，技术难度高，建设工期紧张；参建单位众多，协调工作繁琐；涉移民、环保水保等专业领域，是一项规模宏大的系统性工程。

2BIM组织与应用环境

  2.1BIM应用目标

  乌东德水电站枢纽工程基于我院初步构建的集地质、水工、桥隧、建筑、机电、金结、施工总体等多专业于一体的三维协同设计集成化平台，融合传统勘测设计模式，建立了多专业三维勘测设计模型，在工程勘测设计的不同阶段开展“方案比选与论证、参数化精细设计建模、有限元计算分析、多专业错漏碰检查、工程量自动统计、三维配筋、二维出图、施工组织设计仿真、视觉传达”等多方位的专业性工作，助力工程整体设计质量与效率的提升，为业主提供更为优质的设计产品与咨询服务。

  2.2实施方案

  乌东德水电站枢纽工程三维勘测设计为长江设计院BIM设计先驱项目，本项目通过GOCAD读取工程地质数据库，并在GOCAD中进行三维地质建模，通过二次开发插件，将GOCAD三维地质模型连同属性导入CATIA平台，作为枢纽布置设计上游主要数据源之一。并基于CATIA平台通过骨架关联设计技术与数据接口融合技术把水电工程多专业集于统一的数据源进行三维协同设计与应用。

  2.3团队组织

  本项目由项目经理挂帅，项目副经理、总工及项目BIM助理负责组织开展多专业三维协同设计应用工作，包括任务策划与分解、人员确定与分工、协调与组织实施，三维协同设计过程管理程序见图2.下设专业设计组、BIM技术支持组和二次开发组。专业设计组包括专业负责人、专业主设人，涉及测量、地质、坝工、厂房、导流、机电、金属结构等专业，其中坝工专业为牵头专业，负责项目三维设计整体的技术协调。BIM技术支持组负责平台维护、并对专业设计组在三维设计过程中遇到的重难点软件技术问题进行技术支持，同时梳理多专业共性、单专业特性需求并提交二次开发组，根据优先级进行针对性二次开发与定制后，反馈于BIM技术支持组与专业设计组进行迭代测试与使用，整个团队协作运行。

其中专业设计组、BIM技术支持组和二次开发组大部分人员具备专业设计与BIM应用及研发的复合能力，为项目的推进提供了强力的技术人才保障。

图2三维协同设计过程管理

2.4应用措施

     乌东德水电站枢纽工程BIM设计实施继承勘测设计的设校审机制，施行我院现有的BIM设计标准体系，主要包括：《水利水电工程三维设计过程管理程序》、《水利水电工程三维协同设计文件编码规则》、《水利水电工程三维地质建模规定》、《CATIA水工结构三维设计技术指南》、《CATIA水工结构三维设计出图规定》、《基于CATIA的水利水电工程模板入库条件与管理通则》等院企业标准。

2.5软硬件环境等

    我院以CATIA为三维协同设计基础平台，目前在不同程度上打通了各类具有本专业优势的设计专用软件（表1）与CATIA的数据接口融合，持续提高平台的软件接口集成化与协同化程度。

    通过企业私有云架设基于网络的三维协同设计基础平台，配置DellPowerEdge系列数据库服务器、Dell图形工作站等，保证了图形显示和运算效率。

3BIM应用

   3.1BIM建模

    乌东德水电站枢纽工程在预可研、可研、施工详图等各设计阶段，基于CATIA基础平台及专业软件开展了地质、坝工、电站建筑物、导流、机电与金结等多专业三维协同设计，不同设计阶段有逐步求精的模型深度等级。

   （1）三维数字化勘测与三维地质建模。乌东德水电站通过平板式工程地质测绘系统和平板式钻孔地质信息录入系统完成了13000米勘探平洞和150多个、近26000米的地质钻孔。

    在前期勘测阶段，现场实测地质数据如地质点、勘探点等数据按标准格式，现场即时录入平板电脑，并及时发送到工程地质数据库，从源头上解决数据录入问题，大幅提高地质勘测效率。

    在后期施工阶段，通过施工地质可视化快速编录系统，现场直接完成施工地质编录工作，生成施工地质照片为底板的施工地质编录图，还可以将编录内容与照片转入三维模型，并及时发送到工程地质数据库，能够提供更为详细的三维地质施工解译成果。

    从工程地质数据库中读取测绘点、钻孔、平洞等地形地质数据并自动导入GOCAD中，结合ArcGis技术，构建高精度三维地质模型（图3）后，连同地质属性信息导入至CATIA基础平台中，进行后续枢纽布置等多专业三维协同设计。

图3高精度地质三维模型构建过程

  （2）枢纽工程总骨架与专业子骨架创建。基于地质三维模型，充分利用三维可视化的优势，进行坝址坝线坝型比选，布置导流洞、引水发电建筑物等关键控制点与轴线，并建立枢纽工程主要建筑物三维参数化模型，进行空间分析与优化布置。根据枢纽布置结果，完善总体和专业子骨架。通过骨架关联设计技术、协同技术与权限管理机制保证了上下游专业设计数据关联、一致和及时变更。

  （3）坝工专业复杂形体精细化设计。通过ADAO程序进行拱坝形体方案设计，生成形体参数设计表并对接CATIA拱圈三维模板快速完成各高程拱圈曲线，拟合成拱坝基本体型。结合三维模板完成表孔、中孔、结构分缝、混凝土分区及坝体廊道的设计与优化，过程见图4.

（4）电站建筑物与导流专业全程模板化三维设计。

基于地质模型，电站建筑物专业采用“骨架+模板”的方法完成地下式引水发电建筑物三维设计整体模型，导流专业采用类似的方法完成了导截流建筑物的三维设计建模，见图5.

图5地下式引水发电建筑物和导截流建筑物全程模板化三维设计

  （5）机电（电一、电二、水机、暖通）多专业三维协同设计。机电专业参照地下式引水发电建筑物中的主厂房、调压室、主变洞等三大洞室土建结构，调用机电标准件库，进行机电管路和设备等综合布置设计（图6）。

图6机电多专业三维协同设计

  3.2BIM应用情况

  （1）碰撞检测。机电多专业通过碰撞检测工具进行错、漏、碰检查，形成碰撞检测报表并可自动定位到有问题的位置，及时进行方案调整与优化。

  （2）工程量统计。通过三维设计可一次性精确获取模型的各种参数如数量、质量、形心等，省去了人工算量的过程，尤其是解决了对复杂异性结构工程算量精度低下、机电设备明细统计过程繁琐的难题。

  （3）计算分析。初步形成三维设计模型到分析计算模型的简化准则，提高分析计算前处理效率。

  （4）地质出图。基于GOCAD高精度三维地质模型，任意布设平切面和纵剖面，快速切剖生成地质剖面图（图7）和等值线图。

  （5）结构出图。通过我院自主研发的CATIA水工结构三维设计二维出图技术解决方案，通过三维模型抽取二维图与轴侧图，尤其是提高了复杂曲面结构的出图表达质量（图8）。

  （6）三维配筋出图。将模型导入到我院自主研发的三维配筋软件中，基于计算分析结果，进行交互式三维配筋，剖切出图并自动生成钢筋表（图9），特别对于复杂曲面结构能够显著提高钢筋图出图效率。

  （7）机电出图。提出二三维混合、结构图叠加效果图的出图表达理念（图10）并应用。

图7地质剖面出图                       图8结构出图

图9三维配筋出图                       图10机电出图

  （8）基于模型的延伸应用。①开发了交互式三维演示系统，结合虚拟现实引擎进行场景实时渲染，提供交互式体验（图11）；②进行坝址区模型3D打印，采用LOM技术一次性打印成型（图12）。

图11交互式三维演示系统               图123D打印模型（精度0.1mm）

4应用效果

  通过乌东德水电站枢纽工程BIM设计的实施，积累了融合设计经验和规则的三维模板库。其中，水工参数化模板库扩充至500量级，机电专业标准件库扩充至2万量级。

  基本打通了三维设计二维出图环节，提高了设计质量与效率，包括地质剖面图、水工结构图与钢筋图、机电三维图。基于三维地质模型的剖面出图效率相比传统模式提高3.5倍，三维设计结构出图率达30%~35%，三维配筋出图率高达80%.

  发现并解决了机电与厂房土建结构以及机电专业内部之间的碰撞干涉问题，在机电专业内部共检查出42处碰撞问题，机电专业和厂房专业间共检查出12处碰撞问题，均以较快的速度优化了达到设计要求的方案。

  5总结

  5.1创新点

  （1）将我院《水利水电工程三维协同设计过程管理程序》内嵌至CATIA平台，保证项目BIM设计工作有序开展。

  （2）以水利水电工程制图基础标准和工程制图学原理为基础，研发了基于CATIAV5的水工结构三维设计出图解决方案，基本解决了由水工结构三维设计模型向二维工程图生成过程中出现的技术难题。

  （3）研发基于三维地质模型剖切快速生成标准地质剖面图，减少大量的图形后处理工作量，大幅提高出图效率。

  （4）研发并解决了针对复杂曲面水工结构三维配筋自动算量与出图的难题。

  （5）总结形成水工结构建模、计算分析、配筋出图一体化应用流程。

  5.2经验教训等

  （1）基于我院BIM标准体系有待全面完善。

  （2）三维协同设计平台尚未有效与我院项目管理平台对接，存在信息脱节现象。

  （3）部分专业数据融合深度不够，接口有待研发。

  （4）地质与水工专业在CATIA平台尚不能有效的联合出图，一定程度上限制了三维设计出图模式的覆盖广度。