[四川]水電站樞紐工程BIM設計與應用

1、烏東德水電站樞紐工程BIM設計與應用1工程概況1.1項目簡介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道上。電站上距攀枝花市213.9km、下距白鶴灘水電站182.5km，下距重慶市928km.壩址控制流域面積40.6萬km2，占金沙江流域面積的86%，占長江宜昌以上流域面積40%以上。電站開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧防洪。烏東德水電站正常蓄水位975m，壩頂高程988m，最大壩高270M(世界第5高拱壩)，總庫容74.08億m3，裝機容量10200MW(世界第5)，工程靜態(tài)總投資為789億元，為I等大(1)型工程。樞紐工程主體建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩身5個表孔和6個中孔、

2、右岸2條泄洪洞、兩岸地下電站等組成。烏東德水電站樞紐工程CATIA三維勘測設計模型及效果圖見圖1.圖1烏東德水電站樞紐工程CATIA三維勘測設計模型與效果圖1.2工程特點和難點等烏東德水電站工程規(guī)模大，創(chuàng)造許多世界之最，是目前世界上最薄的300米級雙曲拱壩，擁有世界最高的地下廠房(89.8米)，大壩單位壩頂弧長泄量世界第一，導流洞開挖斷面世界第一，導流洞高度世界第一;尾水洞調壓室開挖半徑世界第一，是首個壩身不設導流底孔的高拱壩，首個采用半圓筒型調壓室的水電站。烏東德水電站工程設計深度全面，技術難度巨大;施工條件復雜，技術難度高，建設工期緊張;參建單位眾多，協(xié)調工作繁瑣;涉移民、 HYPERLI

3、NK /hbs/ t /BIM/_blank 環(huán)保水保等專業(yè)領域，是一項規(guī)模宏大的系統(tǒng)性工程。2BIM組織與應用環(huán)境2.1BIM應用目標烏東德水電站樞紐工程基于我院初步構建的集地質、水工、橋隧、建筑、機電、金結、施工總體等多專業(yè)于一體的三維協(xié)同設計集成化平臺，融合傳統(tǒng)勘測設計模式，建立了多專業(yè)三維勘測設計模型，在工程勘測設計的不同階段開展“方案比選與論證、參數化精細設計建模、有限元計算分析、多專業(yè)錯漏碰檢查、工程量自動統(tǒng)計、三維配筋、二維出圖、施工組織設計仿真、視覺傳達”等多方位的專業(yè)性工作，助力工程整體設計質量與效率的提升，為業(yè)主提供更為優(yōu)質的設計產品與咨詢服務。2.2實施方案烏東德水電站樞

4、紐工程三維勘測設計為長江設計院BIM設計先驅項目，本項目通過GOCAD讀取工程地質數據庫，并在GOCAD中進行三維地質建模，通過二次開發(fā)插件，將GOCAD三維地質模型連同屬性導入CATIA平臺，作為樞紐布置設計上游主要數據源之一。并基于CATIA平臺通過骨架關聯(lián)設計技術與數據接口融合技術把水電工程多專業(yè)集于統(tǒng)一的數據源進行三維協(xié)同設計與應用。2.3團隊組織本項目由項目經理掛帥，項目副經理、總工及項目BIM助理負責組織開展多專業(yè)三維協(xié)同設計應用工作，包括任務策劃與分解、人員確定與分工、協(xié)調與組織實施，三維協(xié)同設計過程管理程序見圖2.下設專業(yè)設計組、BIM技術支持組和二次開發(fā)組。專業(yè)設計組包括專業(yè)

5、負責人、專業(yè)主設人，涉及測量、地質、壩工、廠房、導流、機電、金屬結構等專業(yè)，其中壩工專業(yè)為牽頭專業(yè)，負責項目三維設計整體的技術協(xié)調。BIM技術支持組負責平臺維護、并對專業(yè)設計組在三維設計過程中遇到的重難點軟件技術問題進行技術支持，同時梳理多專業(yè)共性、單專業(yè)特性需求并提交二次開發(fā)組，根據優(yōu)先級進行針對性二次開發(fā)與定制后，反饋于BIM技術支持組與專業(yè)設計組進行迭代測試與使用，整個團隊協(xié)作運行。其中專業(yè)設計組、BIM技術支持組和二次開發(fā)組大部分人員具備專業(yè)設計與BIM應用及研發(fā)的復合能力，為項目的推進提供了強力的技術人才保障。圖2三維協(xié)同設計過程管理2.4應用措施烏東德水電站樞紐工程BIM設計實施繼

6、承勘測設計的設校審機制，施行我院現(xiàn)有的BIM設計標準體系，主要包括：水利水電工程三維設計過程管理程序、水利水電工程三維協(xié)同設計文件編碼規(guī)則、水利水電工程三維地質建模規(guī)定、CATIA水工結構三維設計技術指南、CATIA水工結構三維設計出圖規(guī)定、基于CATIA的水利水電工程模板入庫條件與管理通則等院企業(yè)標準。2.5軟硬件環(huán)境等我院以CATIA為三維協(xié)同設計基礎平臺，目前在不同程度上打通了各類具有本專業(yè)優(yōu)勢的設計專用軟件(表1)與CATIA的數據接口融合，持續(xù)提高平臺的軟件接口集成化與協(xié)同化程度。通過企業(yè)私有云架設基于網絡的三維協(xié)同設計基礎平臺，配置DellPowerEdge系列數據庫服務器、Del

7、l圖形工作站等，保證了圖形顯示和運算效率。3BIM應用3.1BIM建模烏東德水電站樞紐工程在預可研、可研、施工詳圖等各設計階段，基于CATIA基礎平臺及專業(yè)軟件開展了地質、壩工、電站建筑物、導流、機電與金結等多專業(yè)三維協(xié)同設計，不同設計階段有逐步求精的模型深度等級。(1)三維數字化勘測與三維地質建模。烏東德水電站通過平板式工程地質測繪系統(tǒng)和平板式鉆孔地質信息錄入系統(tǒng)完成了13000米勘探平洞和150多個、近26000米的地質鉆孔。在前期勘測階段，現(xiàn)場實測地質數據如地質點、勘探點等數據按標準格式，現(xiàn)場即時錄入平板電腦，并及時發(fā)送到工程地質數據庫，從源頭上解決數據錄入問題，大幅提高地質勘測效率。在

8、后期施工階段，通過施工地質可視化快速編錄系統(tǒng)，現(xiàn)場直接完成施工地質編錄工作，生成施工地質照片為底板的施工地質編錄圖，還可以將編錄內容與照片轉入三維模型，并及時發(fā)送到工程地質數據庫，能夠提供更為詳細的三維地質施工解譯成果。從工程地質數據庫中讀取測繪點、鉆孔、平洞等地形地質數據并自動導入GOCAD中，結合ArcGis技術，構建高精度三維地質模型(圖3)后，連同地質屬性信息導入至CATIA基礎平臺中，進行后續(xù)樞紐布置等多專業(yè)三維協(xié)同設計。圖3高精度地質三維模型構建過程(2)樞紐工程總骨架與專業(yè)子骨架創(chuàng)建?；诘刭|三維模型，充分利用三維可視化的優(yōu)勢，進行壩址壩線壩型比選，布置導流洞、引水發(fā)電建筑物等關

9、鍵控制點與軸線，并建立樞紐工程主要建筑物三維參數化模型，進行空間分析與優(yōu)化布置。根據樞紐布置結果，完善總體和專業(yè)子骨架。通過骨架關聯(lián)設計技術、協(xié)同技術與權限管理機制保證了上下游專業(yè)設計數據關聯(lián)、一致和及時變更。(3)壩工專業(yè)復雜形體精細化設計。通過ADAO程序進行拱壩形體方案設計，生成形體參數設計表并對接CATIA拱圈三維模板快速完成各高程拱圈曲線，擬合成拱壩基本體型。結合三維模板完成表孔、中孔、結構分縫、混凝土分區(qū)及壩體廊道的設計與優(yōu)化，過程見圖4.圖4雙曲拱壩三維設計過程(4)電站建筑物與導流專業(yè)全程模板化三維設計。基于地質模型，電站建筑物專業(yè)采用“骨架+模板”的方法完成地下式引水發(fā)電建筑

10、物三維設計整體模型，導流專業(yè)采用類似的方法完成了導截流建筑物的三維設計建模，見圖5.圖5地下式引水發(fā)電建筑物和導截流建筑物全程模板化三維設計(5)機電(電一、電二、水機、暖通)多專業(yè)三維協(xié)同設計。機電專業(yè)參照地下式引水發(fā)電建筑物中的主廠房、調壓室、主變洞等三大洞室土建結構，調用機電標準件庫，進行機電管路和設備等綜合布置設計(圖6)。圖6機電多專業(yè)三維協(xié)同設計3.2BIM應用情況(1)碰撞檢測。機電多專業(yè)通過碰撞檢測工具進行錯、漏、碰檢查，形成碰撞檢測報表并可自動定位到有問題的位置，及時進行方案調整與優(yōu)化。(2)工程量統(tǒng)計。通過三維設計可一次性精確獲取模型的各種參數如數量、質量、形心等，省去了人

11、工算量的過程，尤其是解決了對復雜異性結構工程算量精度低下、機電設備明細統(tǒng)計過程繁瑣的難題。(3)計算分析。初步形成三維設計模型到分析計算模型的簡化準則，提高分析計算前處理效率。(4)地質出圖?；贕OCAD高精度三維地質模型，任意布設平切面和縱剖面，快速切剖生成地質剖面圖(圖7)和等值線圖。(5)結構出圖。通過我院自主研發(fā)的CATIA水工結構三維設計二維出圖技術解決方案，通過三維模型抽取二維圖與軸側圖，尤其是提高了復雜曲面結構的出圖表達質量(圖8)。(6)三維配筋出圖。將模型導入到我院自主研發(fā)的三維配筋軟件中，基于計算分析結果，進行交互式三維配筋，剖切出圖并自動生成鋼筋表(圖9)，特別對于復雜

12、曲面結構能夠顯著提高鋼筋圖出圖效率。(7)機電出圖。提出二三維混合、結構圖疊加效果圖的出圖表達理念(圖10)并應用。圖7地質剖面出圖 圖8結構出圖圖9三維配筋出圖 圖10機電出圖(8)基于模型的延伸應用。開發(fā)了交互式三維演示系統(tǒng)，結合虛擬現(xiàn)實引擎進行場景實時渲染，提供交互式體驗(圖11);進行壩址區(qū)模型3D打印，采用LOM技術一次性打印成型(圖12)。圖11交互式三維演示系統(tǒng) 圖123D打印模型(精度0.1mm)4應用效果通過烏東德水電站樞紐工程BIM設計的實施，積累了融合設計經驗和規(guī)則的三維模板庫。其中，水工參數化模板庫擴充至500量級，機電專業(yè)標準件庫擴充至2萬量級?；敬蛲巳S設計二維

13、出圖環(huán)節(jié)，提高了設計質量與效率，包括地質剖面圖、水工結構圖與鋼筋圖、機電三維圖?；谌S地質模型的剖面出圖效率相比傳統(tǒng)模式提高3.5倍，三維設計結構出圖率達30%35%，三維配筋出圖率高達80%.發(fā)現(xiàn)并解決了機電與廠房土建結構以及機電專業(yè)內部之間的碰撞干涉問題，在機電專業(yè)內部共檢查出42處碰撞問題，機電專業(yè)和廠房專業(yè)間共檢查出12處碰撞問題，均以較快的速度優(yōu)化了達到設計要求的方案。5總結5.1創(chuàng)新點(1)將我院水利水電工程三維協(xié)同設計過程管理程序內嵌至CATIA平臺，保證項目BIM設計工作有序開展。(2)以水利水電工程制圖基礎標準和工程制圖學原理為基礎，研發(fā)了基于CATIAV5的水工結構三維設計出圖解決方案，基本解決了由水工結構三維設計模型向二維工程圖生成過程中出現(xiàn)的技術難題。(3)研發(fā)基于三維地質模型剖切快速生成標準地質剖面圖，減少大量的圖形后處理工作量，大幅提高