三維設計在海外水利水電工程的應用

Word參考資料，下載后可編輯三維設計在海外水利水電工程的應用摘要：BIM技術是對工程物理特征和功能特性信息的數字化承載和可視化表達，具有可視化、一體化、參數化等特性。利用BIM技術的優(yōu)勢，可實現水利工程多專業(yè)配合、大量數據交互頻繁傳輸等，到達可視化決策、虛擬化設計、協(xié)同化建設、精細化管理、科學化運營。通過工程案例分析海外項目采納BIM技術現狀，探究海外項目采納BIM技術模式，為其他海外項目BIM技術應用提供參考。關鍵詞：BIM技術；海外水利水電工程；三維模型水利水電工程涉及測繪、地質、水工、機電及建筑等多個專業(yè)，項目實施過程中專業(yè)之間數據交互頻繁。傳統(tǒng)的設計模式中設計人員以圖紙為工作對象，成果易形成信息孤島，使專業(yè)間配合人為條塊化，設計流程具備明顯的串行特征。BIM技術是對工程物理特征和功能特性信息的數字化承載和可視化表達，通過創(chuàng)立并利用BIM，可創(chuàng)新水利工程規(guī)劃設計、建設和運營維護的管理模式。BIM協(xié)同設計模式以協(xié)同平臺三維模型為對象，專業(yè)間工作內容實現實時聯(lián)動，弱化了傳統(tǒng)設計流程中節(jié)點制約，形成了基于模型的并行工作流。同時，BIM協(xié)同設計的統(tǒng)一環(huán)境也確保了項目整體效率及設計質量的提高。隨著“走出去”戰(zhàn)略的實施,我國水利水電企業(yè)紛紛走出國門,開始參與國際水利水電市場的競爭。但在海外工程項目設計實施管理過程中,我國企業(yè)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。將BIM技術應用于海外水利水電工程的設計實施管理過程中，可有效提高項目設計實施效率、管理水平與國際競爭力。一、我國水利水電工程中BIM應用現狀近年，隨著信息化技術的不斷開展，BIM技術在水利水電工程建設領域應用越來越廣?；贐IM技術的工程全生命周期管理逐漸成為行業(yè)共識，BIM技術以及由BIM技術衍生的GIM(地質信息模型)、CIM(城市信息模型)逐漸成為數字中國建設的根底底座，給BIM技術的應用帶來了更加寬闊的市場前景。此外，全國各地陸續(xù)出臺BIM應用政策，上海、廣東、浙江、湖南、海南、重慶等17個省(直轄市)陸續(xù)推進BIM技術應用工作的指導意見及項目審查、招標投標管理、獎勵措施等配套政策。上海、湖南等地要求2020年實現政府投資新建項目90%以上全面應用BIM技術。重慶要求2023—2024年實現新建大型水庫工程和調水工程全面開展BIM技術應用、新建中型水庫工程普遍開展BIM技術應用。各地涌現出一大批BIM技術在設計、施工、運維階段應用的示范性工程，BIM技術應用開展正在加速。目前，我國水利水電行業(yè)各級設計院均投入資源大力推進BIM技術應用。走在前列的設計院近年來陸續(xù)推出了有行業(yè)代表性的BIM應用示范工程，BIM技術應用也成為一些大中型水利工程設計投標的必選項。近幾年海外、國內局部業(yè)主在勘測設計項目成果提交方面均明確提出BIM數字化交付的要求，BIM技術應用逐漸成為勘察設計企業(yè)進入市場的門檻。二、中水北方公司BIM技術開展情況2012年，中水北方勘測設計研究有限責任公司(以下簡稱“中水北方公司”)正式組建BIM技術應用團隊。依據開展需求，2019年將其整合、提升為智慧水利事業(yè)部BIM仿真中心。經過近10年的開展，中水北方公司已經成為具有專業(yè)的仿真分析、可視化團隊的BIM技術應用先進企業(yè)，擁有涵蓋水工、地質、水機、金結、電一、電二、建筑、施工、測繪等水電工程全專業(yè)的BIM技術人員，并已成為國家水利水電BIM設計聯(lián)盟成員。公司BIM技術團隊實踐經驗豐富，獲得過多項國內外BIM技術應用獎項，具備為業(yè)主提供工程數字化咨詢、設計、實施等一體化服務能力。依據公司自身的開展理念，結合專業(yè)設計和工程應用需求，建立了BIM技術應用八大設計子模塊，形成具有公司特點的BIM技術應用整體解決方案(如圖1)。三、典型海外應用案例分析1.項目背景曼維萊水電站工程位于喀麥隆共和國南部瑪安省境內緊鄰赤道幾內亞的恩特姆河上，地處熱帶叢林地區(qū)，是一座大流量明渠引水式電站，工程主要任務為發(fā)電。電站采納引水徑流式開發(fā)，攔河壩長1.62km，最大壩高28.3m，正常蓄水高程392m，總庫容1.3億m3，電站總裝機容量211MW，工程規(guī)模為大(2)型。工程主要建筑物由首部擋水和泄水建筑物以及位于工程區(qū)左岸的引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等組成。工程于2012年12月開工建設，2016年8月16日下閘蓄水，2018年2月8日完成主體驗收。該工程先后榮獲中國勘察設計協(xié)會2019年度行業(yè)優(yōu)秀工程勘察與巖土工程一等獎、2020年“海河杯”__市優(yōu)秀勘察設計市政公用工程——水利工程一等獎以及2019年“海河杯”__市優(yōu)秀勘察設計工程勘察一等獎等多項省部級獎項，2021年該工程榮獲中國建設工程最高獎——中國建設工程“魯班獎”。在曼維萊水電站項目勘察設計初期，中水北方公司成立了針對此項目的BIM應用團隊，結合項目特點，BIM團隊從地勘及地質三維建模、工程建筑物的三維建模、根本BIM模型的計算分析、工程建筑物三維參數化建模、施工進度仿真分析、三維設計出圖、虛擬現實技術應用等方面展開研究。2.地勘及地質三維建模地勘數據及地質信息的處理分析一直以來都是水利水電工程勘察設計中的重點與難點。曼維萊工程BIM設計團隊利用地質三維勘察設計系統(tǒng)將原始測繪數據高精度擬合為三維地形圖，并將前期已有平面地質剖面信息導入到三維模型空間中，形成高精度三維地質模型(如圖2所示)。應用BIM計算進行地勘及地質三維建模，不僅便于勘察數據的整合、校核前期地質成果，而且大大提高了設計效率，設計成果更加直觀、更具針對性。此外，三維地質模型還可以用于生成滿足現行水利水電工程制圖標準的平面圖、剖面圖、平切圖和鉆孔柱狀圖等。3.工程建筑物的三維建模應用BIM三維建模技術，對工程總體布置及水工建筑物進行三維建模(如圖3所示)。模型方便直觀的展示了工程的總體布置及各建筑物之間的相對關系，為工程設計和建設人員全面準確了解工程提供了更加便利的手段。4.根本BIM模型的計算分析基于BIM三維模型，運用大型計算軟件對工程關鍵建筑物進行有限元計算分析。設計人員可依據計算分析結果，調整細化工程結構，從而到達設計最優(yōu)目的。以曼維萊泄水建筑物為例，基于BIM技術建立泄水建筑物三維模型，運用Flow3d中CFD模塊，對泄水閘在上游水位393.8m時5個閘孔同時泄水時的水流形態(tài)進行了數值模擬，為泄水閘后續(xù)設計提供了充分的理論依據(如圖4所示)。5.三維參數化設計在BIM技術應用初期，BIM技術的應用通常是利用已設計完成的平面設計成果建立三維信息模型,這樣的逆向設計流程不僅對提高設計效率不利,更增加了設計人員的工作量。曼維萊項目BIM設計團隊運用三維參數化設計技術，逐步解決了“正向設計”問題。通過預先設定一組或多組對應關系和約束關系，再通過關鍵參數集對實體進行描述，實體其他參數通過對應關系與約束關系得出，從而實現參數驅動，大幅度簡化實體模型的建立與修改正程，模型準確率也大大提升。曼維萊項目局部三維參數化設計成果如圖5所示。6.施工進度仿真分析利用BIM技術把三維信息模型與施工進度計劃相鏈接，使施工系統(tǒng)各局部及其在進度計劃中的相互關系通過形象直觀的圖形和動畫的形式表現出來，還可以實時動態(tài)查詢工程的三維可視化信息，提高工程管理的效率和質量。7.三維設計出圖傳統(tǒng)二維設計圖紙存在著表達信息不夠直觀完整、工程量計算不夠準確、不同專業(yè)圖紙“錯、漏、碰”等問題。基于三維建模技術，各專業(yè)在三維協(xié)同設計平臺上共同完成三維模型設計，生成三維設計圖紙。三維模型直觀、形象，防止了“錯、漏、碰”等問題，應用模型計算工程量完整準確。8.虛擬現實技術應用在BIM領域，使用虛擬現實(VR)技術演示單體建筑、空間規(guī)劃，可以讓人以不同的俯仰角度去審視其動感形象及其平面布局的特點。在本項目中也對VR技術的應用做了嘗試，將廠房三維模型導入Unity3D中，建立左右眼攝像頭，通過Cardboard等程序實現廠房內部VR效果(如圖6所示)。9.小結BIM技術在喀麥隆曼維萊水利水電工程中的成功應用，取得了良好的效果。在設計過程中，設計過失減少了約95%，綜合設計效率提高了約40%，節(jié)約了專業(yè)間的配合時間和溝通本錢；在施工過程中，BIM技術的應用提高了現場設計交底、現場施工指導和設計聯(lián)絡會的溝通效率，提高了現場問題的處理效率，提高了工程服務質量，有效節(jié)約了工程投資。BIM設計成果得到了項目參建各方的一致好評，結合曼維萊水電站所開展的“水電工程參數化設計應用”入圍2013年Be創(chuàng)新獎。此外，在巴基斯坦阿扎德帕坦工程的詳細設計中，應用BIM技術的設計成果直觀準確，獲得了項目業(yè)主的一致好評。項目設計人員依據業(yè)主需求，制定了針對此項目的設計、施工、運行全生命周期的BIM應用籌劃，積極推進該項目的BIM全生命周期應用進程。四、BIM技術在海外水利水電工程應用中遇到的困難BIM技術應用受到制約。BIM技術在水利水電工程上的應用還存在許多的制約條件，如合同規(guī)定、根底資料的深度、業(yè)主要求、咨詢工程師的審查等，有的項目合同中要求采納二維設計，提供的成果必須為二維設計成果；有的根本資料深度不夠，例如地質、地形資料，無法滿足建模要求；有的業(yè)主、咨詢工程師本身不具備BIM技術審查能力等。在BIM技術應用初期，多數項目實施單位尚不接受三維圖紙作為施工圖紙，依舊習慣于二維圖紙，隨著BIM技術的開展，現在可以把三維模型轉化為二維圖紙，但這樣費時費勁，等于二次出圖，并且還存在圖紙標注、鋼筋圖繪制等困難。專業(yè)協(xié)同存在困難。一些項目設計本身不是一個設計單位承當，土建設計與機電設計單位分屬兩個設計單位時，BIM的協(xié)同設計存在很大困難，協(xié)調也很困難。一些中小型項目，業(yè)主認為沒必要采納BIM技術，而這些工程往往結構簡單、規(guī)模小、專業(yè)容易協(xié)調。綜上，BIM技術在水利水電工程項目中的應用遇到了諸多問題與挑戰(zhàn)。但隨著BIM技術的不斷開展，國內外一些大型水利水電工程或跨流域調水工程對BIM技術的應用需求愈發(fā)強烈，工程參建各方逐漸意識到應用BIM技術不但可以提高設計效率，提高工程建設管理水平，而且將BIM技術的應用延伸至工程運行階段，可以更好的發(fā)揮工程經濟效益，節(jié)約運維本錢。五、結語目前，中水北方公司正在實施數字化轉型戰(zhàn)略，其重要目標之一是業(yè)務數字化，BIM技術與公司各相關業(yè)務的深度融合是業(yè)務數字化的重要組成局部，三維設計推進需要與數字化轉型的實施同步，