bim技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

bim技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

大型節(jié)水旁通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常包括規(guī)劃、地質(zhì)、測量、水工、道路、金屬結(jié)構(gòu)、水力機(jī)械、電氣、建筑、金結(jié)、供暖等專業(yè)。不同的學(xué)科需要協(xié)調(diào)和合作。陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院（以下簡稱“陜西院”）采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)協(xié)同方式，即由規(guī)劃、地質(zhì)、測量專業(yè)人員提供參數(shù)、繪制圖紙，由水工專業(yè)牽頭為各專業(yè)反饋設(shè)計(jì)信息，專業(yè)間互相提資配合，以二維圖紙溝通為主。這種傳統(tǒng)的溝通方式效率低下，加之施工圖紙有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“錯(cuò)漏碰缺”等問題，需對其進(jìn)行反復(fù)核查；還存在專業(yè)間信息反饋時(shí)間長和數(shù)據(jù)管理無序等問題，影響工程設(shè)計(jì)進(jìn)度。建筑信息模型（BuildingInformationModeling,BIM）協(xié)同平臺不僅使得設(shè)計(jì)信息的呈現(xiàn)立體直觀，且很大程度上解決了專業(yè)間協(xié)調(diào)性問題，各專業(yè)可實(shí)時(shí)在線進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和校審，模型碰撞檢查功能可發(fā)現(xiàn)施工階段錯(cuò)誤，降低返工率和損失率。目前水利水電行業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的主流軟件平臺有美國Autodesk公司的Revit、美國Bentley公司的MicroStation與ProjectWise、法國達(dá)索公司的CA-TIA與VPM1供水系統(tǒng)組成三河口水利樞紐是引漢濟(jì)渭工程的調(diào)蓄中樞，為Ⅰ等大（1）型工程，具有供水、調(diào)蓄、發(fā)電功能。壩后電站廠房為3級建筑物，電站廠房抽水流量為18m廠區(qū)建筑物主要包括主廠房、副廠房、主變室、GIS樓、供水閥室、進(jìn)廠道路。供水系統(tǒng)由進(jìn)水口、壓力管道、供水閥室、尾水系統(tǒng)、連接洞等部分組成（見圖1）。該項(xiàng)目各專業(yè)間交叉度高，需多方協(xié)同，適合使用BIM技術(shù)通過VPM平臺進(jìn)行專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，其布置設(shè)計(jì)的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)供水發(fā)電廠房為岸邊地面式廠房，布置于壩后消力塘一側(cè)，常規(guī)機(jī)組與可逆式機(jī)組布置于同一個(gè)廠房內(nèi)，其電站（泵站）電氣接線設(shè)置既要滿足機(jī)組供水發(fā)電和工頻運(yùn)行要求，又要滿足水泵抽水和機(jī)組變頻運(yùn)行要求2合作設(shè)計(jì)解決方案2.1vpm協(xié)同平臺設(shè)計(jì)三河口水利樞紐供水發(fā)電廠房系統(tǒng)主要采用達(dá)索的虛擬產(chǎn)品生命周期管理平臺ENOVIAVPM作為協(xié)同及產(chǎn)品管理平臺（其基本功能主要有創(chuàng)建產(chǎn)品、角色管理、創(chuàng)建頂層節(jié)點(diǎn)、管理文檔、修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生命周期管理等）。CATIAV5R20作為模型的主設(shè)計(jì)平臺，負(fù)責(zé)完成復(fù)雜的BIM設(shè)計(jì)工作。VPM是達(dá)索系統(tǒng)公司基于CATIA平臺上的一個(gè)既能滿足協(xié)同設(shè)計(jì)又能滿足虛擬產(chǎn)品生命周期管理的解決方案項(xiàng)目經(jīng)理在VPM平臺內(nèi)定制項(xiàng)目生命周期管理流程（見圖2）。產(chǎn)品狀態(tài)共分為工作中、公開、審查、批準(zhǔn)4種，涉及創(chuàng)建零件、數(shù)據(jù)保存、瀏覽、數(shù)據(jù)狀態(tài)提升等2.2各行業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)方法地質(zhì)數(shù)據(jù)信息是采用有離散光滑插值（DSI）技術(shù)的GOCAD軟件來完成數(shù)據(jù)建模，地質(zhì)數(shù)據(jù)內(nèi)容主要涵蓋地質(zhì)斷層、巖性、風(fēng)化層、地下水等，將其導(dǎo)入?yún)f(xié)同平臺中，再由下游專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案布置。廠房內(nèi)部的電氣設(shè)計(jì)是通過博超STD數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)平臺完成后導(dǎo)入VPM平臺，包括水工、建筑、水力機(jī)械、管路布置、金屬結(jié)構(gòu)、開挖等專業(yè)在內(nèi)的協(xié)同設(shè)計(jì)工作則是通過CATIA內(nèi)的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)（見表1）。通過建立好的數(shù)據(jù)模型成果，可進(jìn)一步進(jìn)行有限元分析計(jì)算、工程量計(jì)算、出圖、效果圖、虛擬仿真、漫游、施工交底匯報(bào)、人員培訓(xùn)等。3產(chǎn)品分類和骨架參數(shù)設(shè)計(jì)3.1產(chǎn)品骨架設(shè)計(jì)根據(jù)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品劃分，圖3為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。在ENOVIA在線管理平臺按照一定編碼規(guī)則建立產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)及骨架設(shè)計(jì)，骨架是構(gòu)成工程全三維模型的核心和有效組織形式，一般采取多級樹結(jié)構(gòu)，分為總骨架和子骨架，子骨架又可衍生下級子骨架3.2在線的bim數(shù)據(jù)庫圖4為廠房參數(shù)化骨架傳遞的設(shè)計(jì)流程，通過創(chuàng)建參數(shù)驅(qū)動(dòng)幾何元素實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，并通過零件發(fā)布功能將參數(shù)和幾何元素提供給其他節(jié)點(diǎn)使用；在被其他產(chǎn)品使用時(shí)是外部參考，當(dāng)上級骨架參數(shù)改變，可以手動(dòng)或自動(dòng)更新外部參考的元素。該設(shè)計(jì)融合了水工結(jié)構(gòu)、水力機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)、電氣布置、引水及尾水系統(tǒng)、廠區(qū)開挖、排水系統(tǒng)等內(nèi)容，形成一個(gè)在線的BIM數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)清晰。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹使設(shè)計(jì)內(nèi)容的展示更為直觀，通過線上的規(guī)范數(shù)據(jù)存取機(jī)制，工程師可實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的有序管理、設(shè)計(jì)、查找、修改、校審等工作。4模板庫總體程序通過CATIAV5的“知識工程及專家系統(tǒng)（KnowledgeWare）”模塊可將用戶經(jīng)驗(yàn)做成參數(shù)化模板錄入Catalog模板建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，用戶可在VPM協(xié)同平臺上調(diào)用各專業(yè)模板。系統(tǒng)單元中的“知識工程顧問”“知識專家”等模塊從參數(shù)化的角度使設(shè)計(jì)過程標(biāo)準(zhǔn)化，有利于知識的延續(xù)與再利用，是新時(shí)期工程技術(shù)人員迫切需要的知識與技能5工程應(yīng)用及調(diào)查分析(1）通過以上的BIM數(shù)字化的三維協(xié)同體系，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)，以及專業(yè)間動(dòng)態(tài)參照，實(shí)時(shí)查看、設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)。通過權(quán)限保護(hù)，保證了模型的正確性與一致性，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中人為提資過程中出現(xiàn)的錯(cuò)漏。通過碰撞檢查功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)協(xié)同布置問題，對地面廠房內(nèi)部的設(shè)計(jì)（涉及設(shè)備布置、消防、交通、排水等）、電站基礎(chǔ)體型、二次開挖及廠房分縫分塊設(shè)計(jì)、導(dǎo)流洞改造、尾水洞設(shè)計(jì)、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、止水帶設(shè)計(jì)等做了多次修改和優(yōu)化。利用地質(zhì)專業(yè)提供的風(fēng)化模型成果分析廠房的一次開挖和二次開挖（見圖6(a）），通過測量功能進(jìn)行土石方開挖、廠房分縫分塊混凝土、廠房混凝土等工程量計(jì)算，利用模型進(jìn)一步得到出圖成果等，節(jié)約了大量時(shí)間。三河口電站廠房分縫分塊設(shè)計(jì)（見圖6(b））通過傳統(tǒng)方式完成所有圖紙、工程量計(jì)算及校審工作大約需要7d，而運(yùn)用CATIA軟件僅需要4d左右，節(jié)省時(shí)間約40%。(2）知識工程應(yīng)用。通過知識工程模板功能建立了關(guān)于電站廠房的各專業(yè)的模板（近50多個(gè)），并導(dǎo)入至模板目錄庫；使用CATIA知識工程平臺中的RULE（滿足條件就實(shí)施）、LIST工具、設(shè)計(jì)表等編輯知識工程語言將多種體型融合在一個(gè)模板中；利用CHECK等工具設(shè)置融入設(shè)計(jì)規(guī)范條款；采用知識工程陣列編輯語言，減輕了人員工作量。(3）數(shù)據(jù)規(guī)范化。陜西院編制了《CATIAVPM協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范》《信息分類及編碼規(guī)范》《模板設(shè)計(jì)及入庫規(guī)范》等規(guī)范，為其他BIM項(xiàng)目建立了基礎(chǔ)條件。(4)BIM數(shù)據(jù)應(yīng)用。利用模型對業(yè)主及施工方進(jìn)行供水閥設(shè)備原理及分層取水原理動(dòng)畫匯報(bào)、廠房施工技術(shù)交底匯報(bào)、現(xiàn)場設(shè)備的操作模擬和參觀線路的模擬、整體廠房的實(shí)景漫游等。利用模型對主、副廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算（見圖6(c）），對導(dǎo)流洞改造尾水洞的封堵體進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，從而驗(yàn)證了其穩(wěn)定性。對廠房中安裝間薄厚板結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析，對兩種結(jié)構(gòu)形式的靜動(dòng)力特性進(jìn)行分析，從而得到安裝間結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過資料調(diào)查，對比了采用傳統(tǒng)工作模式的下坂地電站廠房工程人力資源情況及變更情況。下坂地樞紐工程為Ⅱ等大（2）型，其地下電站廠房為3級建筑物，主副廠房和安裝間洞室面積為1273m(1）人力資源情況。下坂地地下電站廠房水工設(shè)計(jì)人員近16人，三河口電站廠房水工設(shè)計(jì)人員9人。與下坂地工程不同的是，三河口廠房的設(shè)計(jì)任務(wù)除了要滿足發(fā)電，還需滿足抽水和供水，因此廠房功能分區(qū)較多且布置復(fù)雜。三河口電站設(shè)計(jì)體量較下坂地電站大，但人力資源調(diào)動(dòng)更少，卻仍滿足了進(jìn)度要求，充分反映了BIM協(xié)同工作模式的高效率性和重要性。(2）變更情況。下坂地電站廠房土建變更文件約120份（4a），調(diào)查資料表明近60%的變更是由于洞挖后地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)不符，其余40%為體形結(jié)構(gòu)等變化。而截至目前，三河口電站廠房土建變更文件共計(jì)19份（3a）。綜合對比上述數(shù)據(jù)，可反映出傳統(tǒng)工作模式在工程設(shè)計(jì)上的一些弊端，若能在前期進(jìn)行充分的三維設(shè)計(jì)協(xié)同，部分變更或可避免。6vpm數(shù)據(jù)量安全問題將各專業(yè)統(tǒng)一在適合項(xiàng)目的CATIAVPM平臺上進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，有利于工程數(shù)據(jù)的傳遞、分享