bim技術在水利水電工程中的應用

bim技術在水利水電工程中的應用

大型節(jié)水旁通系統(tǒng)的設計通常包括規(guī)劃、地質、測量、水工、道路、金屬結構、水力機械、電氣、建筑、金結、供暖等專業(yè)。不同的學科需要協(xié)調和合作。陜西省水利電力勘測設計研究院（以下簡稱“陜西院”）采用傳統(tǒng)的設計協(xié)同方式，即由規(guī)劃、地質、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)反饋設計信息，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，加之施工圖紙有時會出現(xiàn)“錯漏碰缺”等問題，需對其進行反復核查；還存在專業(yè)間信息反饋時間長和數(shù)據(jù)管理無序等問題，影響工程設計進度。建筑信息模型（BuildingInformationModeling,BIM）協(xié)同平臺不僅使得設計信息的呈現(xiàn)立體直觀，且很大程度上解決了專業(yè)間協(xié)調性問題，各專業(yè)可實時在線進行協(xié)同設計和校審，模型碰撞檢查功能可發(fā)現(xiàn)施工階段錯誤，降低返工率和損失率。目前水利水電行業(yè)三維協(xié)同設計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渭工程的調蓄中樞，為Ⅰ等大（1）型工程，具有供水、調蓄、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、進廠道路。供水系統(tǒng)由進水口、壓力管道、供水閥室、尾水系統(tǒng)、連接洞等部分組成（見圖1）。該項目各專業(yè)間交叉度高，需多方協(xié)同，適合使用BIM技術通過VPM平臺進行專業(yè)協(xié)同設計，其布置設計的復雜性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(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，常規(guī)機組與可逆式機組布置于同一個廠房內，其電站（泵站）電氣接線設置既要滿足機組供水發(fā)電和工頻運行要求，又要滿足水泵抽水和機組變頻運行要求2合作設計解決方案2.1vpm協(xié)同平臺設計三河口水利樞紐供水發(fā)電廠房系統(tǒng)主要采用達索的虛擬產(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、管理文檔、修改產(chǎn)品結構、生命周期管理等）。CATIAV5R20作為模型的主設計平臺，負責完成復雜的BIM設計工作。VPM是達索系統(tǒng)公司基于CATIA平臺上的一個既能滿足協(xié)同設計又能滿足虛擬產(chǎn)品生命周期管理的解決方案項目經(jīng)理在VPM平臺內定制項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)同設計方法地質數(shù)據(jù)信息是采用有離散光滑插值（DSI）技術的GOCAD軟件來完成數(shù)據(jù)建模，地質數(shù)據(jù)內容主要涵蓋地質斷層、巖性、風化層、地下水等，將其導入?yún)f(xié)同平臺中，再由下游專業(yè)進行設計方案布置。廠房內部的電氣設計是通過博超STD數(shù)字化三維變電設計平臺完成后導入VPM平臺，包括水工、建筑、水力機械、管路布置、金屬結構、開挖等專業(yè)在內的協(xié)同設計工作則是通過CATIA內的模塊進行設計（見表1）。通過建立好的數(shù)據(jù)模型成果，可進一步進行有限元分析計算、工程量計算、出圖、效果圖、虛擬仿真、漫游、施工交底匯報、人員培訓等。3產(chǎn)品分類和骨架參數(shù)設計3.1產(chǎn)品骨架設計根據(jù)項目結構特點進行產(chǎn)品劃分，圖3為產(chǎn)品結構樹。在ENOVIA在線管理平臺按照一定編碼規(guī)則建立產(chǎn)品節(jié)點及骨架設計，骨架是構成工程全三維模型的核心和有效組織形式，一般采取多級樹結構，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)化骨架傳遞的設計流程，通過創(chuàng)建參數(shù)驅動幾何元素實現(xiàn)聯(lián)動，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)點使用；在被其他產(chǎn)品使用時是外部參考，當上級骨架參數(shù)改變，可以手動或自動更新外部參考的元素。該設計融合了水工結構、水力機械、金屬結構、電氣布置、引水及尾水系統(tǒng)、廠區(qū)開挖、排水系統(tǒng)等內容，形成一個在線的BIM數(shù)據(jù)庫，設計節(jié)點清晰。產(chǎn)品結構樹使設計內容的展示更為直觀，通過線上的規(guī)范數(shù)據(jù)存取機制，工程師可實時進行數(shù)據(jù)的有序管理、設計、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)驗做成參數(shù)化模板錄入Catalog模板建立標準件庫，用戶可在VPM協(xié)同平臺上調用各專業(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)化的角度使設計過程標準化，有利于知識的延續(xù)與再利用，是新時期工程技術人員迫切需要的知識與技能5工程應用及調查分析(1）通過以上的BIM數(shù)字化的三維協(xié)同體系，實現(xiàn)了網(wǎng)絡協(xié)同設計，以及專業(yè)間動態(tài)參照，實時查看、設計聯(lián)動。通過權限保護，保證了模型的正確性與一致性，避免了傳統(tǒng)設計中人為提資過程中出現(xiàn)的錯漏。通過碰撞檢查功能，及時發(fā)現(xiàn)協(xié)同布置問題，對地面廠房內部的設計（涉及設備布置、消防、交通、排水等）、電站基礎體型、二次開挖及廠房分縫分塊設計、導流洞改造、尾水洞設計、排水系統(tǒng)設計、止水帶設計等做了多次修改和優(yōu)化。利用地質專業(yè)提供的風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算，利用模型進一步得到出圖成果等，節(jié)約了大量時間。三河口電站廠房分縫分塊設計（見圖6(b））通過傳統(tǒng)方式完成所有圖紙、工程量計算及校審工作大約需要7d，而運用CATIA軟件僅需要4d左右，節(jié)省時間約40%。(2）知識工程應用。通過知識工程模板功能建立了關于電站廠房的各專業(yè)的模板（近50多個），并導入至模板目錄庫；使用CATIA知識工程平臺中的RULE（滿足條件就實施）、LIST工具、設計表等編輯知識工程語言將多種體型融合在一個模板中；利用CHECK等工具設置融入設計規(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)同設計規(guī)范》《信息分類及編碼規(guī)范》《模板設計及入庫規(guī)范》等規(guī)范，為其他BIM項目建立了基礎條件。(4)BIM數(shù)據(jù)應用。利用模型對業(yè)主及施工方進行供水閥設備原理及分層取水原理動畫匯報、廠房施工技術交底匯報、現(xiàn)場設備的操作模擬和參觀線路的模擬、整體廠房的實景漫游等。利用模型對主、副廠房結構進行了有限元分析計算（見圖6(c）），對導流洞改造尾水洞的封堵體進行了三維有限元計算，從而驗證了其穩(wěn)定性。對廠房中安裝間薄厚板結構靜動力分析，對兩種結構形式的靜動力特性進行分析，從而得到安裝間結構布置的優(yōu)化設計。通過資料調查，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計人員近16人，三河口電站廠房水工設計人員9人。與下坂地工程不同的是，三河口廠房的設計任務除了要滿足發(fā)電，還需滿足抽水和供水，因此廠房功能分區(qū)較多且布置復雜。三河口電站設計體量較下坂地電站大，但人力資源調動更少，卻仍滿足了進度要求，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），調查資料表明近60%的變更是由于洞挖后地質條件與設計不符，其余40%為體形結構等變化。而截至目前，三河口電站廠房土建變更文件共計19份（3a）。綜合對比上述數(shù)據(jù)，可反映出傳統(tǒng)工作模式在工程設計上的一些弊端，若能在前期進行充分的三維設計協(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)一在適合項目的CATIAVPM平臺上進行整體方案設計，有利于工程數(shù)據(jù)的傳遞、分享