蓄能電站工程全面運(yùn)用BIM提升勘測設(shè)計(jì)品質(zhì)

抽水蓄能電站是利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的水電站。又稱蓄能式水電站。它可將電網(wǎng)負(fù)荷低時的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時期高價值電能，還適于調(diào)頻、調(diào)相，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的周波和電壓，且宜為事故備用，還可提高系統(tǒng)中火電站核電站的效率。

抽水蓄能電站一般由地下廠房、水道、上水庫和下水庫組成，其核心工程水道和地下廠房是典型的地下地質(zhì)工程。通過建立三維地質(zhì)模型，可以使工程設(shè)計(jì)和施工最大限度地去適應(yīng)客觀存在的地質(zhì)條件，使得工程設(shè)計(jì)建設(shè)達(dá)到最為科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。抽水蓄能電站的工程地質(zhì)勘察同常規(guī)水電站的工程地質(zhì)勘察一樣，在工程勘察領(lǐng)域是最為復(fù)雜的。一是大型水利水電工程在國民經(jīng)濟(jì)中都承擔(dān)著重要任務(wù)，一旦失事，會造成政治經(jīng)濟(jì)等方面的重大損失；二是由于水利水電工程大多建于高山峽谷，所處地區(qū)區(qū)域地形地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，樞紐建筑物及水庫庫區(qū)涉及空間區(qū)域廣；三是地質(zhì)信息眾多，鉆孔深度可達(dá)數(shù)十米至數(shù)百米,平洞勘探資料可達(dá)數(shù)百米至數(shù)千米，加之水工建筑物的規(guī)模宏大、所承受的荷載、在地基內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和變形等都很大。因此在勘察設(shè)計(jì)過程中，僅僅依靠傳統(tǒng)的二維、靜態(tài)的表達(dá)方式，是很難滿足需求的，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行三維地質(zhì)CAD建模與可視化分析，是水利水電工程地質(zhì)領(lǐng)域手段上的突破，也是發(fā)展的必然趨勢，有著廣泛且迫切的需求和必要性。

“水利水電工程地質(zhì)三維建模及可視化分析系統(tǒng)”是列入中國水電顧問集團(tuán)公司的科技研發(fā)項(xiàng)目，由北京院承擔(dān)獨(dú)立自主開發(fā)，該項(xiàng)目是基于AutoCAD Civil 3D進(jìn)行開發(fā)，獲得了中國水電顧問集團(tuán)科技進(jìn)步一等獎、優(yōu)秀軟件一等獎，在國家版權(quán)局進(jìn)行了計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記。該項(xiàng)目在北京院承擔(dān)的多個工程項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，對工程建筑物區(qū)域進(jìn)行了三維地質(zhì)建模，取得了比較好的應(yīng)用效果?！吧綎|文登抽水蓄能電站三維地質(zhì)模型”是其中的一個應(yīng)用實(shí)例。這些工程及區(qū)域地質(zhì)條件均有各自不同的特點(diǎn)，從不同側(cè)面驗(yàn)證了本項(xiàng)目的合理性和可行性。通過生產(chǎn)一線地質(zhì)工程師的使用，說明了本系統(tǒng)具有操作簡便、符合一線工程地質(zhì)人員的工作習(xí)慣、易于掌握運(yùn)用等特點(diǎn)。

項(xiàng)目概況

文登抽水蓄能電站位于山東省膠東地區(qū)文登市界石鎮(zhèn)境內(nèi)。工程區(qū)距文登市公路里程約35km，對外交通方便。電站總裝機(jī)容量1800MW，年發(fā)電量26.28億kw ?h。

電站樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、開關(guān)站及出線場等組成。上水庫位于昆崳山泰礴頂東南側(cè)支溝首部，最大壩高101m；下水庫位于楚峴河，最大壩高51m。水道系統(tǒng)沿上、下水庫之間的條形山體內(nèi)展布，由上水庫進(jìn)/出水口、引水隧洞、尾水閘室、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、下水庫進(jìn)/出水口組成，其軸線長度約3100m，地下廠房近中部布置，主廠房開挖尺寸為217.5m×24.9m×53m（長×寬×高）。

圖1 文登抽水蓄能電站工程地理位置

圖2 文登抽水蓄能電站樞紐工程

工程區(qū)位于昆崳山山脈最高峰泰礴頂東南側(cè)，地勢總體上為西北高、東南低，地面高程一般變化在100~800m之間。出露基巖主要為晚元古代晉寧期二長花崗巖，中生代印支期黑云角閃石英二長巖及石英正長巖，三種巖石均為高強(qiáng)度、高彈性模量的堅(jiān)硬巖石，一般巖體作為建筑物基礎(chǔ)及圍巖，具有較為優(yōu)良的工程地質(zhì)特性。覆蓋層則主要為第四系沖積、洪積、崩積及殘坡積物等，主要分布于上水庫庫盆、下水庫河谷等主要沖溝內(nèi)。

工程區(qū)構(gòu)造斷裂不甚發(fā)育，主要斷裂方向?yàn)榻麰-W向，中、陡傾角為主，其他方向斷裂較少，多為壓扭性斷層及長大裂隙，規(guī)模較大的斷層有F3、F5、F12及F10等。工程區(qū)基巖多裸露，風(fēng)化、卸荷深度不大，是工程地質(zhì)條件比較優(yōu)越的抽水蓄能電站站址。

中國水電顧問集團(tuán)北京院三維設(shè)計(jì)應(yīng)用情況

中國水電顧問集團(tuán)北京院于2007年開始開展三維設(shè)計(jì)工作，提出三維設(shè)計(jì)是提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、提升北京院核心競爭力的重要手段。確定以歐特克公司的產(chǎn)品為三維設(shè)計(jì)的工作平臺，地質(zhì)專業(yè)的三維地質(zhì)模型、水工專業(yè)的建筑物開挖和施工專業(yè)的道路設(shè)計(jì)使用AutoCAD Civil 3D 作為基礎(chǔ)平臺；水工專業(yè)的大壩、水道和金結(jié)專業(yè)使用Inventor 作為基礎(chǔ)平臺；水工、機(jī)電和建筑專業(yè)的廠房、機(jī)電、建筑和通風(fēng)使用Revit作為基礎(chǔ)平臺；最終三維模型的組裝使用Navisworks來完成。其最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計(jì)。

中國水電顧問集團(tuán)北京院工程地質(zhì)專業(yè)是系統(tǒng)內(nèi)開展三維設(shè)計(jì)較早的單位，自20世紀(jì)80年代后期開始，北京院成功開發(fā)了“水利水電工程地質(zhì)CAD 繪圖系統(tǒng)”，解決了許多二維制圖的重大技術(shù)問題，可以完成工程地質(zhì)各類常用圖件的繪制。在此基礎(chǔ)上，自2003年以來，北京院先后以AutoCAD 和Civil 3D 為基礎(chǔ)平臺，開發(fā)了“水利水電工程地質(zhì)三維建模及可視化分析系統(tǒng)”，該系統(tǒng)用于水利水電工程地質(zhì)三維建模及相關(guān)地質(zhì)分析。針對中國水電工程復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，提出了一套工程地質(zhì)體三維建模方法，解決了地質(zhì)勘探點(diǎn)、三維鉆孔、平洞和豎井勘探及地質(zhì)剖面圖等資料同時綜合利用的難題?？梢越ǖ貙?、斷層、褶皺、透鏡體、溶洞、復(fù)雜三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、錯斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地形表面、地下水位面、風(fēng)化界面、覆蓋層與基巖分界面等各種地質(zhì)要素的復(fù)雜三維地質(zhì)模型，同時實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型可視化與工勘成果查詢、計(jì)算、分析與演示的一體化。該系統(tǒng)具有獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)，符合目前使用的水利水電勘察規(guī)范的最新有效版本，符合目前習(xí)慣的制圖方式和數(shù)據(jù)格式。便于一線地質(zhì)人員操作和應(yīng)用，并為設(shè)計(jì)專業(yè)提供了進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)平臺——三維地質(zhì)模型。山東文登抽水蓄能電站三維地質(zhì)模型就是使用該系統(tǒng)建立的。

山東文登抽水蓄能電站三維地質(zhì)模型概況

根據(jù)工程設(shè)計(jì)的需求，配合水工專業(yè)三維設(shè)計(jì)的需求，項(xiàng)目組建立了三個三維地質(zhì)模型：工程區(qū)整體三維地質(zhì)模型；上水庫三維地質(zhì)模型；地下廠房區(qū)三維地質(zhì)模型。

工程區(qū)整體三維地質(zhì)模型：三維建模的基礎(chǔ)圖件是采用1：2000工程地質(zhì)圖，如圖3所示。主要包括：三維地形、公路、河流；主要大的斷層、巖層曲面；水工建筑物：上水庫堆石壩、三維水體、水道系統(tǒng)、地下廠房、下水庫大壩、下水庫三維水體。

圖3 工程區(qū)整體工程地質(zhì)圖

圖4 工程區(qū)整體三維地質(zhì)模型

上水庫三維地質(zhì)模型： 采用1：1000工程地質(zhì)圖作為三維建模的基礎(chǔ)圖件，如圖5所示。主要包括：三維地形、公路、河流；三維鉆孔、平洞；主要大的斷層、巖層曲面；覆蓋層、風(fēng)化界面；水工建筑物：上水庫堆石壩、三維水體。

圖5 上水庫1:1000工程地質(zhì)圖

利用三維地質(zhì)模型進(jìn)行料場儲量計(jì)算，可以簡化計(jì)算過程，提高工作效率，使計(jì)算結(jié)果更加可靠。如在進(jìn)行上、下水庫庫區(qū)開挖料料源儲量計(jì)算過程中，根據(jù)地質(zhì)測繪、勘探鉆孔及平硐數(shù)據(jù)建好三維地質(zhì)模型后，結(jié)合庫盆開挖形狀只需進(jìn)行簡單的差分計(jì)算即可計(jì)算出不同風(fēng)化帶及覆蓋層的儲量，相比于傳統(tǒng)的平行斷面法等傳統(tǒng)儲量計(jì)算方法不僅大大節(jié)省了計(jì)算時間，而且由于三維計(jì)算采用了三角網(wǎng)格剖分原理，因此其精度更高結(jié)果也更加準(zhǔn)確。

圖6 上水庫三維地質(zhì)模型

圖7 上水庫筑壩堆石料三維計(jì)算

圖8 地下廠房區(qū)三維地質(zhì)模型

根據(jù)計(jì)算，上水庫各種風(fēng)化料儲量合計(jì)約504萬m3。其中全、強(qiáng)風(fēng)化軟巖料儲量合計(jì)約216萬m3，占到庫區(qū)開挖總量的1/3以上，若不加以利用，棄料量將非常大；另一方面堆石料設(shè)計(jì)需要量為473萬m3，而硬巖料儲量約為287萬m3，僅利用硬巖料儲量不足，因此需考慮利用軟巖堆石料。

廠房區(qū)三維地質(zhì)模型：采用1：2000工程地質(zhì)圖作為三維建模的基礎(chǔ)圖件，主要包括：地下廠房及水道系統(tǒng)、主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。

利用廠房區(qū)三維地質(zhì)模型，能夠更加直觀地反映地質(zhì)勘探成果，對覆蓋層、風(fēng)化帶及構(gòu)造等不同地質(zhì)單元均能以三維形式進(jìn)行模擬。如根據(jù)勘探平硐等勘察成果對地下廠房及其所揭露的構(gòu)造進(jìn)行模擬，能夠形象地反映出斷層與廠房頂拱及邊墻的交切關(guān)系并進(jìn)行初步穩(wěn)定分析，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)平切圖不夠直觀的不足。已知主要結(jié)構(gòu)面切割地下洞室圍巖形成的若干個塊體，可以直接的了解到每個塊體的分布位置、形態(tài)、體積以及與建筑物的關(guān)系。還可以根據(jù)結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算塊體的穩(wěn)定性。

三維地質(zhì)模型的應(yīng)用與分析

圖9 切制平(斜)切圖、曲面剖切

圖10 三維地質(zhì)模型切制剖面圖

通過完整的山東文登抽水蓄能電站三維地質(zhì)模型，設(shè)計(jì)師可以進(jìn)行全方位的3D漫游展示。項(xiàng)目組使用Autodesk Navisworks進(jìn)行三維地質(zhì)模型的整合，并且進(jìn)行三維動態(tài)顯示的AVI視頻文件，使用Adobe PDF軟件進(jìn)行三維瀏覽。實(shí)現(xiàn)了對三維地質(zhì)模型多種方式的瀏覽，以滿足工程人員直觀多方位的觀察與分析需要。包括：三維立體方式、單層顯示方式、掀蓋層三維顯示方式、切面方式、動態(tài)顯示方式、透明顯示方式、三維PDF顯示方式等。地質(zhì)人員可以通過三維瀏覽為設(shè)計(jì)師們講解地質(zhì)構(gòu)造，什么地方是地質(zhì)不良體，什么部位需要工程建筑物回避，設(shè)計(jì)師們會在三維實(shí)體地質(zhì)模型上看得一清二楚。從而幫助建筑師對建筑的最終造型和外觀有更加感性和直觀的認(rèn)識。

圖11 地形曲面的高程分析

在水電工程地質(zhì)勘察中，一項(xiàng)非常重要和繁瑣的工作就是切制剖面圖和平切圖。當(dāng)三維地質(zhì)模型建立好以后，實(shí)現(xiàn)了在三維地質(zhì)模型上切制任意方向、任意角度、任意高程部位的各類圖件，最終解決了在二維制圖中無論是采用手工或計(jì)算機(jī)都很難解決的技術(shù)難題。其中利用三維地質(zhì)數(shù)據(jù)模型切制各類地質(zhì)圖件，可以在AutoCAD圖形中，沒有任何圖形元素的情況下，從這些數(shù)據(jù)文件中切制圖件，即減少了AutoCAD圖形文件所占用的磁盤空間，又提高了切制速度，而且精度未受任何影響。圖9所示是切出的各類平切圖。

三維地質(zhì)模型的建立不僅為工程地質(zhì)專業(yè)本身提供了極大的便利，同時也為設(shè)計(jì)專業(yè)提供了一個三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)平臺，設(shè)計(jì)師們在三維地質(zhì)模型上可以直接完成設(shè)計(jì)構(gòu)思，進(jìn)行工程建筑物布置，根據(jù)地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造空間環(huán)境，可以任意調(diào)整設(shè)計(jì)方案使之獲得最佳布置效果，特別是地下建筑物的空間布置、調(diào)整、平移和旋轉(zhuǎn)。對于那些用語言和文字都不易表達(dá)清楚的工程地質(zhì)問題，通過三維地質(zhì)模型各方位的可視化，可以非常直觀的表達(dá)清楚，達(dá)到一目了然的效果。

上水庫和大壩壩體做成三維實(shí)體，可以利用AutoCAD的命令直接計(jì)算出水庫庫容和大壩體積，如圖12所示。

利用Civil 3D原有的功能和北京院自主開發(fā)的功能，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)建模數(shù)據(jù)與三維地質(zhì)模型的動態(tài)關(guān)聯(lián)，即曲面建立好后，當(dāng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了改變，曲面可以按照更改后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動更新。實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型與剖面圖、平切圖的雙向動態(tài)關(guān)聯(lián)，這是生產(chǎn)一線工程地質(zhì)人員迫切需要的功能，也是優(yōu)秀的三維地質(zhì)CAD軟件所應(yīng)該具備的功能。同時也在目前水利水電行業(yè)三維地質(zhì)CAD軟件中尚屬首次實(shí)現(xiàn)，具有獨(dú)創(chuàng)性。

未來展望

三維設(shè)計(jì)已經(jīng)在中國水電顧問集團(tuán)北京院地質(zhì)專業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，目前已經(jīng)在十多個項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了三維建模和可視化分析。三維地質(zhì)模型在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，將使工程地質(zhì)人員的制圖水平和地質(zhì)理論分析水平得以提高，使工程地質(zhì)制圖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。工程地質(zhì)制圖和分析質(zhì)量大大提高，從而達(dá)到在計(jì)算機(jī)上自動切制各類地質(zhì)剖面的目標(biāo)，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，將是工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)制圖領(lǐng)域的一次飛躍。首先得益的是每天為切制各類縱橫地質(zhì)剖面、平切圖、分析圖等忙得不可開交的地質(zhì)師們。他們將有更多的時間來進(jìn)行工程地質(zhì)分析。大大提高工作效率，節(jié)約設(shè)計(jì)時間。工程地質(zhì)三維模型在水利水電行業(yè)的應(yīng)用前景十分廣闊，大到宏觀決策，小到用于水利水電一個具體樞紐工程勘測設(shè)計(jì)工作。通過三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)任意切制剖面圖和平切圖，不僅解決了長期困擾地質(zhì)專業(yè)人員的技術(shù)難題，同時也為設(shè)計(jì)專業(yè)提供了一個實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)平臺，設(shè)計(jì)專業(yè)可以在三維實(shí)體地形地質(zhì)模型上進(jìn)行水工建筑物的設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算等，從而推進(jìn)勘測設(shè)計(jì)一體化的進(jìn)程，這也必將在水利水電工程的勘測設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。

受訪感言

“BIM是一項(xiàng)新興技術(shù)，是未來發(fā)展的方向，它是服務(wù)于建筑全生命周期的一個信息平臺，用于集成、分享和管理信息，它的表現(xiàn)形式是三維的、實(shí)時動態(tài)的。在水利水電行業(yè)BIM技術(shù)必將獲得更廣泛的應(yīng)用。”

——中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院信息中心主任 鄭兆信

“之所以我們稱三維地質(zhì)模型的應(yīng)用是水利水電工程地質(zhì)專業(yè)的一次革命，是因?yàn)樗鼘⑹沟霉こ虥Q策更加科學(xué)化、合理化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化，為最終實(shí)現(xiàn)水電工程多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)打下一個良好的基礎(chǔ)。BIM為我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)搭建了非常好的平臺?！?/p>

——中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院專業(yè)總工程師 徐春才

“目前絕大部分水電設(shè)計(jì)院在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，采用的是全2D制圖，而水電工程多為巨型或大型工程，巨大的工程量帶來了大量溝通和實(shí)施環(huán)節(jié)的信息流失。隨著3D技術(shù)在行業(yè)中逐漸得到重視，帶來的不僅僅是效率的提升，更是一次革命。

——中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院工程師 高立東