BIM技術在國際工程凱樂塔水利樞紐項目中的設計與應用

梁春光 陶玉波 郭莉莉

（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州 450001）

BIM技術在國際工程凱樂塔水利樞紐項目中的設計與應用

梁春光 陶玉波 郭莉莉

（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州 450001）

凱樂塔水利樞紐是中國在非洲最大的EPC總承包項目，應用BIM技術快速進行方案布置優(yōu)化，以及以BIM為載體的信息化管理系統(tǒng)，在項目管理方面取得了良好效果。項目實施過程中，通過虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)材料表精確統(tǒng)計、數字化虛擬放樣、施工方案模擬等數字仿真應用，最大程度地發(fā)掘了BIM模型的信息價值。實踐證明，BIM技術有效地縮短了工期，降低了施工難度和工程投資，保障了工程的順利實施。BIM在凱樂塔水利樞紐中的應用思路及方法，尤其是BIM平臺定制及信息系統(tǒng)開發(fā)對其他國際工程有積極的借鑒意義。

BIM；國際工程；項目管理；水利樞紐

凱樂塔水利樞紐位于幾內亞孔庫雷河下游凱樂塔瀑布處，凱樂塔水利樞紐采用碾壓混凝土重力壩，全長1 145.5m，總裝機容量為234.6MW，被譽為幾內亞的“三峽工程”。項目的建成投產使幾內亞國家的總裝機容量翻番，進入能源自給自足的時代。

凱樂塔水利樞紐建設周期長、投資大，技術要求高，參建單位多。工程所在地幾內亞位于非洲西部，經濟落后、物資匱乏，項目實施需要物資依賴進口，且材料供應商與項目所在地距離遠，運輸周期長。建筑材料的精確統(tǒng)計，按期運輸到位是項目順利完成的前提。工程業(yè)主方、監(jiān)理方、EPC總包及分包單位來自不同的國家，各方都有及時掌握項目信息的需求，對各方關注的問題及時溝通、協(xié)調、解決。這些國際工程的特性決定了BIM（Bduilding Information Model）技術在工程實施管理中發(fā)揮重要作用。BIM技術的成功應用，可顯著降低國際工程的風險。

BIM是以三維數字模型為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的數據模型，是對工程項目相關信息的

詳盡表達。建筑信息同時又是一種可應用于設計、建造、管理的數字化方法，可以使建筑物工程在整個進程中提高效率和大量減少風險。

本工程首先在基于公司標準的BIM平臺上建立模型，然后結合自主研發(fā)的、以BIM模型為載體、以互聯(lián)網通信為基礎的信息化管理系統(tǒng)，進行設備招標管理、施工進度模擬、文函管理等。最后在項目實施過程中，通過標準規(guī)范化三維出圖，BIM多專業(yè)協(xié)同碰撞檢查，數字化精細建模統(tǒng)計材料表，三維復雜體型配筋，建筑物水力學模擬等，最大程度地發(fā)掘BIM模型的信息價值。BIM技術有效縮短了工期，降低了施工難度和工程投資，保障工程的順利實施。本文重點總結BIM在凱樂塔水利樞紐中的應用思路及方法，尤其是BIM平臺定制及信息系統(tǒng)開發(fā)對其他國際工程有積極的借鑒意義。

1 搭建基于公司標準的BIM平臺

BIM平臺的核心思想是所有設計專業(yè)協(xié)同工作和信息共享。各個專業(yè)在統(tǒng)一的交付標準和過程控制下進行業(yè)務協(xié)同。BIM平臺定制包括環(huán)境資源、信息資源、業(yè)務流程、業(yè)務協(xié)同、交付標準和過程控制定制六大板塊，探索出符合公司標準及項目特色的BIM應用方法。

1.1 客戶化環(huán)境統(tǒng)一搭建

基于服務器的設計環(huán)境統(tǒng)一搭建，實現(xiàn)環(huán)境文件統(tǒng)一管理，從底層控制BIM文件結構。以項目為單位在統(tǒng)一的標準下建立BIM模型，效率和質量都大幅提高。

客戶化環(huán)境搭建流程如圖1所示，項目按照企業(yè)執(zhí)行的相關標準及項目特色定制環(huán)境文件，如定義設備材料清單統(tǒng)計時的設備類型和參數類型，定義設備庫文件路徑及解析路徑，定義各專業(yè)設備默認命名格式和顏色等。環(huán)境控制文件定制完畢統(tǒng)一存儲在網絡服務器上，各個專業(yè)在設計時通過訪問服務器獲取環(huán)境文件，從而統(tǒng)一管理控制整個項目各臺計算機的設計環(huán)境，規(guī)范BIM數據結構，提高設計效率。

圖1 以項目為單位定制環(huán)境

1.2 信息資源統(tǒng)一定制

全面按照公司標準定制并升級水機電氣等各專業(yè)設備庫，使其完全符合現(xiàn)行的企業(yè)標準及項目標準。信息資源定制主要包括設備庫定制、管線及管件規(guī)格定制。設備庫的建立可以使知識快捷重復應用。在實際工程應用中，應不斷積累，建立各種形式的模板，集中進行模板庫管理。設計時根據需要輕松調取模板，提高工作效率。設備庫中的設備應具有幾何信息和屬性信息。管線及管件規(guī)格應根據項目采用的管線標準進行定制，如定制管道公稱直徑、壓力等級、材料、轉彎半徑等屬性。圖2所示為信息資源定制及應用流程，信息資源的成功定制，在設計過程中可應用信息資源快捷高效地進行設備布置及管道敷設、統(tǒng)計材料表，極大地提高了對于復雜管道的設計效率。

圖2 信息資源定制及應用流程

1.3 業(yè)務流程的開發(fā)

標準化廠房設計系統(tǒng)等業(yè)務流程的開發(fā)是對傳統(tǒng)的三維參數化建模設計手段的全面升級。傳統(tǒng)參數化建模其基本思想是以約束來驅動產品模型的形狀特征，通過修改這些變量來創(chuàng)建一些形狀相似的零件，相對于二維設計提高了設計柔性。但是，在應用中通過不同的參數化模板創(chuàng)建BIM模型時，各個模板之間的參數協(xié)調及關聯(lián)是工作難點。

如圖3所示，標準化廠房設計系統(tǒng)應用二次開發(fā)手段創(chuàng)建人性化的設計界面，通過尺寸的關聯(lián)、規(guī)則的應用及規(guī)范的嵌入等方法可將設計規(guī)范嵌入到程序中，監(jiān)督設計過程，實行人機對話，根據需要調取模板庫中符合設計要求的模板，程序自動關聯(lián)協(xié)調不同模板間的參數值，一鍵生成所需的BIM模型。可將用戶的已完成的工程生成工程實例庫，可為相似的工程提供技術支撐。

圖3 標準化廠房設計系統(tǒng)

2 利用BIM對設計方案進行優(yōu)化

BIM模型的建立，可以準確地展示施工現(xiàn)場的地形地貌、工程建筑物和施工設施的分布位置、材料運輸途徑等具體信息。BIM讓不同專業(yè)的配合更加緊密精細，分工協(xié)作提高工作效率，使技術人員脫離繁雜的圖紙，增加思考時間。BIM模型的三維可視化，可有效地表達設計意圖，方便進行溝通、討論與決策，進行多方案比選。

2.1 利用BIM模型對總布置方案及施工導流方案進行重大優(yōu)化

BIM模型的建立能形象、準確地展示工程布置，BIM模型是實現(xiàn)水利水電工程方案布置優(yōu)化的前提。通過BIM深入設計，發(fā)現(xiàn)原方案工期長、度汛風險大，而且使得原FRAN瀑布永久消失。若將此方案布置在SONGO河灣的泄洪底孔，移至電站引水口左岸的FRAN BANGA河灣，則凱樂塔水利樞紐可以簡化為兩期施工導流。相比原四期導流方案，一期圍堰防洪標準提高到二十年一遇的洪水，且導流期長達3a，基坑防洪及整個施工期安全水平大大提高。現(xiàn)兩期導流方案大大簡化了導流程序，在工期控制上更加靈活。施工控制節(jié)點大為減少，為控制工期、均衡施工強度、電站連續(xù)施工創(chuàng)造了良好的施工條件。

2.2 利用BIM模型對設備布置進行優(yōu)化

通過三維設計技術，設備庫可有效地對同類設備進行系列化建模，并利用專業(yè)環(huán)境，融入知識工程，快速進行管道敷設且無需進行合規(guī)性驗證，從而大大加快了設計進程。在三維環(huán)境中利用虛擬布置的方式改善原方案布置形式，新布置方案充分利用了空間，根據全場的總體規(guī)劃要求，保留了合理的設備空間和凈空要求。設備布置和安裝符合安全生產和環(huán)境保護要求，為后續(xù)施工、操作和維修提供方便，給操作人員創(chuàng)造良好的操作條件，如圖4所示。

圖4 利用BIM模型對設備布置進行優(yōu)化

3 具有自主知識產權的綜合管理信息系統(tǒng)助力信息傳遞

基于BIM技術的信息管理模式打破現(xiàn)有工程項目管理中的屏障，集成工程項目各階段、各關鍵指標、各組織、各專業(yè)和各項目的信息融合，形成更加廣泛的集成，協(xié)調工程項目系統(tǒng)目標、外部資源、內部資源的信息流網絡［1］。BIM為項目的生產和管理提供了大量可供深加工和再利用的數據信息，有效利用和管理這些海量信息和數據需要信息化管理系統(tǒng)的支撐。以BIM數據架構為基礎的項目協(xié)同和管理平臺，為設計師、建筑師、承包商、開發(fā)商等各環(huán)節(jié)參與人員提供“模擬和分析”的可視化科學協(xié)作平臺，幫助他們利用三維數字模型對項目進行設計、建造及運營管理［2］。凱樂塔綜合管理信息系統(tǒng)正是基于這個思想，使用人員根據自己的角色，設計、施工或運營，用不同的用戶名登陸，具有不同的功能，界面如圖5所示。

圖5 綜合管理信息系統(tǒng)界面

3.1 綜合管理信息系統(tǒng)的原理

BIM的核心價值在于信息傳遞，如圖6所示，本項目根據項目特點自主研發(fā)了信息化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以BIM模型為載體，以互聯(lián)網通信為基礎，為處于全球各地的項目人員傳遞信息提供了平臺。從項目全生命周期的綜合效益角度分析，有3個時間段能夠最大化BIM效益，分別是設計階段、施工階段、運營階段［3］，凱樂塔綜合管理信息系統(tǒng)正是基于此構建了基于這三方的三大模塊，具備項目管理、招投標管理、設計管理、項目圖文資料管理等管理功能。

圖6 基于互聯(lián)網通信的信息傳遞

3.2 綜合管理信息系統(tǒng)模塊功能

3.2.1 設計模塊。設計模塊主要包括圖紙的上傳檢索、模型關聯(lián)、出圖狀態(tài)查詢，設備信息上傳檢索、設備狀態(tài)查詢，設代數據、現(xiàn)場照片、來往文函的上傳檢索等功能。

3.2.2 施工模塊。施工模塊主要包括施工期資料的上傳檢索、4D進度監(jiān)控（虛擬建造、進度錄入等）、物資動態(tài)管理等功能。

表1工程量清單

3.2.3 運維模塊。運維模塊主要包括竣工圖紙的上傳和檢索、設備巡檢和設備維護管理功能。

上述三大模塊的功能都與BIM模型關聯(lián)，點擊模型可以進行交互式查詢或輸入，在模型中查看出圖狀態(tài)、設備狀態(tài)、實際進度等。

4 BIM技術的拓展應用，深度挖掘BIM模型價值

4.1 “設計零碰撞”保證工程順利實施

模型有效解決錯漏碰等二維平面設計常見問題，三維設計軟件自身具備碰撞檢查、距離和區(qū)域分析等功能，在設計過程中通過報表和實體模型相結合，迅速將碰撞檢查信息反饋給設計人員。如圖7所示，提示濾水器與法蘭之間有0.001 6m的沖突。該方法在實際運用中，有效地縮短了工期，降低了施工難度和工程投資，保障工程的順利實施。利用BIM技術在水電站廠房設備及管道布置優(yōu)化設計中有顯著的優(yōu)點，對國內、外的類似工程具有廣泛的推廣和應用價值。

圖7 沖突檢查

4.2 精細化建模快速統(tǒng)計材料表指導采購

凱樂塔項目所處區(qū)域經濟落后、物資匱乏，項目實施需要物資依賴進口。建筑材料做到精確統(tǒng)計，按期運輸到位是項目順利完成的前提。

在完成三維設計后，可根據設備模型和管路模型的內蘊屬性信息，通過軟件自身的報表統(tǒng)計功能，按照制定的材料統(tǒng)計表生成樣式，可以快速生成滿足專業(yè)要求的材料表如表1所示。

4.3 BIM模型指導施工

BIM為施工方提供了更好的可視化表達方式及有效的溝通協(xié)調平臺，減少施工沖突，降低施工風險，提高施工效率維護施工質量。三維可視化功能加上時間維度形成4D模型，可進行進度模擬，直觀對施工計劃與實際施工進行對比。如圖8所示，對于體型特別復雜，施工難度高的關鍵部位如蝸殼部分，2D圖不容易表達復雜形狀結構及配筋方式，在BIM模型的基礎上進行三維配筋，不僅可以預先虛擬放樣，還可以自動統(tǒng)計鋼筋工程量表，保證施工質量和精度要求。

圖8 BIM模型指導施工

4.4BIM與計算模擬相結合

三維模擬商用軟件如ANSYS的前處理功能相對較弱，對于較為復雜的體型，建模的基礎工作占據整個模擬工作時間比重大。需要模擬更為復雜的應力場或流場時，往往占據時間更多。BIM模型體型完全反應工程實際體型，通過分析可對BIM模型細節(jié)進行簡化或在BIM模型的基礎上建立模擬區(qū)域，可節(jié)省大量時間，提高模擬效率。圖9所示為凱樂塔電站引水發(fā)電系統(tǒng)的BIM模型，特別是蝸殼部分，體型結構異常復雜，使用模擬軟件建造體型費時費力，若在BIM模型的基礎上進行布爾運算，可輕松建立流場模擬區(qū)域（見圖10），節(jié)省時間。

圖9 引水發(fā)電系統(tǒng)BIM模型

4.5 BIM模型超越語言障礙

凱樂塔工程規(guī)模大，布置復雜，設計繁雜，且設計、咨詢、施工等各方來自不同的國家，語言不同，教育背景不同，思維方式不同，順暢的溝通協(xié)調是保證工程順利實施的前提。BIM整合所有的信息，保障協(xié)同溝通信息源的唯一性。BIM模型的可視化可清晰地表達設計成果、現(xiàn)場施工情況、設備招標情況等。而且BIM模型可以作為渲染模型的基礎，大大提高三維渲染效果和效率，可生成高清圖片、視頻等工藝動畫或建筑功能展示，展示方式靈活，信息密度高，在國際項目中超越語言障礙方便溝通。

圖10 引水發(fā)電系統(tǒng)模擬區(qū)域

5 結語

國際工程較一般國內工程對BIM的設計與應用需求更加強烈。應用BIM技術快速進行方案布置優(yōu)化，降低了施工難度和工程投資，保障了工程的順利實施。尤其是以BIM模型為載體，以互聯(lián)網通信為基礎的信息化管理系統(tǒng)，為處于全球各地的項目人員傳遞信息提供了平臺，加強了項目的管理，降低了工程風險。在項目施工過程中，深度挖掘BIM技術價值的思路和方法，對國內外的類似工程具有廣泛的推廣和應用價值。

［1］李勇，管昌生.基于BIM技術的工程項目信息管理模式和策略［J］.中國管理學報，2012（8）：17-21.

［2］陳宇軍，劉玉龍.BIM協(xié)同設計的現(xiàn)狀和未來［J］.建筑設計信息化，2010（2）：26-29.

［3］孫悅.基于BIM的建設項目全生命周期信息管理研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.

The Design and Application of BIM Technology in the
International Engineering Water Conservancy Project in Kaleta

Liang ChunguangTao YuboGuo Lili（Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450001）

Kaleta project is the largest EPC project in Africa which building by Chinese,we have achieved good re?sults in the application of BIM technology to quickly carry out the program layout optimization,and BIM as the carri?er of the information management system in the project management.In the project implementation process,through virtual reality technology,to achieve material accurate statistics,digital virtual layout,construction scheme simula?tion,digital simulation,the information value of the BIM model was discovered in the greatest degree.Practice proved that the BIM technology could shorten the construction period,reduce the construction difficulty and project invest?ment,and ensure the smooth implementation of the project.The application of the ideas and methods of BIM in Kale?ta,especially BIM platform customization and information system development has positive significance for other in?ternational engineering.

BIM；international engineering；project management；water conservancy project

TU17

A

1003-5168（2016）10-0036-05

2016-09-16

梁春光（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：水利水電工程設計。