3D/BIM模型在挪威斯密斯托水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用

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設(shè)計(jì)與施工

3D/BIM模型在挪威斯密斯托水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用

[挪威]赫爾曼·熊·史密斯等

斯密斯托水電項(xiàng)目的土建工程采用了挪威非常規(guī)的EPC模式，為EPC承包商和咨詢公司之間開展更大范圍的協(xié)作創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。同時(shí)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用3D/BIM模型的創(chuàng)新方法取代傳統(tǒng)的二維平面圖紙，并通過模型將設(shè)計(jì)成果傳送給承包商，不僅為設(shè)計(jì)公司和承包商帶來了潛在的高附加值，而且還可使用戶獲得比從二維平面圖更多的信息。通過在模型中構(gòu)建信息、生成更易于接近的視點(diǎn)、培訓(xùn)雙方的工作人員等創(chuàng)新方法，取得了滿意的效果。

3D/BIM模型；EPC模式；水電項(xiàng)目；挪威

1 概 述

斯密斯托水電項(xiàng)目是21世紀(jì)初以來挪威新建的大型水電項(xiàng)目之一，主要由一條無襯砌地下水道(總長(zhǎng)27 km，流經(jīng)多條隧洞和多個(gè)豎井)、2座電站(斯密貝爾格(Smibelg)電站和斯圖拉湖(Stor?vatn)電站)、11個(gè)取水口、1座泵站、6條水下隧洞及若干座小型水壩組成。

斯密斯托水電站為高水頭、低流量電站，兩座電站獨(dú)立分布，水庫庫容大，斯密貝爾格電站裝機(jī)容量為33 MW，斯圖拉湖電站裝機(jī)容量為(25+8)MW。項(xiàng)目于2015年夏季開工，預(yù)計(jì)2019年可完工。

該項(xiàng)目位于偏遠(yuǎn)沿海地區(qū)，灣峽和山谷之間的風(fēng)、降水量、氣溫等氣候要素變化多端。項(xiàng)目場(chǎng)址僅可由海路通達(dá)，大多數(shù)取水口區(qū)域僅能通過直升機(jī)抵達(dá)，這對(duì)施工規(guī)劃和后勤保障提出了很高的要求。

2 項(xiàng)目實(shí)施

根據(jù)EPC合同安排，項(xiàng)目業(yè)主斯密斯托克拉夫特AS公司(Smisoto Kraft AS)將所有土建工程和地下工程的實(shí)施合同授予了挪威承包商Hhre Entrepren?r AS公司。液壓機(jī)械和機(jī)電設(shè)備由供應(yīng)商供貨并負(fù)責(zé)安裝，合同簽訂及相關(guān)協(xié)調(diào)工作由項(xiàng)目業(yè)主自行負(fù)責(zé)。工程設(shè)計(jì)、采購、施工合同(EPC)意味著EPC承包商將全面負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、采購、施工及安裝調(diào)試等所有工作，并最終向項(xiàng)目業(yè)主交付一項(xiàng)完整的工程。

綜合咨詢ASA公司(Multiconsult ASA)代表承包商承擔(dān)所有土建工程的設(shè)計(jì)咨詢，以及不同液壓機(jī)械和機(jī)電設(shè)備供應(yīng)商之間的協(xié)調(diào)。

在挪威，水電項(xiàng)目的土建工程很少采用EPC模式，常規(guī)的做法是咨詢公司代表項(xiàng)目業(yè)主進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。然而，該項(xiàng)目EPC模式的建立，為EPC承包商和咨詢公司之間開展更大范圍的協(xié)作創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。通過前期反復(fù)交流勾通，雙方對(duì)項(xiàng)目目標(biāo)有了統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，并計(jì)劃通過相互合作實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)，即經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)方案、現(xiàn)場(chǎng)的高效執(zhí)行力、從概念到施工的高效率的工作流程及完整的文檔編制。

鑒于總包方和設(shè)計(jì)方共同的利益目標(biāo)，雙方?jīng)Q定采用3D/BIM模型進(jìn)行所有設(shè)計(jì)和繪圖工作，以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工方法。設(shè)計(jì)成果通過模型傳遞給承包商，而不需要打印傳統(tǒng)的二維平面圖紙。

3 規(guī)劃與設(shè)計(jì)過程

由于采用了非常規(guī)的合同模式及非常規(guī)的3D/BIM模型設(shè)計(jì)成果傳遞方式，項(xiàng)目規(guī)劃與設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)淖兏?。此外，承包商還確認(rèn)了工作流程和工具使用方面的變更。

設(shè)計(jì)過程就是所涉及學(xué)科之間的不斷迭代，其中一個(gè)學(xué)科始終是前提學(xué)科。通過線性方法將整體過程分解成若干子階段，直到前一子階段中所有學(xué)科都完成既定的里程碑后，下一子階段才開始工作，從而獲得較小的迭代循環(huán)和更精簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)流程。

項(xiàng)目實(shí)施的工作流程基于綜合咨詢公司的理念，但為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的特定目標(biāo)，也對(duì)綜合咨詢公司的理念做了局部調(diào)整。最終采用的工作流程包括下述幾個(gè)連續(xù)的子階段：

(1) 設(shè)計(jì)工作的初始化；

(2) 跨學(xué)科的設(shè)計(jì)過程；

(3) 詳細(xì)設(shè)計(jì)；

(4) 施工工作的跟進(jìn)。

各子階段明確了整個(gè)過程中承包商、供應(yīng)商和項(xiàng)目業(yè)主各自負(fù)責(zé)的事項(xiàng)及其先后順序等。

承包商所建議的工作流程已證明可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，而且還減少了通常在類似項(xiàng)目中所需要的修改次數(shù)，從而降低了成本。此外，新的工作流程為項(xiàng)目規(guī)劃和后續(xù)工作提供了一個(gè)改進(jìn)的平臺(tái)。

4 模型開發(fā)

為了適應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)直接從3D/BIM模型中檢索信息，而不需準(zhǔn)備傳統(tǒng)的二維平面圖紙的目標(biāo)，承包商專注于在以下方面對(duì)傳統(tǒng)方法加以改進(jìn)：

(1) 現(xiàn)有軟件在設(shè)計(jì)和施工中的不同用法；

(2) 基于信息利用的目的，對(duì)咨詢公司將信息傳輸給承包商的方式進(jìn)行優(yōu)化；

(3) 采用替代傳統(tǒng)二維平面圖紙的新產(chǎn)品；

(4) 允許通過模型擴(kuò)展交流。

為了推行適用于現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)理念(貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn))，設(shè)計(jì)人員采用了編織Braided設(shè)計(jì)模型的思維方式。之所以選擇這種模型，是因?yàn)樗梢酝ㄟ^5個(gè)連續(xù)的開發(fā)步驟和數(shù)次的迭代將設(shè)計(jì)、策略和技術(shù)運(yùn)用三者結(jié)合起來。

由于雙方都參與了不同概念的開發(fā)，從而可以在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同概念進(jìn)行連續(xù)性能測(cè)試，及對(duì)一些新概念進(jìn)行迭代。下面將會(huì)對(duì)此做進(jìn)一步描述。

5 模型使用

結(jié)合幾何圖形為擬設(shè)計(jì)的土建單元定義一組屬性，以便生成所要構(gòu)建對(duì)象的表現(xiàn)形式，這就是通常所說的BIM(建筑信息模型)。

在一張傳統(tǒng)的二維平面圖紙上，幾何圖形是用帶有參考坐標(biāo)點(diǎn)的平面視圖和剖面圖來表示的，圖紙上的文字說明則給出了材料、安裝技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方面的信息。

另一方面，一個(gè)三維模型則提供了完整土建單元的幾何形狀及其在最終坐標(biāo)系中的位置。結(jié)合每個(gè)單元的指定屬性，三維模型生成該設(shè)計(jì)的數(shù)字化表現(xiàn)形式。

在斯密斯托項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員首先明確定義了一組定制的信息參數(shù)和屬性，然后將這些信息分別指定給每個(gè)建模單元，包括質(zhì)量水平、先后順序、單元識(shí)別號(hào)、設(shè)計(jì)規(guī)定、說明、防火要求、材料要求及數(shù)量等。當(dāng)需要時(shí)，結(jié)合這些信息參數(shù)與建模單元的幾何圖形，便可獲取設(shè)計(jì)中所有的信息，唯一的較大障礙是必須能在施工現(xiàn)場(chǎng)使用和理解計(jì)算機(jī)程序。

為了模型構(gòu)建和便于信息檢索，按以下層次結(jié)構(gòu)對(duì)這些模型進(jìn)行準(zhǔn)備與調(diào)整：

(1) 編譯模型。巖石與混凝土工程外部界面整體組成及控制的說明。

(2) Solibri軟件中每個(gè)主體結(jié)構(gòu)(如電廠、大壩)的集成模型。界面處理、沖突檢測(cè)和跨學(xué)科協(xié)調(diào),以及施工模擬與土建工程的作業(yè)指導(dǎo)書。

(3) 設(shè)計(jì)模型，用于隧洞與景觀工程的Autosesk Civil 3D軟件，以及用于其他結(jié)構(gòu)的Revit軟件。IFC模型輸出到集成模型，以及特定模型的輸出，使得在施工現(xiàn)場(chǎng)能夠直接檢索測(cè)量數(shù)據(jù)。

5.1 排 序

如前面所述，液壓機(jī)械和機(jī)電設(shè)備由供應(yīng)商供貨并負(fù)責(zé)安裝，合同所要求的詳細(xì)設(shè)計(jì)則通過三維模型提供。結(jié)合土木結(jié)構(gòu)模型，供應(yīng)商模型允許進(jìn)行物理接口處理、早期階段沖突檢測(cè)及集成模型中跨學(xué)科協(xié)調(diào)。

對(duì)土木結(jié)構(gòu)按計(jì)劃施工順序進(jìn)行標(biāo)注，并根據(jù)安裝順序與供應(yīng)商的單個(gè)模型相結(jié)合。該標(biāo)注系統(tǒng)允許在設(shè)計(jì)階段對(duì)施工與安裝的順序進(jìn)行更高級(jí)別的調(diào)整。

5.2 質(zhì)量水平

為了控制模型中的規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程，將所有組件的開發(fā)結(jié)構(gòu)化為指定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，用以表明每個(gè)單元在設(shè)計(jì)、跨學(xué)科控制和施工狀況方面所達(dá)到的狀態(tài)和質(zhì)量。當(dāng)前的質(zhì)量水平與計(jì)劃的施工順序在集成模型中均為可視的。

按計(jì)劃的施工順序?qū)ν聊窘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)注和開發(fā)。結(jié)合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，功能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)就有了保證。過程的可視化開發(fā)成果不僅為項(xiàng)目規(guī)劃和后續(xù)工作提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，也為所有參與方提供了一個(gè)交流平臺(tái)。

在設(shè)計(jì)和施工的交叉點(diǎn)上，模型中提供了完整結(jié)構(gòu)的總體可視化效果，但是承包商不能從標(biāo)注的質(zhì)量水平低于“S4”的任何組件開始工作。

標(biāo)注“S5”表示現(xiàn)場(chǎng)完成的單元，根據(jù)EPC承包商控制系統(tǒng)要求，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行過程受控，并且與設(shè)計(jì)保持一致，包括執(zhí)行單元的測(cè)量工作。在執(zhí)行偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，給出“S5”標(biāo)注之前需及時(shí)對(duì)模型作出相應(yīng)的調(diào)整。不斷升級(jí)的“已建成”文件，將為電站將來的運(yùn)行和維護(hù)工作創(chuàng)建一個(gè)功能性的工具。

質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)描述了設(shè)計(jì)過程中每個(gè)單元的成熟度，并且不對(duì)應(yīng)一定水平的細(xì)節(jié)或信息。在建模過程中，一直采用一定水平的細(xì)節(jié)或信息，直到在設(shè)計(jì)過程開始之前雙方達(dá)成一致意見。從理論上講，一個(gè)單元即使施工準(zhǔn)備還不充分，也可在早期階段生成高度細(xì)化的設(shè)計(jì)成果。相反，一個(gè)單元可能無幾何形狀的詳細(xì)信息，但可以有足夠的信息用來施工。

6 設(shè)計(jì)依據(jù)的調(diào)整

為了確保EPC承包商現(xiàn)場(chǎng)管理人員和施工人員獲得的信息是正確的，需要對(duì)設(shè)計(jì)模型按層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)備與調(diào)整。由于施工現(xiàn)場(chǎng)擁有現(xiàn)代化的設(shè)備，包括用于機(jī)器控制和測(cè)量的設(shè)備，二維平面圖紙并不總是傳遞設(shè)計(jì)信息的最有效方式?？紤]到不同軟件的特點(diǎn)和施工規(guī)劃方法，需要針對(duì)項(xiàng)目的不同特性采取不同的方法：

(1) 為隧道、綠化和巖洞開挖工程而建造的模型，機(jī)器控制是執(zhí)行過程中的核心；

(2) 為混凝土工程、鋼筋和其他安裝工程而建造的模型，需要詳細(xì)的幾何控制和裝配程序；

(3) 用于測(cè)量工作的模型，除了幾何圖形之外，不需要配置一個(gè)以上的屬性，Autodesk Civil 3D軟件可用于設(shè)計(jì)具有以下特征的工程：①豎井和隧道工程。明確中心線和橫截面的要求，承包商需要制定開挖計(jì)劃。②綠化工程。定義形狀和界線。

Autodesk Revit軟件用于項(xiàng)目其他工程的設(shè)計(jì)，選擇這一款軟件的原因是它可以對(duì)3D單元的屬性進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分配。而Revit軟件則用于項(xiàng)目下述主要工程的設(shè)計(jì)：

(1) 地下工程。①巖洞開挖。確定爆破工程量和最小外邊界，以便于編制開挖計(jì)劃。②錨桿。定義錨桿的深度、位置、方向、尺寸以及施工要求。

(2) 所有其他土建工程。①諸如灌漿細(xì)節(jié)和預(yù)留孔洞等混凝土工程。②接地、光電裝置、暖氣、通風(fēng)及衛(wèi)生設(shè)施等技術(shù)裝備。

通過模型直接傳遞信息構(gòu)成了所有就設(shè)計(jì)進(jìn)行交流的基礎(chǔ)，包括設(shè)計(jì)會(huì)議。

7 混凝土工程設(shè)計(jì)依據(jù)

對(duì)于混凝土工程，所有單元都按照計(jì)劃的澆筑順序進(jìn)行建模，包括施工縫。這為設(shè)計(jì)工作提供了準(zhǔn)確的依據(jù)，例如對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響，以及鋼筋長(zhǎng)度和搭接處的正確描述等。通過直接量化反應(yīng)承包商的額外效益，為項(xiàng)目早期制定施工計(jì)劃和開展采購提供了可能性。

對(duì)于混凝土工程，整體設(shè)計(jì)依據(jù)適用于結(jié)構(gòu)的集成模型設(shè)計(jì)。然而，為了便于信息檢索，增加可用性，可通過實(shí)施下列措施在模型中提供分類信息：

(1) 為每一個(gè)施工工序生成一套組合的模型視點(diǎn)，顯示原計(jì)劃的子工序排序，突出顯示關(guān)鍵信息，如預(yù)留孔洞和預(yù)埋件等。

(2) 鋼筋彎曲表。

(3) 混凝土構(gòu)件標(biāo)識(shí)與鋼筋之間的關(guān)系。鋼筋(和其他相關(guān)的細(xì)部件，諸如預(yù)埋件、斜坡式護(hù)坦)被分配給混凝土主單元。

8 挑戰(zhàn)與展望

8.1 挑 戰(zhàn)

當(dāng)今土建行業(yè)的工作方法得到了廣泛的應(yīng)用，然而多年來變化不大，正如加拿大愛康(Aecon)集團(tuán)執(zhí)行主席J.M.貝克所指出的，與50 a前相比，當(dāng)今建設(shè)項(xiàng)目上所采用的工作方法并沒有什么改變。

要想建成一個(gè)挑戰(zhàn)常規(guī)方法的項(xiàng)目，所有成員必須目標(biāo)一致，并采用新的工作方法。在斯密斯托項(xiàng)目中，EPC承包商的目標(biāo)是使過程盡可能容易被用戶理解，以便現(xiàn)場(chǎng)管理和施工人員及時(shí)掌握所需的信息。與從二維平面圖中得到的信息相比，用戶能從模型中檢索出同樣多的甚至更多的信息，但前提是需要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟件，如模型查看器等。通過在模型中構(gòu)建信息、生成更易于接近的視點(diǎn)及培訓(xùn)工作人員等方法，EPC承包商已經(jīng)獲得了滿意的效果。

大多數(shù)項(xiàng)目的評(píng)估是依據(jù)費(fèi)用、時(shí)間和質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行的，創(chuàng)新過程通常得不到重視。因此，為了改變當(dāng)今水電行業(yè)中的常規(guī)方法，需要重視過程、工具和信息傳送的潛在附加值，并且強(qiáng)調(diào)各方之間合作的重要性。

8.2 展 望

隨著客戶對(duì)尋求有效的解決方案和實(shí)施方法越來越感興趣，推動(dòng)了新技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用。然而，若要成功借鑒斯密斯托項(xiàng)目的技術(shù)，所有成員必須目標(biāo)一致，并采用新的工作方法。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)與施工，調(diào)動(dòng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的積極性并達(dá)成目標(biāo)共識(shí)十分重要，而不是過早使用2D平面圖。斯密斯托項(xiàng)目小組通過以下措施大大促進(jìn)了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

(1) 盡量減少耗時(shí)的手工操作，例如通過繪制和維護(hù)一整套圖紙，減少了發(fā)生錯(cuò)誤的可能性；

(2) 提供了信息交換和檢索的良好平臺(tái)；

(3) 促進(jìn)跨學(xué)科協(xié)調(diào)和控制；

(4) 開發(fā)有效的調(diào)度工具，包括設(shè)計(jì)和執(zhí)行工作；

(5) 利用可視化工具完美展現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目；

(6) 在項(xiàng)目的任何指定階段直接檢索相關(guān)的信息，并簡(jiǎn)化工程量計(jì)算。

斯密斯托項(xiàng)目人員在規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，并應(yīng)用到Hhre Entrepren?r AS公司所有的項(xiàng)目中，但該公司與其他的合作方能在多大程度上實(shí)現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用，將取決于具體的項(xiàng)目和外部因素，諸如合同要求、客戶的能力和動(dòng)機(jī)、政府監(jiān)管等。

孫嬋譯

2017-06-19

1006-0081(2017)10-0037-03

TV53

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孫 嬋，女，長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，工程師。)

(編輯朱曉紅)