BIM技術在毛俊水庫工程三維協同設計中的應用

盛曉波

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

BIM技術是引入“工業4.0”、“互聯網+”概念和技術，發展起來的一種多維信息模型大數據、全流程、智能化管理技術，是水電工程及大土木工程規劃設計、工程建設、運行管理一體化、信息化的最佳解決方案。BIM技術的優勢是可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性。BIM技術不僅僅是一個具體軟件、一種設計工具的更新和升級，而是整個行業流程的一次革命。

國務院和住建部正大力推廣BIM技術的應用，已發文要求“十三五”時期，全面提高建筑業信息化水平，著力增強BIM、大數據、智能化、移動通訊、云計算、物聯網等信息技術集成應用能力。要求加快推進建筑信息模型（BIM）技術在規劃、勘察、設計、施工和運營維護全過程的集成應用，實現工程建設項目全生命周期數據共享和信息化管理，為項目方案優化和科學決策提供依據，促進建筑業提質增效。

1 項目概況

毛俊水庫工程是一座以灌溉為主、結合供水、兼顧發電等綜合利用的大（Ⅱ）型水庫，工程總投資約28.34億元，為2014年國務院常務會議部署的全國172項重大水利工程之一。工程位于湖南省永州市藍山縣境內，水庫總庫容1.165億m3，灌溉農田2.74萬hm2（41.15萬畝），水庫電站裝機容量為11 MW，渠首電站裝機容量5 MW。樞紐主要建筑物包括碾壓混凝土重力壩、溢流壩、水庫電站、渠首電站等。灌區渠系按總干渠、左右分干渠、支渠三級布置。總干渠設計過流量20 m3/s，干渠總長度約120 km。

工程樞紐部分設計采用的是Bentley三維協同設計解決方案，基于多專業協同的工作模式創建水庫大壩、廠房、灌溉渠系、建筑、場地及機電等建筑物和設備的三維信息模型，進行模型總裝，得到水利水電項目的全信息模型；并基于此模型，進行模型內部及不同專業模型之間的碰撞檢查，開展三維校審工作，提早發現沖突；根據三維模型成果抽取二維圖、三維軸側圖、材料報表；進行渲染及動畫漫游，提交滿足工程級要求的可視化設計成果。

2 三維協同設計平臺

該項目三維協同設計采用的是Bentley協同工作平臺ProjectWise和基礎建模信息平臺MicroStation，以及一系列建立在該平臺之上的、應用于各專業的軟件模塊，在數據兼容能力、專業覆蓋的完整性、企業管理與協同工作以及企業標準化、一體化等方面具有優勢。毛俊水庫工程三維協同設計所應用到的 BIM軟件有 MS、PW、AECOsim Building Designer、Substation、BRCM、PSDS、Solidworks、GEOPAK、PowerGEO、Navigator、LumenRT 等。見圖 1~圖 3。

圖1 毛俊水庫樞紐三維模型圖

圖2 毛俊水庫樞紐效果圖

圖3 湖南院三維協同設計平臺

ProjectWise是一款專門針對基礎設施項目的建造、工程、施工和運營（AECO）進行設計、建造開發的項目協同工作和工程信息管理軟件，是一個流程化、標準化的工程全過程（生命周期）管理系統；與傳統的文檔管理和協同工作軟件不同的是，ProjectWise是一個協同工作服務器和服務系統。該軟件主要用于管理各種動態的A/E/C文件內容，進行工作文件的創建與人員權限的管理，以及設計、提資、校審流程管理和工作空間托管等。為同一個團隊提供了在同一個環境、同一個標準下協同完成一個共同目標的統一平臺。PW通過工作共享、內容重復利用和動態反饋提供業界公認的可擴展優勢，高效的協同設計環境，可提高設計質量和工作效率。

3 三維協同設計應用

3.1 項目策劃及工作組織

根據毛俊水庫工程項目特點、建筑構成、參與的主要設計專業等，對該項目三維協同設計工作進行策劃，設定工作流程，確定三維設計的目標、范圍、具體內容、模型深度、信息顆粒度、交付的成果和要求，并以此進行任務分解和進度安排，明確應遵循的有關規范、標準以及其他規則與要求等內容。見圖4。

圖4 毛俊水庫工程三維協同設計基本流程

毛俊水庫工程依托PW協同設計平臺，建立相應的工程項目文件目錄，如圖5所示。項目管理員對本項目的所有參與者進行權限設置及 “項目角色管理”，對項目下每個文件夾進行“角色及文件夾類型”設置，對項目各專業的審批和提資流程進行設置和管理。創建種子文件、控制性軸線及軸網、標準圖框等，制定統一的文件命名規則和模型組裝、總裝要求。

圖5 PW協同設計平臺工程項目文件目錄

3.2 工作環境推送

基于PW平臺的統一工作環境WorkSpace推送，是三維協同設計的重要協同保障手段。通過工作環境推送能夠將項目的標準化信息直接推送至參與項目的每一個成員，從而使參與項目的每一個設計人員都能在制圖標準、參數化庫的選用、材料統計的信息格式、文件命名規范等方面，都服從統一的項目設定。工作環境推送，能夠有效地保障工程信息模型的統一性、可交互性，為后續工作提供規范化保障，使得在協同過程中信息的規范化、可讀性增強，協同效率更高。

項目開始前，由管理員將定制好的標準化工作空間托管至PW上。工作環境推送保證了在三維協同設計過程中，三維模型的材質、屬性、工程量信息、二維出圖中的圖框圖簽格式、填充符號、二維符號、線型線寬、文字和尺寸標注的樣式統一。

根據毛俊水庫工程的項目特點，管理員根據湖南院的制圖標準定制了標準化的工作空間，并托管于PW平臺上，如圖6所示。

圖6 PW協同設計平臺工作環境推送

3.3 三維建模與組裝

水利水電項目設計的參與專業眾多，三維協同設計的工作的模式是“并行”加“協同”，一個專業的設計內容是由多個人員分工完成的，各部分完成后，要進行專業內模型組裝及檢查（包括碰撞檢查），檢查通過后，形成本專業總裝模型，為專業間總裝及出圖做準備。因此，在項目建模工作開展之前，須由項目設總及各專業負責人共同完成任務分解及工作量估算。任務分解工作要分專業進行，結合設計階段要求，確定各專業要完成的三維模型、模型精細度、模型總裝規則。

測繪專業采用Geopak軟件的Site模塊對地形數據處理，完成壩址區三維數字地面模型建立，并對形成的三維地模中存在的不合理地方進行處理，通過相關處理達到數據輕量化。

地質專業建模采用PowerGEO軟件，構筑毛俊水庫工程地質數據庫，包括：工程項目、工程地質、工程勘探、工程文件。毛俊水庫三維地質模型是在前期測繪專業構筑的三維地形模型基礎上，輸入基礎數據形成各個鉆孔和平硐等，形成各個剖面，進一步形成各個地層及巖性分界線、構造面等，最后構成三維地質模型。提供水工和施工等專業使用，也可利用模型進行開挖分析、剖面分析、計算分析、專題分析等。見圖7、圖 8。

圖7 毛俊水庫樞紐三維地面模型

圖8 毛俊水庫樞紐三維地質模型

水工專業建模主要采用MicroStation和AECOsim Building Designer兩款軟件，依據地形數據、三維地質模型成果，進行建筑物體型設計、開挖面設計、建筑物初步布置，再根據其他專業的資料補充進行詳細設計建模、模型組裝、總裝、碰撞檢查。三維模型可導入其他CAE計算軟件進行有限元等結構計算。本項目水工專業建立了水庫溢流壩、非溢流壩、渠首電站、水庫電站、發電引水系統、渠首電站尾水總干渠等建筑物的三維模型。見圖9、圖10。

圖9 毛俊水庫樞紐大壩三維模型

圖10 毛俊水庫樞紐廠房三維模型

水機專業建模主要采用ABD機電模塊和PlantSpace Design Series軟件，依據水工布置模型、廠房模型成果，進行機電設備參數化設計、管道綜合總裝，建立了渠首電站和水庫電站的主機、輔機、給排水、暖通等三維模型。電氣專業建模主要采用ABD機電模塊和Substation、BRCM軟件，完成了渠首電站和水庫電站的電氣設備、橋架、電纜敷設、照明等三維模型。金結專業建模主要采用Solidworks和ABD軟件，建立了溢流壩、渠首電站、水庫電站、發電引水系統、分水閘、退水閘等建筑物的金屬結構三維模型。見圖11、圖12。

圖11 毛俊水庫樞紐廠房機電三維模型

圖12 毛俊水庫發電進水口金結三維模型

施工專業建模主要采用GEOPAKSite和MS軟件，建立場內交通、場平及開挖三維模型。根據地質資料分析各部分場地的開挖坡比，使用GEOPAKSite中的自動放坡功能提取開挖邊界，生成開挖方案。利用三維開挖地形圖直觀的特點，進行開挖設計優化，最終整理并上傳至PW服務器用于工程項目總裝。

3.4 碰撞檢查及設計優化

毛俊水庫工程三維模型綜合了各個設計專業的成果，可視化和模擬性非常強。文件統一上傳到PW平臺上管理，安全可靠。各專業在統一平臺上進行三維設計、碰撞檢查、邏輯校驗，使用的三維模型完整、具有唯一性，減少了內部布置的錯、漏、碰、缺現象，從而提高設計的合理性，優化設計。

碰撞檢查包括靜態碰撞檢查和動態碰撞檢查。針對靜態碰撞，Bentley碰撞檢測管理器提供了對三維模型硬碰撞和軟碰撞的檢測、查看和管理功能。靜態碰撞對象的選擇支持三種方式：圖層、對象選擇集以及參考文件。模型總裝完畢后，可以直接在MicroStation或Navigator的環境當中來進行碰撞檢查。

動態碰撞檢查，借助Navigator V8i在3D虛擬環境下檢查項目設計和施工能力，也可以針對維修空間、檢修通道來進行指定路徑的物體運動腳本，模擬正常的人在通道內的運動行走。Navigator的動態碰撞檢查工具，將能夠全自動分析物體在運動過程當中的隱形碰撞，并通過顏色高亮出來，從而避免在施工和運維過程當中存在的隱患。

3.5 三維協同設計成果

項目團隊依據各專業建立的模型，完成模型總裝、碰撞檢查、三維校審和固化，并根據總裝模型進行渲染及動畫漫游，提交樞紐總體布置、渠首電站和水庫電站的廠區及發電廠房內部渲染效果圖和漫游動畫視頻。

BIM精細化建模后，通過AECOsim Building Designer中的建筑模塊給模型賦屬性，以及校審固化模型后就可以開展一系列的出圖工作，可以采用DEM切圖或DV切圖方法，經過組圖和標注達到設計要求。

通過模型切圖，可以快捷、準確地剖切典型剖面圖，圖形自帶材料填充符號，建筑物的剖切與剖視關系準確，避免了二維思維上的盲區。所切二維圖也與原模型之間存在著連帶關系，同樣也帶有數據信息，所切二維圖會隨著模型的更改而自動修改。除此之外，還可利用模型直接輸出三維軸測圖。

在三維地質模型的基礎上，能直接形成鉆孔柱狀圖、工程地質剖面圖、工程地質平面圖，能自動完成花紋填充，三維模型越精細，二維出圖的修改量越小。出圖效率極大提高，減少大量的平、剖面不對應的情況。

4 結 語

對于設計院，三維協同設計不僅是一場工具層面的技術革命，也是設計流程和設計理念的革新，BIM技術的應用會帶來整個工作模式的變化。BIM技術應用可以使設計成果更直觀形象；可以標準化、參數化設計，提高效率；可以多專業協同，提高設計質量，創造效益。BIM技術應用還可以拓展、增值設計業務，向項目全生命周期擴展，創造數字電站、智慧水利。