厄瓜多爾CCS水電站BIM綜合應用

劉增強，史玉龍，梁春光

（黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003）

1 項目概況

厄瓜多爾CCS水電站位于亞馬遜河二級支流科卡河上，處于高地震的熱帶雨林地區，鄰近活火山，自然條件十分復雜。工程主要由擁有流量達222m3／s沉砂池的首部樞紐、長達25km多的輸水隧洞、調蓄水庫（庫容2818萬m3）、壓力管道和地下廠房（212.0m×27.5m×46.8m）等組成；同時擁有616.74m的高水頭和537.8m高壓力豎井。

該電站是厄瓜多爾戰略性能源工程，總投資23億美元，是世界同類水頭沖擊式機組總裝機最大的電站，總裝機容量150萬kW，年均發電量約87億kW·h；工程于2010年7月開工，2016年11月全部8臺機組成功并網發電，滿足厄瓜多爾全國三分之一人口的電力需求，結束該國進口電力的歷史，使該國由電力進口國直接跨入電力出口國，因此，受到中厄兩國元首共同高度關注，被譽為厄瓜多爾“第一工程”。2016年4月厄瓜多爾發生了7.5級地震，電站經受住了考驗，安然無恙。震后第二天，電站即緊急恢復發電并增加發電量，以“中國技術”和“中國質量”為救災工作提供電力保障。

圖1 CCS水電站工程布置示意圖

2 工程難點

CCS水電站在設計建設過程中面臨著重重壓力和挑戰，主要表現在：

非同尋常的時間要求：首部樞紐施工、輸水隧洞TBM掘進及調蓄水庫庫盆開挖等問題直接制約工程總體建設。根據CCS項目EPC主合同協議，項目違約金為US$800，000／d，這個數字對于任何項目參與方都是無法承受的壓力。

全新的設計模式：本工程設計成果必須先后經過公司內部設、校、審和三道嚴格的技術審查（國內專家組、CCS設計研究院、國外咨詢ASOC）后交現場施工，而ASOC的審查平均一般要經歷三到四版的報批工作，通過難度很大。ASOC咨詢要求所有的圖紙按照三步曲流程（計算準則、計算書、設計圖紙）提交，即所有的施工圖紙必須附帶計算書和計算準則才是完整的設計成果，在施工周期異常緊張的條件下，不僅要按要求完善、修改設計成果，而且要積極面對面解釋設計理念。CCS水電站的設計工作中要求采用美國及國際規范，無疑增加了設計及審查難度，為此設計方迅速轉變思路，全部按照全新的設計標準和理念來推動工作。

異常困難的溝通：設計要面對中（設計語言）、英（過渡語言）、西（成果語言）三種語言的頻繁交流，還要面臨“不需要經驗，要計算！”的嚴格要求。

圖3 全階段BIM應用

圖2 電站廠房機電主設備管路

3 BIM技術的引入

面對重重困難，積極引入BIM技術，在項目概念設計、基本設計和詳細設計三個階段，規劃、勘測、壩工、廠房、機電和施工等專業積極應用。基于CATIA的骨架設計、參數化、知識工程，先后建立了結構復雜、顆粒度高的全專業BIM模型，如圖3所示；模型與分析軟件接口通暢、二次開發與設計流程的定制化應用優勢，使產品質量迅速提升，審查通過率達100%，設計效率直接攀升，棘手專業技術問題迎刃而解，受到了參建各方的高度認可。

4 BIM技術在項目中的全面應用

（1）基于BIM的溝通與協同

本項目利用ProjectWise協同平臺的數據遠程共享、異地訪問安全等優勢，搭建項目設計組織，解決項目多專業、兩國（中國和厄瓜多爾）三地（鄭州、基多和現場）的水電站BIM協同設計，實現了設計周期減少、溝通交流高效便捷，其優秀表現得到參建各方充分肯定。

（2）基于統一BIM的分析計算

通過BIM模型的拓展應用，在源數據統一的情況下，解決了設計與計算分析脫節問題，保證了結構設計等的安全可靠，整體縮短了分析計算周期，充分發揮BIM模型的新價值［1］。

規劃專業基于完整構建的調蓄水庫BIM，導入分析計算軟件進行水庫流速和沉沙分析，得到設計需要的技術數據，支撐規劃專業技術結論。

廠房專業針對洞群三向薄巖壁問題，基于統一的地下廠房洞室BIM，結合地質及監測數據，在Flac3D軟件中多次動態反饋分析，優化支護參數，提出了最佳解決方案，如圖4所示。輸水隧洞出口CFD分析和廠房尾水洞水流CFD分析，解決了分析計算軟件前處理困難等問題，獲得了國家專利一項。

水機專業采用BIM技術建立沖擊式水輪機系統模型，在國內首次提出尾水有壓無壓工況穩定分析，成果在瑞士洛桑的水輪機模型試驗中已得到驗證，填補了國內該研究領域的空白，直接為CCS水電站年均增加發電量45000萬kW·h。

電氣專業基于BIM模型，導入專業分析軟件，進行了電氣安全空氣凈距校驗和電氣防雷計算。實現了校驗點在三維模型中實時捕捉，坐標自動識別；根據應用場景，自動計算；整個校驗全過程工作均在三維場景中進行，如圖5所示，簡潔直觀。

圖4 基于BIM的地下洞群圍巖穩定分析

圖5 電氣安全空氣凈距校驗

（3）BIM指導水力學試驗和現場施工

基于BIM直接指導了調蓄水庫輸水隧洞出口、尾水洞及沉砂池等建筑物的水力學試驗，并與數字模擬水力學分析結果進行比較。同時，在機電設備管路的碰撞檢查、預先優化方面發揮了巨大作用。在指導現場施工過程中，基于BIM的技術溝通，贏得外方稱贊與認可。

圖6 分析驗證拓展應用

圖7 BIM與實際安裝對比

（4）BIM出圖

目前，施工圖仍然是工程建設行業設計、施工、運營所依據的法律文件［2］。調蓄水庫庫盆邊坡設計中，BIM技術充分發揮了才能，設計人員在現場利用BIM 4天時間解決了常規設計人員需要2個多月才能設計完成的調蓄水庫開挖方案確定、設計及出圖。主要原因：①模型的精準、合理、高效，符合實際情況；②充分利用參數模板技術，調整便捷，事半功倍；③基于BIM清晰表達復雜邊坡開挖空間關系，準確獲取開挖工程量。最終取得了一次性通過審查，滿足業主特殊要求。

（5）BIM成果的標準化與管理

BIM設計統一采用同一個BIM集成化設計平臺，其融合多重信息，集成度高、內容全面，提高設計成果的標準化和管理程度。制定一系列的BIM標準、應用指南，保證執行力，確保成果質量滿足要求。制定相應的保障措施，三體系文件中增加過程控制程序，實現可控管理。

圖8 BIM集成化設計環境

（6）BIM信息集成與傳遞

CCS水電站工程數字化檔案管理系統集成不同設計階段、不同專業、圖紙、文檔及設計施工過程資料等信息。實現用戶的交互式操作，如模型的任意查看，數據的查詢、上傳、維護等，并保證與數據庫的一致性。實現不同階段和不同專業間信息的有效傳遞，避免遺失數據或破壞其完整性，直接作為后期運維階段運行管理的基礎。

沉砂池運維管理時，可拋去冗繁的文字描述和圖片說明，直觀、顯性化的動畫視頻使工藝清楚明朗；同時，沉砂池首次將SEDICON系統成功運用于大型水電工程，創造性的將生態系統用水流道和沖砂系統結合布置，集成多種工程信息的沉砂池BIM，可直接被用于后期運維管理。

（7）BIM信息集成與傳遞

以數字近景攝影測量、數字圖像處理和GIS技術，獲取目標影像快速方便，可以節省大量外業工作時間。照片自動拼接，自動計算裂隙產狀，自動生成CAD圖形和三維模型，查看更加直觀。三維模型、圖形圖像與BIM融合，為運維數字化成果提供豐富詳實的地質資料。全面提高施工地質編錄在數據采集、處理和管理方面的工作效率。

（8）施工方案、施工工藝模擬

創建一期、二期圍堰模型，模擬導截流方案，進行方案比選論證，助力決策。導截流方案融入BIM并交付業主，作為運維信息基礎數據，隨時被檢索追溯。將施工工法轉換為直觀可視的動畫，指導現場施工。施工交底溝通方便、表達到位，因其通用性、代表性強可被不同工程重復應用。施工工法動畫附加在工程BIM中，為運維期工程提供有用的基礎信息。

圖9 BIM集成化設計環境

5 創新點

（1）參數化

有效容積為2 000 mL的高壓反應釜，燒杯1 000 mL，量筒1 000 mL，電子天平，計時器，真空泵，抽濾瓶，熱風循環烘箱，高速粉碎機，80目標準篩。

將CATIA強大的參數化優勢，引入到輸水隧洞管片設計中，確保了常規設計極難達到0.1mm誤差精度，準確表達了管片楔形量。基于CAITA二次開發建筑物智能建模系統，通過關鍵參數的調整實現建筑的自動創建和優化，打通了專業知識經驗與軟件的深層接口問題。參數設置合理最優，以最少且能突出反映建筑結構特征的關鍵參數來表達。

（2）流程化設計、開發工具

基于API函數自主開發流程化設計（土石壩、電站廠房和水閘等），將模板、參數化、設計經驗和規程規范等融入其中，實時、快速、準確地創建出電站各類建筑物BIM，操作過程可見、可控。同時，結合工程實際需要，廣泛應用自主二次開發的三維樁號標注、工程制圖輔助和自動分縫分塊等工具。

（3）基于Composer的信息集成技術

基于Composer ActiveX控件和API，創新性實現模型交互和數據集成。運用先進的BIM技術，創建三維可視化、動態可操作、交付信息可查詢的工程交付模型。通過移植CATIA Composer結構樹、剖切等基本模塊，建立Composer的輕量化模型與數據庫（含屬性及圖文檔）的對應關系，構建基于BIM的圖文檔交互式（查詢、附加和修改等）管理方法，并通過動畫視頻對工程進行動態展現，通過三維預設視圖的方式對工程特定場景或特定部位進行互動式的詳細展現。提供智能化三維模型搜索方式，搜索結果可根據需要進行突出亮顯或單獨顯示，不僅實現了對指定模型的快速精準定位，而且有助于獲取指定模型的附加信息。

（4）可視化

將BIM模型通過CATIA Composer輕量化，利用其優異的展示功能，將BIM模型快速轉換為需要的圖片及視頻。通過Composer自帶的更新功能，快速將輕量化模型更新為最新版本，同時更新視圖和動畫，無需重新制作，實現工程技術問題的可視化表達。直接替代大量冗繁的文字和配圖描述，使類似復雜沉砂池工藝那種非常難以理解的工藝或原理直接被快速接受。

（5）BIM+VR

BIM+VR技術具有1∶1的沉浸式體驗，無損展現產品尺寸、比例和細節，如圖10所示。項目期間協助參建各方感知水輪機組和電站廠房各層的不同設計方案、色彩配置方案等，提前感知質量問題，確認空間布局的合理性，對機組關鍵部位的機械設備、管路維修性進行輔助設計。

圖10 VR虛擬體驗

（6）3D打印

根據實際需要，經多次比較優選確定3D打印采用 SLA方法，打印比例采用 1∶1000，精度0.05mm。與三維虛擬模型互為補充，進行了BIM模型的構件重疊和結構間縫隙檢查。另外，打印方式契合水工建筑實際施工順序，實現過程預先檢查。打印出的作品為滿足內部觀察，采用創新手法，將BIM結構巧妙拆分打印。為節約打印成本，平衡大體積結構輕量化處理和3D打印產品力學特性，經深入研究，設置合理的結構支撐體系，減少打印成本超過40%。實現從虛擬到現實的過渡，是虛擬設計碰撞檢測的延續性驗證方式，具有可行性和廣闊應用前景。［3］部分打印成品如圖11所示。

圖11 3D打印成品及設置的結構支撐

（7）激光掃描

由于距豎井頂部400m左右的極不規則塌腔體外形異常不規則，傳統物探結果不能滿足要求，故首次引進三維激光掃描技術，通過多點布置進行高精度、快速、完整地掃描塌腔體，獲得海量的點云數據［4］，快速構建出結構復雜且不規則的塌腔體三維可視化模型，如圖12所示，提高效率又省時省力。為塌腔體處理方案的設計提供了一手關鍵依據，加快了施工總體進度。

圖12 三維激光掃描

6 BIM在本項目中的價值

本項目從初期三維設計基礎性應用到后期BIM高階綜合性應用，經歷了從項目局部到系統，再到企業級的BIM實施延伸提高，充分體現了BIM技術的不斷發展和給實際生產帶來的直接和間接效益，為今后企業更高層次的數字工程設計平臺創建提供了積累，同時也成就了企業良好的BIM應用氛圍、造就了一批BIM復合型人才。

（1）BIM成為工程師新興的高效交流語言

本項目經歷了三維設計從初期的局部應用到后期BIM系統性應用全過程，特別是在2012年大量施工圖送交墨西哥咨詢審查。由于中西語言直接交流障礙重重，導致咨詢圖紙審批通過十分困難，工期壓力一度上升到最高級別，通過引入BIM這種無障礙交流語言，使得咨詢面對“所見即所得”的真實設計消除了疑慮，開始逐漸接受我方的設計理念，施工圖審批通過率一度攀升至100%。

（2）BIM助力破解艱難設計模式的僵局

位于南美的厄瓜多爾是美國的“后花園”，其對設計的嚴格也是前所未有。項目所有的施工圖必須附設計準則和計算書，全部審查通過才能提交施工備料。工期進度的壓力一度聚焦于施工圖審批環節，采用BIM進行設計和出圖，再輔以其他的有效措施，使得設計產品品質提升，圖紙低級錯誤消失殆盡。

（3）BIM協同設計環境讓年輕工程師成長迅速

CCS水電站裝機規模大，電站設計復雜。各專業工程師在統一的電站樞紐協同環境中開展本專業設計工作，更加明確設計目標和相關專業的避讓，同時也接觸到很多跨專業的知識，這對于參與本工程的年輕工程師收益匪淺，提升了本項目的設計品質，通過本項目的歷練，一批既懂專業又擅長BIM的年輕工程師正在成為多專多能高效復合型人才。

7 結語

創新設計思路，積極引進先進的信息化技術，通過BIM技術在本項目的大量廣泛應用，發揮了實際價值，業主收獲了高質量的設計產品，同時確保了工程工期和建設速度。工程按期施工和完工發電為業主帶來了巨大的經濟價值和政治影響力。2016年4月強震，正值該水電站首批四臺機組發電之時，經歷強震工程完好無損，并且加大發電運行，為強震后的國度送去支持，造福一方民眾！

BIM技術從設計階段開始策劃應用，可以順暢地拓展到施工、運維階段，豐富設計產品的內涵、延續產品的全生命周期，拓展水利水電業務范圍、延續價值產業鏈，同時結合VR／AR、3D打印等創新手段和新一代信息技術，加快水利水電行業向高品質、綠色、生態、智慧型發展，為行業發展探索注入了新思路和新方法。面對當今快速發展的信息化和BIM技術，以及住建部及各省市推進BIM技術的指導意見，未來BIM將是進入市場的準入證，誰掌握了BIM的全過程運用，誰就掌握了未來！［5］

［1］劉增強，郭莉莉，董甲甲，等.厄瓜多爾CCS水電站沉砂池BIM應用［J］.河南科技，2016（10）：21-25.

［2］何關培.BIM和BIM相關軟件［J］.土木建筑工程信息技術，2010（04）：110-117.

［3］李忠富，何雨薇.3D打印技術在建筑業領域的應用［J］.土木工程與管理學報，2015，02）：47-53.

［4］馬俊偉，唐輝明，胡新麗，等.三維激光掃描技術在滑坡物理模型試驗中的應用 ［J］巖土力學，2014（05）：1495-1505.

［5］劉輝.水利水電工程勘測設計行業信息發展思考［J］.水利規劃與設計，2017（01）：78-81.