BIM技術在大壩工程設計中的應用探索

費 勝, 陳 堃

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230088)

我國是一個地域廣闊的國家，各地水文、地形、地質條件差異很大，在大壩的設計過程中需要根據當地的實際情況進行方案的制定，而不能簡單地套用現成的方案。同時，大壩工程往往影響眾多人民群眾的生命和財產安全，并且會耗費幾十億、幾百億的資金和2、3年的時間，因此大壩設計方案必須綜合考慮安全可靠性和經濟合理性。目前，對于修建在復雜的地形、地質、氣象條件下的大壩工程，通常采用水工模型試驗的方法驗證設計方案，但該方法成本高，周期長，而且無法通過改變參數來進行方案比較和方案優化，所以迫切需要更先進、精確的設計方法對水利水電工程水工建筑物進行設計和計算分析。

近幾年，隨著計算機技術的快速發展，通過計算機建立三維模型、進行數據分析等等，在人類生活和生產的重要環節中產生了越來越廣泛的影響。BIM 技術具有直觀形象、工程量計算精確、方便設計修改、重復利用、結構有限元數值分析等諸多優點，逐漸被人們所接受[1]，具有廣闊的應用前景。

本文利用BIM技術，通過安徽省黃山市月潭水庫工程實例，實現對大壩工程的三維協同設計。通過數據轉換，實現設計模型和結構計算模型的資源共享、優勢互補，充分利用已有模型進行有限元計算及仿真分析，進而指導三維協同設計，優化設計方案。

1 三維協同設計

安徽省黃山市月潭水庫工程三維協同設計基于Bentley系列軟件，借助ProjectWise協同設計平臺進行交互和協作。

月潭水庫工程運用BIM技術，通過編制三維信息模型設計應用標準進行三維協同設計，解決復雜的空間布置、多專業協同問題、規范設計管理流程[2]，建立項目標準化工作環境、統一的坐標系統、定位原則、項目標準庫、文件目錄結構等；然后依據項目文件命名規則，根據設計任務的分配，在協同設計平臺上創建設計文件，項目設計人員只需在對應的文件里面進行各專業設計工作，而無需自行創建文件。這種利用統一創建的文件有利于保障文件命名遵循“見名知意”原則，又便于分類組織和檢索的要求，提高協同溝通效率。

在協同設計平臺中，各專業設計人員根據各自權限查看、調用、參考、提交、校審相關設計文件。項目設計模型初稿完成后，由項目負責人組裝各專業模型，進行碰撞檢查，相關專業根據碰撞檢查的結果進行修改，然后再次進行檢查，直至沒有碰撞問題出現，該設計模型才算定稿，最后進行二維出圖、工程量統計、渲染以及模型發布等工作。

1.1 協同建模成果

安徽省月潭水庫工程三維協同設計應用范圍包括了勘測三維協同設計、樞紐三維協同設計、發電廠房協同設計等設計領域，涵蓋勘測、水工、建筑、水機、電氣、金結等多個專業。多個專業的三維模型如圖1所示。

圖1 多個專業的三維模型

在月潭水庫工程三維協同設計中首次運用三維地質模型。三維地質模型的建立，可以逼真地模擬地形地貌的變化特征，直觀地展現地下空間中的地質構造形態特征和各要素之間的空間關系[3]，并且能夠逼真地呈現出地層面、斷層面、褶皺等復雜的地質構造形態，能清晰形象地觀察了解所關心的地質現象，直觀、準確地表現水電類工程復雜的地質空間構造情況，為工程設計提供直觀、可靠的依據。

1.2 三維模型應用

(1)碰撞檢測。它是三維協同設計的一個重要功能。在二維圖紙時代，因為可視化的有限，往往需要設計人員靠自己的空間想象力以及經驗去設計，導致設計不合理。隨著BIM技術的可視化出現，大大克服這種情況。在工程設計過程中能夠依據總裝的三維模型逐一的進行空間沖突與分析，以利解決各專業細部沖突，根據模擬分析結果，提早進行設計修改，減少施工階段變更設計，提高設計質量。

(2)工程量統計。工程量是工程投資計算的基礎[4]，水利工程中一般采用人工計算工程量，這種計算方法存在人力投入大、重復低效、容易出錯、校審困難等問題。進入三維設計時代后，項目管理人員只需設置項目規則，如構件清單、類別樣式、計量單位、計算方法等材料樣式模板如圖2所示。，然后直接利用模型對象的幾何屬性和工程屬性，統計模型工程量輸出報表如表1所列。

圖2 材料樣式模板

項目分類數量/m3單價/元合計/萬元大壩C15壩體混凝土951205004756大壩C20混凝土墊層8170540441大壩C25壩頂防浪墻1025806大壩C25壩后橋欄桿475803大壩C25鋼筋混凝土邊墩3120580181大壩C25鋼筋混凝土中墩9320580541大壩C25鋼筋混凝土廊道3525580204大壩C25上游防滲7744580449大壩C25溢流面4110580238大壩C30二期混凝土605803底孔C25底孔周邊8450580490底孔C25進口閘門井2035580118底孔C25進口板梁柱41258024底孔C25出口閘門支撐梁1445808底孔C25出口板梁柱50258029底孔C30二期混凝土76158044總計7536萬元

(3)切圖出圖。三維設計模型定稿后，設計人員可以從中生成各專業所需的二維圖紙，而且生成的二維圖形與三維模型始終關聯，從而在三維模型改變時，二維圖形能隨著自動修改，使設計人員能夠從重復而繁瑣的制圖工作中解脫出來，提高出圖效率。同時與傳統的二維圖紙相比，三維圖紙更能直觀地展現結構特征和各要素之間的空間關系，降低了專業上的溝通難度，提高方案匯報的效果。

1.3 CADCAE交互

CADCAE交互，也是三維協同設計中使用者最關心的。通常我們所說的CAD軟件指的是用來進行計算機輔助設計及繪圖的軟件，如MicroStation Revit Catia Solidworks UG Autocad 等，目前市場上流行的幾大基礎設計軟件平臺及架構在這些平臺上的各種專業應用設計軟件都屬于CAD軟件范疇。而CAE軟件指的是計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、動力響應、彈塑性等力學性能的分析計算軟件。在水利工程設計領域，一般通用的大型計算分析CAE軟件通常有ANSYS FLAC_3D ABQUS FLUENT Midas等。

通過CAD與CAE之間的數據接口進行模型轉換，實現兩個軟件在模型建立和結構計算上的資源共享、優勢互補[5]，充分利用已有模型進行有限元分析，進而作為結構體型優化的依據。

CAD和CAE軟件中對三維模型表現內容的需求不盡相同，因此，在將CAD創建的模型導入CAE軟件進行結構計算的過程中，必須進行模型改造，以適應有限元結構計算的需要。

圖3 三維設計模型

(1)模型導出。以月潭水庫③號壩段為例，利用Bentley系列軟件完成三維設計模型的建立，在模型轉換之前，刪除模型中不必要的細節，譬如裝飾欄桿、路燈等，然后導出模型。三維設計模型如圖3所示。

(2)模型導入。月潭水庫工程CAE軟件選用大型商用有限元分析軟件ANSYS，該軟件前后處理以及分析計算功能強大。將簡化后的三維設計模型導入ANSYS軟件后，首先需要進行坐標系調整，然后建立地基模型，補充完整結構計算模型。結構計算模型網格劃分如圖4所示。

(3)計算分析。在計算模型中，定義單元類型、材料屬性，根據月潭水庫大壩結構特點以及材料分區進行單元網格劃分，設置不同工況條件下的荷載、約束，進行大壩結構計算。有限元計算結果，如圖5所示。根據分析結構變形及應力情況，為結構優化設計和方案合理性提供技術支撐。

圖4 結構計算模型網格劃分

圖5 有限元計算成果

5 結束語

本文以月潭水庫工程為例，通過協同設計平臺，建立樞紐建筑物三維模型，完成三維協同設計，實現了三維設計建模、三維動態切圖出圖、碰撞檢查等。同時，利用三維協同設計的模型為基礎，應用通用的有限元分析軟件進行結構計算及仿真分析，為三維設計技術的應用積累經驗，為工程設計提供參考。

由于本文工作屬首次利用三維設計軟件完成大壩工程的三維協同設計，有些方面的工作尚待研究，如CAD與CAE的數據轉換，目前僅僅實現CAD向CAE之間的單向轉換，很難將CAE結構計算成果在三維設計CAD軟件里進行綜合展現，因此，今后有必要深入研究CADCAE的一體化技術，這對提高工程設計效率和質量將有非常大的意義。