BIM+VR技術在CCS電站廠房設計中的應用

蔣昊良 史玉龍 潘自林

摘要：隨著工程設計難度逐步增高，傳統的二維平面設計不僅難以支撐復雜與特殊外形的設計，更無法對項目各階段進行統一的協同設計、施工與管理。BIM技術體系覆蓋項目全生命周期，在設計階段其強大的三維設計能力不僅可以解決復雜設計難題，更實現了各專業的協同設計，但其缺陷是效果表現力有所欠缺，而虛擬現實技術（簡稱VR）特有的沉浸式漫游可以有效解決“設計非所得”的難題。提出了BIM+VR技術體系，將BIM設計與VR進行有效融合，并應用于實際工程設計階段。應用結果表明，BIM+VR技術體系有效解決了水工建筑物中壓力管道、地下廠房系統建筑物等的設計難題，對設計內容的科學性與美觀性檢驗提供了有效支撐，并利用VR模擬了水輪機等部件的運行情況。

關鍵詞：水利水電工程;建筑信息模型;參數化設計;虛擬現實

中圖分類號：TV222.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.02.024

近年來工程項目復雜度日趨升高，傳統的二維設計愈發難以滿足現階段的設計需要，三維設計模式逐步映人設計者的眼簾。建筑信息模型（ Building Infor-mation Modeling或Building Information Management，簡稱BIM）以三維設計為基礎，兼備設計、施工、運維于一體，貫穿項目全生命周期，在建筑、交通等行業已經有了深度應用。近年來水利水電工程行業逐步轉變設計思維，開始運用BIM設計軟件開展設計工作。

BIM設計軟件將傳統的二維平面設計轉換為三維設計，結合相關計算軟件，大幅度提升了設計工作的科學性與高效性。但其糾錯和展示能力較為欠缺，設計者雖可以從多角度審查工程設計內容，卻無法從空間上確認設計布局的合理性與科學性，也難以合理感知設計內容的色彩搭配。尤其在水利水電工程領域，工程實體通常為復雜結構的異形體，這給設計者的審查和設計帶來較大困難。而虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術可以其特有的沉浸式角度有效增強設計階段BIM模型的可視化效果，使得設計者或用戶身臨其境地感知設計結果，實現“所見即所得”的設計效果。同時，BIM設計軟件為VR體驗提供了強大的模型與數據支撐，因此在BIM設計的基礎上借助VR技術進行體驗、審查、糾錯等將對傳統水利水電工程設計產生巨大的變革。

1 BIM+VR技術概述

BIM是一套技術體系，也是一套管理方法[1]。國家住建部自2012年起相繼出臺相關政策大力推進BIM技術的行業應用，其最先被應用于建筑行業[2]，并迅速擴展至眾多行業設計領域。現階段BIM設計主要以BIM設計軟件為核心，如Autodesk Revit、CATIA V5等[3].借助BIM設計軟件強大的三維可視化設計功能，設計者們可以更為直觀地了解設計內容，解決設計難題[4]。

VR技術自2016年起風靡全球，成為當今的熱門黑科技之一。其借助1100廣角的頭戴式設備，利用雙目成像原理將計算機中的圖像直接傳輸于頭盔內的雙目前方，并借助手柄的觸覺反饋、頭盔的聽覺反饋等技術使用戶產生一種“身臨其境”的沉浸式感覺，目前被廣泛應用于建筑、軍事、工業仿真等多個領域[5]。

VR技術是一個需要載體才能發揮特色的工具，BIM模型和數據為VR技術的實現提供了有效支撐，而VR技術以沉浸式和高真實度為核心，彌補了BIM設計階段對空間布局理解的欠缺以及對外形、材質設計的美觀性不足等問題，尤其針對復雜性極強的水利水電工程領域。因此，BIM+VR將工程BIM模型與VR沉浸體驗進行融合，形成完美的互補，從空間關系、融人構件信息到交互式體驗，從總體到局部，實現了更具意義的可視化虛擬體驗，對設計優化起到了重大作用。

2 CCS工程項目概況

厄瓜多爾Coca Codo Sinclair（簡稱CCS）水電站總投資23億美元，被譽為厄瓜多爾“第一工程”，受到中厄兩國元首共同關注。工程處于高地震烈度區的熱帶雨林地區，鄰近活火山，自然條件十分復雜。項目設計難度系數高，是世界同類水頭沖擊式機組總裝機最大的電站，年均發電量約87億kW·h，擁有616.74 m的高水頭和537.8 m高的壓力豎井，以及長達25 km的復雜輸水引水系統。CCS水電站主要包括首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道和地下廠房等，水電站建成后，其發電量可滿足厄瓜多爾72%的用電需求，使厄瓜多爾直接從電力進口國變成電力出口國。

項目建設時間要求非常緊迫，首部樞紐施工、輸水隧洞TBM掘進及調蓄水庫庫盆開挖等直接制約工程總體建設進度，同時施工圖要經過黃河設計公司內部、中國專家組、CCS設計院及墨西哥咨詢的多道異常嚴格的審查，BIM是高度認可的溝通新方式，基于BIM模型基礎的多維度分析計算可直接滿足各方審查，使更多的專業棘手技術問題迎刃而解。

BIM+VR技術體系的應用貫穿規劃、勘測、壩工、廠房、施工、機電、金屬結構等眾多專業模塊，本文僅以CCS水電站廠房BIM設計和地下水輪機VR展示為例介紹BIM+VR技術的應用。

3 BIM+VR技術應用環境

3.1 實施方案

工程設計包含了概念設計、基本設計和詳細設計三個階段。CCS項目在概念設計階段制定了詳細的BIM應用方案[6]，涵蓋了規劃、勘測、壩工、廠房、機電和施工等專業：在基本設計和詳細設計階段，利用BIM參數化、模板化等技術手段建立首部樞紐（含泄洪閘、沉砂池及面板堆石壩等）、輸水隧洞、調蓄水庫（輸水隧洞出口閘室、面板堆石壩、溢洪道及壓力管道進口塔架等）、壓力管道、地下廠房洞群土建及機電金屬結構設備管線等BIM模型（見圖1）。

在設計中后期校審階段采用BIM+VR技術使設計人員以沉浸式的方式對所設計內容的空間合理性、碰撞檢測、美觀性等方面進行檢查，確保設計的合理性與可行性，同時加深操作工人對專業部件安裝、運行方面的理解。

3.2 應用軟件與措施

該項目以CATIA軟件為BIM建模核心軟件，結合Substation、ANSYS等軟件進行相關運算，采用自上而下的協同骨架設計思路，以參數化為BIM建模核心，運用知識工程快速構建模板，最終與展示軟件無縫對接，實現可視化預覽。

4 BIM+VR技術在CCS廠房設計中的應用

4.1 難點分析

CCS水電站為徑流式電站，電站廠房為尾部式地下廠房，安裝8臺沖擊式水輪機組，總裝機容量1 500MW。該工程發電水頭較高，且機組安裝高程較高，下游尾水不受下游河道水位的頂托影響。但是，CCS水電站原設計下游河道流量為1 600 m/s時，河道水位與機組安裝高程之差僅為2.6 m，而機組正常發電需要的該數值最小為3.8 m.再考慮原尾水洞約600 m水道長度產生的水頭損失，不采取特殊的工程措施將無法滿足要求。因此，對地下廠房系統建筑物的設計提出了更高的要求，其穩定性計算、邊坡計算等難度均大幅度提高。另外，業主對廠房等建筑物的內部美觀性和合理性提出了較高要求，并對諸如水輪機等設備的運轉情況提出了仿真要求。傳統的二維設計或BIM三維設計難以滿足要求，BIM+VR技術體系可以為其提供有效支撐。

4.2 BIM+VR應用路線

為滿足項目的要求，根據意大利ELC公司概念設計資料，結合當前國內外地下廠房的設計做法及經驗，對原設計進行了多項修改，最終決定將概念設計、基本設計、詳細設計和VR查驗四大階段作為BIM+VR技術體系整體的應用路線。

概念設計階段的主要工作是廠房設計復核和方案比選，在結合南美地區習慣之后，為滿足施工進度要求，對廠房進行了如減高、增加安裝間等設計變更，在此基礎上進行基本設計。在基本設計階段，依據《CCS水電站基本設計報告及國內專家審查意見》等6項設計依據和200 a一遇洪水的設計標準，對壓力管道及地下廠房系統建筑物開展BIM設計，同時基于BIM設計階段建立的模型進行穩定性計算、結構計算等相關工作。在基本設計工作結束后，針對基本設計中每一條要求開展詳細深化設計，如重點部位結構的分析優化、沖擊式水輪發電機組的物理試驗等。最后通過VR技術對所設計的建筑物、尾水洞、沖擊式水輪機等的合理性、美觀性、科學性進行查驗。廠房設計BIM應用路線具體內容見表1。

4.3 BIM參數化建模

在進行BIM+VR技術應用路線的規劃后，針對詳細設計中列舉的內容展開BIM參數化建模。項目采用CATIA軟件作為BIM建模軟件，CATIA軟件提供了強大的參數化功能，從尺寸、骨架、曲線方程、模板、文檔的參數化，以及知識工程陣列、設計表參數、系列零件自動解析等，解決了地下廠房支護方案設計、廠房等建筑物土建及機電管路設備的整體快速設計等，地下廠房洞室參數化建模如圖2所示。

在參數化建模的基礎上，項目融人了流程化設計思想與相應的開發工具，以及大量標準化模板、規范規程、設計經驗等軟性知識，通過關鍵參數的調整即可實現建筑的自動創建和優化，解決了專業知識經驗與軟件的深層接口問題。

4.4 基于BIM模型的計算

在BIM模型的基礎上，針對地下洞群圍巖、沖擊式水輪機等重要設計模塊展開數值分析與計算。其中，地下洞群圍巖的穩定性分析是非常重要的一環，地下廠房洞群的三向薄巖壁問題加劇了主廠房與主變室之間圍巖的破壞性，圍巖穩定問題突出。以地下廠房洞室BIM模型為計算基礎，根據開挖揭示地質及監測數據，在大型分析計算軟件中多次反饋分析，優化支護參數，提出圍巖穩定問題最佳解決方案，比傳統的計算模式更為直觀和準確。

尾水洞的設計也是廠房設計中非常重要的一環。該項目在BIM模型的基礎上首次提出了尾水有壓無壓工況穩定分析，并基于此進行虛擬仿真與實地仿真，填補了國內此項技術的空白，如圖3所示。

4.5 VR校審與展示

在BIM模型的基礎上，借助相應的引擎與CATIA模型格式進行無縫對接，通過附以與真實設計相一致的材質，協助參建各方感知不同設計方案、色彩等配置方案，為設計師、業主提供更加真實的仿真環境。與此同時，借助VR技術預先感知質量，確認空間布局的合理性，檢查大型機械設備、管路等的可維修性。

此外，項目針對沖擊式水輪機制作了VR運行仿真模型，模擬了沖擊式水輪機在實際環境中的運轉情況，使得業主、設計師、參觀者等多方人員更加直觀地了解水輪機的相關情況，如圖4所示。

5 結語

以CCS水電站廠房設計為例，系統介紹了BIM+VR在其中多個模塊的深度應用，該技術的應用極大提高了工程設計的準確性、高效性和美觀性，顛覆了傳統設計模式。

鑒于BIM軟件接口不完善、工程復雜度強的因素，目前BIM+VR技術在水利水電工程行業的應用仍較少，較為完善的應用均處于項目設計階段，極少或不存在施工與運維階段的應用。因此，參照BIM技術在其他行業的應用情況.BIM+VR在水利水電行業施工階段的應用可作為下一階段重點關注內容。

參考文獻：

[1]MCARTHUR J J.A Building Information Management （BIM）Framework and Supporting Case Study for Existing Building Op-erations， Maintenance and Sustainability[J]. Procedia Engi-neering， 2015，118：1104-1111.

[2] 何清華，錢麗麗，段運峰，等.BIM在國內外應用的現狀及障礙研究[J].工程管理學報，2012，26（1）：12-16.

[3] 王帥，王彤，基于地面三維激光掃描及VR技術的BIM工程應用研究[J].水利規劃與設計，2018（2）：52-56.

[4] 李鈺，呂建國，基于BIM和VR/AR技術的地鐵施工信息化安全管理體系[J].工程管理學報，2017，31（4）：111-115.

[5]姜學智，李忠華，國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報，2004（2）：238-240.

[6] 楊文博，高峰，朱潔，等.BIM+VR技術在打造精品住宅工程中的應用[J].土木建筑工程信息技術，2017（4）：26-30.