BIM正向設(shè)計(jì)在湘河水利樞紐工程中的應(yīng)用

杜九博，李玉瑩，常倩倩，楊士瑞

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

近年來(lái)，BIM技術(shù)以其顯著的優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)各行各業(yè)發(fā)展方興未艾，在大型水利工程項(xiàng)目上的應(yīng)用也越來(lái)越多。由于平臺(tái)建設(shè)、各設(shè)計(jì)軟件的融合銜接等原因的限制，實(shí)踐中真正實(shí)現(xiàn)從項(xiàng)目構(gòu)思到項(xiàng)目成果交付，全正向設(shè)計(jì)的BIM應(yīng)用還較少，更多的BIM項(xiàng)目還停留在翻模、可視化效果展示等階段。本文詳細(xì)介紹了西藏湘河水利樞紐工程BIM正向設(shè)計(jì)的全過(guò)程，為水利行業(yè)BIM發(fā)展提供借鑒。

1 工程概況

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程位于西藏自治區(qū)日喀則市，樞紐壩址位于南木林縣達(dá)那鄉(xiāng)甲措藏布和拉布藏布干流交匯處下游約1.1km，距南木林縣城約15km。該工程是國(guó)家“十三五”時(shí)期172項(xiàng)重大水利工程之一，也是西藏自治區(qū)“十三五”重點(diǎn)工程之一。工程任務(wù)以灌溉、供水、改善自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境為主，兼顧發(fā)電。工程規(guī)模為大(2)型，總庫(kù)容1.16億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積0.83萬(wàn)hm2，電站裝機(jī)4萬(wàn)kW，工程概算投資27.01億元。湘河水利樞紐工程，由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、洞式溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電洞、電站、魚(yú)道等組成。

2 軟件應(yīng)用情況

工程設(shè)計(jì)中，各專業(yè)軟件應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目軟件應(yīng)用情況表

3 項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境

本項(xiàng)目以三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)為基礎(chǔ)，如圖1所示，采用ProjectWise軟件進(jìn)行各專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在同一個(gè)環(huán)境下，采用同一套標(biāo)準(zhǔn)來(lái)共同完成本項(xiàng)目。模型以三維可視化方式呈現(xiàn)，各專業(yè)可以直觀瀏覽整體設(shè)計(jì)成果，使得各專業(yè)間的溝通方式由傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)楸普娴娜S場(chǎng)景，可大幅提升專業(yè)間溝通效率，避免項(xiàng)目成員之間因?yàn)閷I(yè)背景差異而產(chǎn)生的誤解，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的充分利用和數(shù)據(jù)共享，避免重復(fù)建模過(guò)程，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的集中存儲(chǔ)與訪問(wèn)，提高數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性、一致性、及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目數(shù)據(jù)共享和模型一體化。

圖1 三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)框架

4 各專業(yè)建模

4.1 測(cè)量專業(yè)建模

為了更好的與三維設(shè)計(jì)模型銜接，對(duì)已有實(shí)測(cè)CAD平面地形圖進(jìn)行編輯、處理，將其轉(zhuǎn)化成為三維地形模型。利用CAD平面地形圖生成三維地形模型。首先，從實(shí)測(cè)的CAD格式平面地形圖中分別提取高程點(diǎn)和等高線圖層作為建立三維地形模型的初始數(shù)據(jù)存留；然后，采用重新描繪的方式，將地物按照其坐標(biāo)、高程信息，利用三維特征線進(jìn)行重新描繪；最后，將地形和地物信息作為地形特征信息進(jìn)行疊加，生成三維地形模型。通過(guò)上述操作生成的三維地形模型，可以與三維設(shè)計(jì)模型在同一平臺(tái)上進(jìn)行疊加，也可將其轉(zhuǎn)換成為地質(zhì)模型需要的MESH格式，其兼容性、可視化得到了極大的提高。形成的三維地形模型如圖2所示。

圖2 西藏湘河三維地形模型

4.2 地質(zhì)專業(yè)建模

湘河流域兩岸早石炭系至第四系均有出露，地層主要為白堊系和早第三系，巖性以花崗巖為主。考慮到建模區(qū)域地質(zhì)狀況，先應(yīng)用了GeoStation for City進(jìn)行地質(zhì)建模，其結(jié)果河谷地質(zhì)狀況模型良好，但受到地質(zhì)數(shù)據(jù)等因素限制，河道兩岸及山坡基巖出露界面表現(xiàn)較差，無(wú)法較好展現(xiàn)地質(zhì)信息，故又應(yīng)用GeoStation for Geology重新進(jìn)行地質(zhì)建模，根據(jù)地質(zhì)資料及勘察數(shù)據(jù)，確定基覆界面位置，建立基覆界面模型，最后完成該區(qū)域地質(zhì)模型的建立。形成的三維地質(zhì)模型如圖3所示。

圖3 三維地質(zhì)模型

4.3 水工建筑建模

依據(jù)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在ProjectWise平臺(tái)上對(duì)圖層、線性、標(biāo)注、圖框、構(gòu)件屬性進(jìn)行了統(tǒng)一配置與推送，制定了標(biāo)準(zhǔn)化的三維項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)人員主要采用AECOsim Building Designer和MicroStation軟件，調(diào)用參數(shù)化模型構(gòu)件庫(kù)，完成工程設(shè)計(jì)。對(duì)于模型庫(kù)不包含的構(gòu)件，由設(shè)計(jì)人員自行創(chuàng)建，其中在后續(xù)工程中可以復(fù)用的構(gòu)件，經(jīng)系統(tǒng)管理員審核后，存入模型庫(kù)。本工程瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高51m，模型如圖4所示；水電站廠房模型如圖5所示；溢洪洞、發(fā)電引水洞、導(dǎo)流泄洪洞模型如圖6所示；魚(yú)道模型如圖7所示。

圖4 瀝青混凝土心墻砂礫石壩三維模型

圖5 水電站三維模型

圖6 溢洪洞、發(fā)電引水洞、導(dǎo)流泄洪洞三維模型

圖7 魚(yú)道三維模型

4.4 金屬結(jié)構(gòu)模型

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要由泄水系統(tǒng)、發(fā)電引水系統(tǒng)、施工導(dǎo)流系統(tǒng)、魚(yú)道和生態(tài)系統(tǒng)及配套灌區(qū)組成，包括弧形閘門(mén)、分層取水疊梁閘門(mén)、平面定輪閘門(mén)、清污機(jī)、攔污柵以及門(mén)機(jī)、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)等多種類、多規(guī)格金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，模型如圖8所示。針對(duì)該工程金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，主要利用Inventor進(jìn)行閘門(mén)、清污機(jī)、啟閉機(jī)等的三維參數(shù)化模型建立，并根據(jù)模型相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行裝配，將裝配完成后的總裝文件通過(guò)中間數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出。

4.5 水機(jī)模型

利用AECOsim Building DesignerCE機(jī)電模塊參數(shù)化構(gòu)件建立水機(jī)三維模型，如圖9所示。

圖9 水機(jī)三維模型

4.6 電氣模型

通過(guò)Substation程序建立電氣設(shè)備族庫(kù)，基于設(shè)備模型的基本參數(shù)建立模型、整體組裝后再進(jìn)行其他屬性的添加。水電站副廠房二層電氣三維模型如圖10。

圖10 水電站電氣三維模型

4.7 三維配筋模型

利用Restation進(jìn)行水工建筑三維配筋，剖圖生成二維鋼筋圖、鋼筋表，并打印成能3D展示的PDF格式文件，可視化、立體展示三維配筋，指導(dǎo)施工。隧洞三維鋼筋模型如圖11所示。

圖11 隧洞三維配筋

5 碰撞檢查

將各專業(yè)模型通過(guò)參考方式，完成模型總裝；通過(guò)Navigator軟件進(jìn)行模型的碰撞檢查和三維校審。碰撞檢查充分顯示了BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，使用的三維模型具有完整性、唯一性，最大可能避免“錯(cuò)、漏、碰，缺”等問(wèn)題，如圖12所示。

圖12 主廠房?jī)?nèi)部碰撞檢查

6 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在工程三維建模和碰撞檢查過(guò)程中，可非常直觀的提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不合理的地方，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。例如在本工程中通過(guò)檢查總裝模型，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)魚(yú)道工程與進(jìn)場(chǎng)道路交叉出高程設(shè)置不合理，后及時(shí)對(duì)進(jìn)場(chǎng)道路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。再如，高達(dá)173m的邊坡開(kāi)挖，下覆高程和厚度不一的巖層，三維建模過(guò)程中能提前發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖的難點(diǎn)和邊坡的薄弱點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。上述問(wèn)題，用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)手段或者單獨(dú)看某一項(xiàng)建筑物模型很難發(fā)現(xiàn)和解決，正是應(yīng)用了BIM正向設(shè)計(jì)，將上述問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段。

7 二維出圖

利用校審后的三維模型，采用三維動(dòng)態(tài)模型剖切出圖，可以自動(dòng)生成用于交付的二維平面圖、立面圖和剖面圖，也可以生產(chǎn)三維軸測(cè)圖、階梯剖視圖。生成的圖紙與模型是聯(lián)動(dòng)的，當(dāng)需要修改設(shè)計(jì)時(shí)，只需要修改模型文件，與之相關(guān)的圖紙自動(dòng)完成修改，能較大的提高工作效率。

8 可視化展示

利用AECOsim Building Designer軟件，將校審后的總裝模型導(dǎo)入LumenRT軟件，進(jìn)行后期渲染并制作漫游動(dòng)畫(huà)。在LumenRT中可以自由添加人物、動(dòng)物、植物、家具、公共設(shè)置、水面等配景，可以更換各種建筑材質(zhì)，也可以改變天氣、時(shí)間、季節(jié)來(lái)模擬不同情況下項(xiàng)目的外觀表現(xiàn)，并可以自由設(shè)置相機(jī)漫游路徑，導(dǎo)出圖片或者視頻，給人以身臨其境的視覺(jué)效果。本工程整體效果圖如圖13所示。

圖13 樞紐效果圖

9 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)方的應(yīng)用，鑒于目前BIM技術(shù)的發(fā)展水平，以及相關(guān)配套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不完善，要真正實(shí)現(xiàn)一套模型的項(xiàng)目全生命周期應(yīng)用還有許多困難，需要設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、建管等各項(xiàng)目參與方采用相同的BIM標(biāo)準(zhǔn)或統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。湘河水利樞紐BIM設(shè)計(jì)，克服了超深覆蓋層防滲墻設(shè)計(jì)、心墻與帷幕及防滲墻連接段設(shè)計(jì)、進(jìn)口多建筑物協(xié)調(diào)布置、卜型叉管與涵洞連接等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)難以解決的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了全專業(yè)全正向三維協(xié)同設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果更為精準(zhǔn)，并可為項(xiàng)目后期運(yùn)行管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，為同類水利樞紐工程BIM設(shè)計(jì)積累了成功的經(jīng)驗(yàn)。