BIM技術在烏東德水電站啟閉機設計中的應用

鄒今春，趙春龍，李 崗，高 楊

ZOU Jin-chun,ZHAO Chun-long,LI Gang,GAO Yang

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

烏東德水電站是金沙江水電基地下游河段四大世界級巨型水電站的第一梯級，總裝機容量為1020萬千瓦。工程規模宏大，創下多項世界之最[1]。其導流洞封堵閘門采用固定卷揚式啟閉機進行操作，起升容量為18000kN，單鉤起升容量目前為國內同類型啟閉機最大。該啟閉機設計要求高，結構復雜，設計周期緊張，設計難度較大。

近年來隨著現代信息技術的發展，人們日益認識到BIM技術的可視化、建模快、模擬性、優化型、協同性和可出圖等技術優勢[2,3]，BIM技術集成應用能力逐步提升[4～8]，在工程領域的應用日益廣泛。在BIM技術應用方面水利水電行業相比建筑行業雖然存在差距，但也做了許多有意義的工作[1,9～13]，為烏東德導流洞18000kN固定卷揚式啟閉機采用BIM技術進行設計提供了寶貴經驗。以CATIA為基礎平臺，應用BIM技術，實現了對烏東德水電站導流洞18000kN固定卷揚式啟閉機模型多階段應用和多模塊協同，達到了設備三維可視化展示、渲染效果處理、工程量統計、碰撞檢測、工程圖定制及成套出圖、虛擬施工裝配。以BIM數字模型為基礎，在開發用戶運維管理應用服務方面進行了探索。

1 設計流程

烏東德水電站導流洞18000kN固定卷揚式啟閉機經歷了方案設計、詳細設計、復核計算、二維工程圖、提升應用開發及歸檔交付階段。

圖1 設計流程示意圖

方案設計階段主要是分析并響應招標文件及業主要求，結合項目經驗及設備特點，綜合考慮技術及經濟指標，制定策略，完成傳動方案設計、主要零部件選型計算。詳細設計階段依據BIM三維設計大綱及作業指導文件，調用并豐富三維數字化設計資源，結合項目特殊要求，完成參數化模型。復核計算階段在常規計算基礎上，根據模型實際結構尺寸，進行復核計算。針對特殊結構和關鍵零部件，采用CAE計算進行可靠性復核。對復核合格后的三維模型，訂制和應用工程圖模板，完成二維工程圖。

提升應用開發是發揮設計源頭信息富集優勢，結合制造、安裝、運營實際情況，開發有利于用戶作業、管理的應用服務。最后對所有校審完成、修改合格后的歸檔圖、應用服務資料一并交付用戶。

2 設計效果

烏東德導流洞18000kN固定卷揚式啟閉機主要包括起升機構、機架及電氣控制系統。其中起升機構由開式齒卷筒裝置、小齒輪裝置、減速器、聯軸器、電動機、工作制動器、應急裝置、動滑輪組、定滑輪組、平衡滑輪、鋼絲繩以及高度指示器等部件組成，涉及零部件多，傳動路線復雜。由于采用了BIM建模技術，在方案設計階段即完成了相應的投標級詳細程度的三維模型。該模型能直觀形象地表示設備的傳動原理、設備布置、總體大致尺寸，為投標方案最終贏得業主青睞增加了分量。

圖2 方案設計階段設備效果

詳細設計階段是方案設計階段的深化，主要工作是依據BIM三維設計大綱及作業指導文件，由設計團隊根據設備組成模塊分工合作，以設計計算為基礎，在CATIA VPM平臺上調用三維數字化設計資源，通過協同共享完成參數化整體模型。其中三維設計大綱根據啟閉機不同類型對文件代碼、參數格式、模型渲染顏色、模型組織結構、模型屬性缺省信息、專業模板分級、資源庫建設管理方式及權限設置、設備零部件和模板入庫規則、協同發布文件要求、三維校審方法及流程等進行了規范，并逐步形成了三維數字化設計資源庫。

圖3 三維設計資源庫

圖4 詳細設計模型

復核計算根據模型實際結構尺寸，以現行規范及招標文件為依據，進行產品各部位結構強度、剛度、穩定性、疲勞壽命等復核計算。結合設備特點對深梁結構主梁、厚板U形吊耳結構等關鍵零部件以CATIA模型為基礎，采用CAD/CAE參數化集成分析技術復核，為產品快速優化提供有力計算支撐，提高了設計方案整體可靠性。

圖5 厚板U形吊耳結構有限元分析

對復核合格后的三維模型定稿鎖定，將工程圖模板關聯三維模型，更新二維工程圖，完成設備全套工程圖。需要注意的是CATIA V5工程圖模塊中的圖形表達方式與我國機械制圖規定以及水利水電行業表達習慣存在差別，通過二次開發CATIA工程圖擴展工具解決了上述問題，并對CATIA工程圖模塊的焊縫表達、材料表自動生成等功能進行了強化。

圖6 工程詳圖示例

3 提升應用

傳統設計往往止于工程圖的完成，基于BIM技術的設計由于掌握了模型和嵌入在模型中的豐富信息，除了完成碰撞檢測、工程量統計、效果圖渲染等操作，還可以結合制造、安裝、運維實際情況，尋找客戶需求和痛點，開發有利于用戶作業、管理的應用和服務，在優化設計供給的同時為設計方案加分增值。

烏東德導流洞18000kN固定卷揚式啟閉機設計團隊在BIM技術提升應用方面的嘗試包括：設備日常潤滑點分布圖、運維人員行走通道導引及凈空間分布圖、運輸方案分塊圖、設備安裝（檢測）基準系、虛擬裝配（拆卸）、外購成套零部件三維電子信息卡等。此外在豐富產品展示文檔格式類型，實現電子產品輕量化，便利產品信息異地交流共享方面取得一些有益經驗。

圖7 設備整體渲染效果圖

圖8 運維人員設備日常潤滑點分布圖

圖9 行走通道（消防）導引及凈空間分布圖

圖10 安裝（檢測）基準系

圖11 運輸安裝分塊圖

圖12 虛擬裝配動畫截屏

圖13 模型輕量化效果對比

4 結語

以CATIA為基礎平臺，遵照規范化的作業指導文件調用設計資源庫，在設計團隊內實現分模塊協同，建立了賦屬性的參數化模型。融合CAD/CAE技術對關鍵零部件結構進行了分析，為結構優化提供可靠計算支撐。調用資源庫中的圖紙模板，綜合運用二次開發的工程圖擴展工具，完成了烏東德導流洞18000kN固定卷揚式啟閉機正向設計全套工程圖。在此基礎上結合用戶實際需求，發揮設計前端引領作用，開發出一系列制造、安裝、運維環節服務。

住建部《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》中指出，著力增強BIM技術集成應用能力，深度融合新興信息技術，實現企業管理信息系統一體化，為今后BIM技術應用發展指明了方向。BIM技術在設計行業發展相對緩慢的現狀與BIM應用過程中的“頭重腳輕”不無關系：BIM應用項目對前期資源庫建設的依賴，對方案設計階段資源配置要求高，使設計資源重心前移，而后期模型利用率低。故此須舍近利、圖長遠，一方面潛心資源庫建設與優化，提升BIM技術手段對客戶需求的快速響應能力；另一方面以用戶需求為導向，向價值曲線高端延伸，深度發掘信息模型在設備運維管理中的價值效能，打造滿足用戶各個階段需求的應用模式，優化服務供給，提升共同價值。進而通過技術革新的累積帶動組織創新，助力傳統設計企業的轉型升級。