BIM 技術在水利水電工程中的應用

張 偉

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安710001）

0 引言

水利工程的實際設計工作較為繁瑣，體現在二維圖紙中的信息較為復雜，需要經驗極為豐富的從業人員經大量工作后方能獲得具體形態，且項目的產品信息修改困難、設計協同困難、設計周期及產品質量不可控。通過BIM 技術的使用可以實現工程的信息化查詢和設計的協同修改，運用BIM 技術的節點控制，對關鍵位置進行施工放樣，可優化施工組織設計，提高工程質量，盡可能的減少返工，進而縮短工期，從而保證施工交底效果并完善后期的運維管理。再者，對于地形條件比較復雜的水利工程來說，開挖、回填量巨大，土方量的計算的精準度就與工程的最終造價有著密切的關聯。運用BIM 對工程進行全部子項建模，實現全元素的信息化查詢和關鍵節點控制[1]，同時，精確完成土方的開挖、回填量計算，完成信息化工程管理，以達到方便后期運維管理的目的。

1 采用BIM 技術原因

1.1 方便結構計算

由于項目大多地處山谷地帶，地質條件較為特殊，因此常規結構計算無法滿足設計周期要求，因而利用BIM 軟件功能，完成結構地基布置及配筋計算[2]，可大大減少設計時間。

1.2 方便設備管路檢查

項目中包含各專業的管路布置（采暖熱力管網、給水排水管網、雨水收集措施、消防管網、鍋爐燃油管網、生活熱水管網及太陽能熱水管網等)，廠區及各單體中有大量管道交叉位置，利用BIM 軟件空間特性，完成各管道專業的碰撞檢查，可大大優化設計方案。

1.3 滿足綠色建筑分析及模擬要求

為滿足綠色建筑要求，進行一系列綠色建筑分析及模擬，采用BIM 技術對該部分工作具有決定性的作用，如對空調房間進行的室內氣流組織模擬分析、建筑物的采光及日照分析、庫區總體規劃的熱島及噪聲分析等。

1.4 指導施工，保證施工的正確性與設計信息的完整性

利用BIM 軟件骨架化的模式進行參數化設計，以實際的施工順序作為其設計順序，可以做到“畫一步做一步”，切實的指導施工流程，利用Navisworks 系列軟件完成4D 施工流程的模擬，發現并解決施工難點，大大減小施工難度，縮短施工時間。

1.5 滿足運營管理需要

通過BIM 技術指導施工完成后，輸出composer 末端信息查詢系統，強化BIM 思維，將為業主提供更為科學先進的管理技術及經驗。

2 BIM 技術的實際應用

BIM 技術除應用到全設計階段外，更可以輔助完善整個項目的各個階段：設計、施工、設備安裝和運營管理。對施工及安裝方來說，BIM 的可視化功能，同時增加4D 信息，進行多時間段的虛擬施工，可以優化施工組織設計。

自啟動BIM 計劃以來，一直致力于在水利工程中推廣BIM技術，先后完成了引漢濟渭三河口水利樞紐BIM 設計、陜西省延安南溝門水庫管理站BIM 設計、延安黃河引水工程BIM 設計、陜西省涇河東莊水利工程BIM 設計等。

2.1 引漢濟渭三河口水利樞紐工程

在該項目前期策劃中，將BIM 技術使用該項工程的具體勘察設計工作中，并且由于CATIA 良好的建模能力和數據管理能力，最終確定該軟件為該項目的BIM 操作平臺。通過VPM平臺完成各專業的協同工作，利用多種設計軟件完成各專業（勘察測繪、土方開挖、場地規劃和道路建設）的三維建模任務（見圖1）等、設計和分析等工作，提高設計效率，簡化設計流程，精確模型細節，使工程的實際展現更為直觀。基于BIM 理念的解決方案幫助該項目的參與人員，在多方面可以利用形成的BIM 模型，以數字化的方式進行分析計算[3]。該應用使參建各方共享成文信息，避免了相關方的矛盾，減少了人力、資本等不必要的浪費。

圖1 三河口電站廠房土建BIM 模型

在該項目中，BIM 技術輔助完成了綠色建筑的分析工作。由于項目所在地地處深山之中，多數設計參數無法獲得，因而無法進行常規數據計算與模擬[4]。通過BIM 模型，利用Simulation CFD 等分析軟件進行模型分析使的綠色建筑的參數分析有了可能，并獲得了較好的效果，見圖2。

圖2 三河口電站副廠房中控室空調系統氣流組織模擬

2.2 陜西省延安南溝門水庫管理站工程

在南溝門管理站BIM 設計的過程中，建筑專業利用Autodesk Revit Architecture 完成綜合樓的BIM 模型，同時利用CATIA 軟件完成附屬廠房的BIM 模型；利用CATIA 軟件平臺，機電專業（包括采暖、通風、空調、動力、給水排水、電氣、消防等）建立完備的機電設備模板庫，最終完成整個廠區的BIM設計工作。利用Autodesk Navisworks 軟件完成漫游視頻文件的制作。最后利用VR 技術完成漫游視頻的虛擬現實展現，使得整體設計在移動端完美的表達了設計師的設計理念，見圖3～圖6。

作為BIM 技術與綠色建筑技術結合較為成功的一個案例，該項目于2015 年7 月經過陜西省綠色建筑專家委員會評審通過，達到“一星”綠色建筑設計標識，其模型渲染效果圖見圖7。

圖3 走廊漫游模擬

圖4 外立面漫游模擬

圖5 鍋爐設備間漫游模擬

圖6 附屬設備間漫游模擬

圖7 南溝門管理站廠區BIM 模型渲染效果圖

2.3 延安黃河引水工程

在延安黃河引水工程延水關一二級泵站的設計過程中，由于項目所在地區域跨流域、廠區高差較大、地質條件復雜，建筑、暖通、給排水等專業BIM 小組全部采用常規設計流程足以達到設計要求，動力專業首先利用CATIA 軟件進行管道及地溝分布布置，設置不利檢測點，然后利用鴻業管道及管廊軟件對布置進行分析，得出管道水力計算參數及溝壁受力分析數據，整理數據獲得各檢測點參數，參數達到規范要求后得出最終布置方案（見圖8～圖9）。而這種處理問題的能力是常規設計所不具備的。

圖8 延水關一二級站BIM 模型渲染效果圖

圖9 延水關一二級站熱力管溝BIM 模型布置圖

2.4 陜西省涇河東莊水利工程

涇河東莊水利工程BIM 設計中，本次設計范圍包含地下引水發電系統BIM 設計和地上110kV 及GIS 樓BIM 設計。在該次設計任務中，包含以下主要目標：利用BIM 技術指導設計，分各階段選擇適宜的技術措施；總結提煉水利行業“節能建筑”設計理念，研究適合于我省水利行業的節能技術措施并加以推廣[5]；作為我省水利行業的頭號重點項目，推動使用并促進BIM 技術的發展，并依托BIM 設計流程展示實際施工過程，以解決實際施工過程中遇到的問題。

項目中通過參數化墻體的模板（見圖10）建立，完成了墻體的節能計算的數據化處理，從各種保溫材料的可視化處理，到保溫材料的導熱系數、厚度等數據的添加。為今后做建筑的整體性節能計算奠定了基礎。墻體結構中各層的材料，厚度，導熱系數等參數的添加，方便節能計算。熱阻θ＝L/（λS）式中：λ 是導熱系數，L 是材料厚度或長度，S 是傳熱面積。物體對熱流傳導的阻礙能力，與傳導路徑長度成正比，與通過的截面積成反比，與材料的導熱系數成反比。EXCEL 表格數據處理輔助模板的使用，使得通過軟件完成保溫經濟厚度的計算成為可能，見圖11。

圖10 GIS 樓墻體參數化模板

圖11 GIS 樓墻體保溫計算輔助工具

表1 BIM 設計項目信息統計表

3 技術創新分析與統計

在以上各水利水電工程中，全部采用了BIM 設計流程完成了實際的建模工作。在設計思維上，同樣完成了傳統二維思維向三維設計思路的轉變。各項目中相應參數及應用的數據統計見表1。

4 結語

水利工程施工及設備安裝條件復雜，且相關方信息重復利用率較低，通過使用BIM 技術設立水利專業的BIM 模型能有效利用既有條件完成信息的共享工作。同時，利用BIM 技術的優勢，更加精確計算土方的開挖、回填量，同時完成地質模型的建立，為方案的進一步確定奠定了良好的基礎。但是現階段由于軟件的推廣及應用尚處于開始階段，針對于水利水電工程的BIM 參數化模板較少，因此在構建相應的BIM 模型時，應根據實際需要，完善水利工程專用的參數化模板庫，并大力提高模板庫中模板的重復利用率。

通過上述數據統計表明，BIM 技術在大中型水利水電工程中的使用在行業內還比較缺少，因此，BIM 技術在水利水電行業中的推廣需進一步開展。同樣的，BIM 技術在方案決策階段，可以提供精確、參數化的設計模型，對及時發現問題，優化設計，簡化施工流程，減少資源浪費有著巨大的實際意義。同時，BIM模型中工程量的提取和工程施工模擬，方便了工程的經評有效控制和施工進度管理，同時也將顯著提高水利水電工程的信息化程度。