BIM技術在烏東德水電站機電設計中的應用

郭學洋 王豪 李玲 鄭濤平

摘要：烏東德水電站地下廠房空間狹窄，機電設計要求高，設備、管道及線路復雜，設計難度大。以3DE（3DExperience）為基礎平臺，靈活應用BIM技術，建立機電資源庫，搭建項目結構樹，通過原理圖驅動三維設計，對總裝模型優化調整，實現了烏東德水電站機電BIM正向設計。結果表明：烏東德水電站機電BIM正向設計達到了機電設備三維可視化展示、工程量統計、碰撞檢測、工程圖定制及成套出圖、虛擬施工裝配的效果。研究成果可為其他水電工程提供借鑒。

關鍵詞：機電設計; BIM; 3DE; 地下廠房; 烏東德水電站

中圖法分類號：TV734 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.005

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0023 - 06

0 引 言

烏東德水電站位于云南省祿勸縣和四川省會東縣交界，電站裝設12臺單機容量85萬kW的混流式水輪發電機組。烏東德水電站是世界上已投產發電的第七大水電站，是中國實施“西電東送”戰略的骨干電源，首臺機組于2020年6月底投產發電，2021年6月電站全部機組投產發電。水電站采用地下式廠房，廠內機電設計需要充分利用空間，要求布置美觀又便于運維。烏東德水電站機電設計條件復雜，協調工作繁瑣，機電系統由多個專業、多個系統組合而成[1]，管道、線路規模宏大，連接復雜，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[2-4]。隨著BIM技術集成應用能力逐步提升，其在工程領域的應用日益廣泛，在水電設計行業也逐漸得到重視[5]。

BIM作為一次工程技術的變革，在各行業中仍處于不斷摸索、自行提高的階段[6]。現階段仍存在許多問題和挑戰。BIM技術在水電工程機電設計應用實踐中主要表現出的問題有以下幾個方面。

（1） BIM技術應用需要投入大量資源，包括軟硬件技術條件，如BIM平臺、服務器、網絡環境等。BIM項目實施需要既掌握BIM平臺操作又懂專業設計的工程師。

（2） 與三維技術應用成熟的制造業不同，二維工程圖仍為水電行業設計成果的主要交付方式。BIM模型直接生成二維圖功能仍不完善，不能完全滿足現行制圖標準要求，電氣專業接地、照明等系統的圖紙圖面處理工作量較大，效率低下，仍舊采用傳統CAD軟件作為制圖工具。

（3） 與傳統方式相比，BIM技術需要設計工作內容在前期更為深化，但作為設計條件輸入的具體設備信息模型前期又難以確定。

（4） ?BIM技術尚未形成行業生態圈，BIM設計成果在水電項目建設過程或全生命周期管理中還遠未發揮出應有的價值。

因此，本文以烏東德水電站機電設計為例，采用達索系統（Dassault Systems）的3DE（3DExperience）平臺，探索和實踐了BIM技術的應用，實現了對烏東德水電站機電BIM正向設計。本文建立了機電資源庫，搭建項目結構樹，通過原理圖驅動三維設計，對總裝模型優化調整，完成BIM模型出圖，達到了機電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、虛擬施工裝配的效果，為BIM技術在其他水電工程設計項目應用提供了借鑒和參考。

1 機電資源庫建設

烏東德水電站機電設計包括水機、電氣、暖通及廠房等多個專業，探索應用了3DE平臺BIM技術正向協同設計方法。3DE平臺包含了三維建模、仿真、協同數據管理及信息智能4個方面的大量模塊，所有應用APP按用戶角色配置提供入口。不同模塊之間使用統一的底層數據，各專業協同設計無需通過中間格式進行數據傳遞。

BIM設計軟件的使用使得設計模式發生了根本性的變革，從傳統的二維設計轉變為三維參數化設計。基于BIM技術的機電三維參數化設計的過程類似于搭積木，機電系統模型由設備、管道、線路等拼接而成。BIM模型構件是模塊化設計的基礎資源，一般以庫的形式組織。模型資源庫可以避免大量的重復建模工作。BIM模型資源的建設管理可形成企業的信息資產，通過在設計過程中共享與重復使用，有效提高設計可靠性、效率和質量。考慮ENOVIA系列企業級數據管理平臺實施周期較長，烏東德水電站機電設計項目的基礎3D模型資源主要采用3DE平臺的CATIA系列APP管理。

1.1 模型庫結構

標準件庫的創建和擴充是BIM設計標準化的重要基礎性工作[7]。由于機電設備具有種類繁多、設備部件多、外形復雜等特點，機電模型資源庫需按專業和設備類型分為多個目錄，包括水力機械圖例庫、水力機械設備庫、管道元件庫、電氣圖例庫、電氣設備庫、電纜庫、暖通設備庫、風管元件庫。以水力機械設備庫為例，對常用設備歸納分析，確定水力機械設備庫的目錄結構如圖1所示。

1.2 編碼規則

BIM模型資源標準化建設的核心和首要工作是分類和編碼。為科學合理應用和管理BIM模型資源，模型信息編碼應當遵循一定的規則。各企業或項目實施團隊可根據自身具體情況制定規則。模型構件命名考慮的基本原則是：唯一、簡明、規范、適用。烏東德水電站管道元件彎頭的命名規則示例見圖2。

1.3 3DE平臺模型資源庫實施

完成庫架構的建立后，機電設備模型作為項目插入到對應庫目錄章節。設備模型根據其復雜程度，可以采用不同的建模方法，難以用少量參數驅動的復雜外形設備模型可不使用參數化建模。標準件庫建立流程為：① 建立一般元件模型，通過參數約束模型幾何特征;② 建立設計表，設計表文件中編寫各參數數據列，將設計表數據列關聯模型參數;③ 應用表中數據從一般模型衍生系列模型零件并填充至目錄庫。

2 烏東德水電站機電BIM正向設計

2.1 正向設計實施流程

BIM正向設計的目標是使設計人員可直接在三維環境下進行設計，各專業設計人員應用三維模型進行溝通、方案優化、設計成果輸出等。烏東德水電站機電BIM正向設計實施流程為：BIM策劃→合作區創建→結構樹搭建及任務分解→多專業協同設計→BIM模型應用，項目實施各階段工作主要內容如下：

（1） BIM策劃。明確三維設計內容及BIM成果應用要求。

（2） 合作區創建。在3DE平臺創建合作區，給設計人員分派角色、權限。配置合作區機電設計資源。

（3） 結構樹搭建及任務分解。結構樹分層方法有多種，烏東德水電站機電三維設計結構樹按專業劃分一級節點，按系統劃分二級節點。按系統分派工作任務。這種劃分方法更便于工作任務分解及專業間協調，設計人員可以從結構樹中直接選擇目標產品或零件，不用考慮其空間位置。當需要考慮空間區域內多專業模型零件時可直接在三維模型上應用空間過濾器。烏東德水電站機電設計結構樹見圖3。

（4） 多專業協同設計。各專業設計人員在分派的各自節點下進行設備模型創建和方案布置。設計過程中進行專業間協調優化，審核或會簽人員利用Design Review應用對設計方案進行批注說明，設計人員查看、修改。多專業基于同一套數據模型并行開展設計工作。

（5） BIM模型應用。三維設計完成后，利用BIM模型進行設計方案VR體驗、可視化交底、工程量統計、二維出圖等。

2.2 系統原理設計

3DE平臺以單一數據源和基于流程的應用為核心，原理圖驅動三維設計，實現二維與三維設計數據關聯，可同步管理，保證數據流的一致性與準確性，提高復雜系統的設計效率和質量。機電系統三維設計有兩種方法：① 通過二維邏輯原理圖到三維設備的映射;② 直接進行三維設備的布放、管道、電纜通道的創建等[1]。考慮烏東德水電站大型工程的設計工期及BIM應用要求，對于各專業各系統的設計方法根據實際情況區別對待。在烏東德水電站合作區配置完成二維原理圖設計資源后，直接調用庫中設備元件圖例完成2D原理圖設計。烏東德水電站右岸電站8號公用電系統接線原理圖設計見圖4。

2.3 設備布置及管路連接

各設計人員分別根據各自的專業設計角色使用Assembly design，Piping &Tubing 3D design，Electrical 3D design，HVAC 3D design等應用進行機電設備布置。設備布放流程為：進入管路設計模塊→初選放置位置→選擇庫和設備模型→調整設備位置;管道布置流程為：進入管路設計模塊→選擇管道規格→布置管道→放置管道附件。烏東德水電站透平油系統設備和管路布置示例見圖5。

2.4 電纜橋架及電纜敷設

水電站電氣設備眾多，系統復雜，電纜敷設量較大。在前期使用Electrical sys design 應用完成電氣原理圖設計后可直接驅動物理模型設計。電氣系統三維物理設計流程見圖6。烏東德水電站右岸電站8號公用電系統電氣設計實例見圖7。

3 設計效果

在3DE平臺下，通過多專業實時協同設計，完成了烏東德水電站機電工程三維設計任務。烏東德水電站機電設計BIM技術應用效果主要體現在以下幾個方面。

3.1 多專業三維協同設計

傳統二維設計需要各個專業間通過二維圖紙進行相互參照。由于二維制圖用時較長，專業間設計方案溝通滯后，通常會發生由于圖紙交換版本不同等原因造成的各專業之間的不協調引起設計變更。烏東德水電站機電多專業三維協同設計，實現了并行協同的工作方式，多個專業在同一個數據模型基礎上開展各自的工作，提高了設計效率。設計過程中參考周圍相關環境，直接避免或解決沖突碰撞。通過全專業模型的“三維校審”，碰撞檢測，發現隱藏的問題，在實際施工之前消除錯誤碰撞，提高了設計質量。以往現場施工過程中的管線干涉碰撞問題在烏東德水電站發生率顯著降低。

3.2 設計方案優化

將大量管道在有限的空間內順暢排布一直是傳統二維設計的難題。烏東德水電站地下廠房相對緊湊，機電設備管線布置尤其復雜，應用BIM技術對機電各專業管線三維空間布置統一優化，使得布置美觀又節約空間。烏東德水電站水輪機層下游側通道是所有縱貫全廠管道、電纜的通道，同時也是設備安裝、運輸與運維人員通道。通過綜合優化排布電纜橋架和油、氣、水管線，使得該通道凈空由2.0 m提高到2.4 m，實現了業主對美麗機電的需求（圖8）。

3.3 三維可視化表達

應用三維模型動態展示功能對烏東德水電站機電設計進行交底，無需專門制作PPT。將設計方案的實際效果進行360°展示、剖切，形象化的直觀表達可讓人迅速了解工程特點，理解系統設計，掌握設備布置。烏東德水電站地下電站機電模型見圖9，電站總體模型剖視效果見圖10。

3.4 設計成果VR體驗

烏東德水電站項目工地部署配置了整套三維設計軟硬件環境，包括一套VR體驗設備。將VR技術融入于傳統的水利水電工程領域，實現了參建各方對設計方案的全知、全感、全體驗，達到業主、施工、監理對設計的準確理解，避免了由于方案理解不清晰、溝通不順利等因素導致的反復修改、工期拖延、成本增加等問題。

3.5 工程量精準統計

烏東德水電站機電三維模型根據實際設備尺寸建模，為精確統計工程量打下了基礎。使用軟件計算統計數量、長度、質量等信息，省去了人工算量的過程，解決了機電設備、元件、材料明細統計過程繁瑣的難題[2]。使用軟件自動計算統計電纜長度，較傳統方法節約了2.2%的工程量。管道系統以精確的模型為基礎，扣除法蘭、彎頭、閥門的結構長度，也避免了不必要的過量采購問題。

3.6 二維工程圖生成

目前BIM技術在水電工程的應用尚處于普及階段，圖紙仍是重要的設計成果輸出形式。在可行性研究階段，圖紙的目的為輔助表達設計意圖，應用BIM模型生成圖紙可以滿足交付要求。施工階段，圖紙的目的為指導施工。復雜管線布置圖采用BIM模型生成二維視圖，并輔以三維布置軸測圖。這種出圖方式降低了對讀圖者的要求，顯著提高了參建各方識圖效率。

3.7 模擬工程變更方案

應用BIM模型，對實際施工過程中由于偏差等原因造成的變更進行方案模擬，以便于決策。施工現場測量曾發現烏東德水電站6號機技術供水四通閥接口埋管出口偏差較大，四通閥無法按設計方案安裝。根據現場測量的數據，調整修改模型，對偏差補救方案進行模擬，提出并比較了不同處理方案的效果。

4 結 語

通過將BIM技術應用在烏東德水電站機電設計中，探索了基于BIM的設計方法，積累了水電工程機電三維協同設計經驗和BIM模型資源，實現了水電工程從方案原理到三維布置再到二維施工圖的機電正向設計流程。三維設計成果直觀形象，利于快速準確理解設計方案，使參建各方溝通更為順暢。烏東德水電站機電設備安裝布局合理，便于運行維護，管線布置有效利用空間，排列有序，層次分明，觀感良好，體現出了工業之美，同時還利用精準的材料統計節約了建設成本。

參考文獻：

[1] 王豪，郭學洋，彭志遠，等. 基于3DE平臺的烏東德水電站水力機械BIM設計[J/OL]. ?中國農村水利水電，2021[2021-09-10]. https：//kns.cnki.net/kns8/defaultresult/index.

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[7] 李小帥，張樂. 烏東德水電站樞紐工程BIM設計與應用[J]. 土木建筑工程信息技術，2017，9（1）：7-13.

（編輯：江 文）

Application of BIM technology in E&M design of

Wudongde Hydropower Station

GUO Xueyang， WANG Hao， LI Ling， ZHENG Taoping

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract：The underground powerhouse of Wudongde Hydropower Station has features of narrow space， high E&M ?design requirements， complex equipment， pipelines and lines， so， the design was difficult. Taking 3DE as fundamental platform and flexibly using BIM technology， we realized the forward design of E&M for Wudongde Hydropower Station through establishing E&M repository and project structure tree， ?driving three-dimensional design through schematic diagram， and optimizing and adjusting final assembly model in the design process.The results showed that the forward design of E&M for Wudongde Hydropower Station could achieve these properties of three-dimensional visual display of E&M equipment， engineering quantity statistics， collision detection， engineering drawing customization， complete set of drawings and virtual construction assembly. The design could provide reference for the application of BIM technology in other hydropower engineering design projects.

Key words： E&M design; BIM; 3DE; underground powerhouse; Wudongde Hydropower Station