BIM協同設計在海外大型水電工程中的應用及技術研發

樊少鵬，劉會波，熊澤斌，周 嵩，呂昌伙

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

BIM即“建筑信息模型”，是利用建筑工程項目的各項信息數據構建的建筑模型，對項目進行設計、施工和運營的過程,是為適應建筑行業信息化發展需求而產生的高新技術。通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，達到對項目全生命周期信息的共享和傳遞，提高信息交互的效率和水平的效果[1]。由于BIM技術中的三維數字模型具有可視化、模擬性、易于協調優化的優點，可以顯著減少設計、施工、管理人員的工作量并提升協同工作效率，便于后期數字化管理，在諸多發達國家已廣泛應用于工程實踐，從全球視角來看，BIM技術的應用已成新時代的主流[1-4]。

目前，汽車制造、航空航天以及市政建筑領域已經有了屬于各行業的成熟的BIM技術，推廣發展十分迅速。但BIM技術在水利水電行業的應用起步總體較晚且還不太成熟，與常見的生產制作行業不同，大型的水利水電工程通常具有研究設計階段多、參建部門及專業廣、工程結構類型復雜、建設工期長等顯著特點，以上因素一方面對于BIM技術全面推廣形成了一定阻力，而另一方面為實現水利水電工程全生命周期的高效化、精細化設計管理的要求，又對BIM技術的全面深入應用提出了更為迫切的需求[5-12]。

長江勘測規劃設計研究有限責任公司(以下簡稱“長江設計公司”)也在多個水利水電工程中，均開展了基于BIM技術的工程設計，其中在安哥拉凱凱水電站導流工程、引水發電系統等主體工程設計中BIM技術的應用就是典型代表。

1 工程概況

1.1 項目簡介

安哥拉凱凱水電站是安哥拉寬扎河規劃的8個梯級電站的第3級，上一級為LAUCA水電站，下一級為ZENZO水電站。壩址處控制流域面積112 663 km2，多年平均流量591 m3/s。水庫正常蓄水位630 m，庫容4.36億m3，電站裝機容量2 172 MW，年平均發電量85.66億kW·h。

擋水建筑物采用1座主壩和2座副壩，其中主壩采用碾壓混凝土重力壩，布置在主河床，共設5個表孔和2個底孔，最大壩高103 m，壩軸線長度553 m；副壩亦采用碾壓混凝土重力壩壩型，用于封閉左岸埡口。凱凱水電站工程首部樞紐建筑物及主壩典型斷面見圖1。

工程采用首部式地下電站開發，主廠房尺寸為221.00 m×30.37 m×67.55 m，共布置有4臺530 MW的發電機組，整個引水發電系統橫穿左岸山谷，2條尾水隧洞長分別為5 133、5 161 m。

工程施工導流方面，大壩上下游采用全年土石圍堰，在右岸供布置有2條導流洞，斷面為城門洞型，斷面尺寸為14.4 m×14.4 m(寬×高)，最大高度分別為24、13 m。

1.2 工程特點和難點

安哥拉凱凱水電站因其電站裝機容量達2 172 MW，被喻為非洲的“三峽工程”。工程由葛洲壩集團股份有限公司總承包，是長江設計公司首個參與建設的基于“歐美及國際設計標準、業主工程師審查制度”的EPC項目主體工程設計分包合同項目。安哥拉項目業主GAMEK聘請前期負責該項目基礎設計的葡萄牙COBA公司作為項目外籍業主工程師。

鑒于項目設計要求高、溝通難度大、審查嚴格，因此對BIM三維設計提出了迫切需求，以期能夠在設計協作、成果校審、方案調整、質量控制、成果展示等諸多方面發揮其特有的優勢。

2 BIM技術應用

2.1 BIM設計工作依據

BIM應用標準體系現階段有國家標準、團體標準、企業標準3類。凱凱水電站BIM設計總體上以GB/T 51212—2016《建筑信息模型應用統一標準》作為總的原則指導。同時，鑒于水利水電BIM聯盟團體形成了自身一套龐大的BIM標準體系，其中以《水利水電工程信息模型分類及編碼標準》《水利水電工程信息模型設計應用標準》《水利水電工程設計信息模型交付標準》為代表的3項標準亦作為項目BIM策劃和執行的主要參考。此外，本項目還嚴格遵循了長江設計公司近年來頒布的企業標準和程序文件中的技術規定(表1)。

表1 公司級BIM設計內控文件及程序文件

2.2 BIM總體工作流程

凱凱水電站BIM設計總體工作流程按2級層面開展，即項目管理層(項目經理或BIM總監、專業負責人)和項目作業層(主設人、設計人等)，其中：BIM策劃工作在項目管理層中完成，按層級分為項目級三維策劃和專業級三維策劃，前者主要開展總體策劃和總體任務分解，后者將根據項目總體策劃要求和專業級需要進一步細化任務分解。BIM的具體搭建工作在作業層中完成，主設人和設計人根據具體的任務內容、質量進度要求開展設校審和成果交付歸檔工作，見圖2。

圖2 BIM設計總體工作流程

2.3 BIM策劃

全過程BIM策劃的目的是根據本項目的特點和具體的設計階段，響應項目的根本應用需求。從體系上來講，BIM策劃可由技術策劃、協同策劃和管理策劃等3個方面(圖3)，同時三者基于BIM設計工作的邏輯時序上又是互為關聯的一個有機整體(圖4)。

圖3 BIM設計策劃體系劃分

圖4 BIM設計總體策劃內容及工作流程

2.3.1技術策劃實施

技術策劃是在客戶端的設計、建模層面，梳理明確工作目標、深度、方案和邊界條件一系列具體問題，其中關鍵環節內容如下。

a)結構樹搭建和工作包分解。依次按照項目節點、專業節點和工作包節點進行拆分。結構樹搭建的基本原則為：①地形、地質模型獨立創建；②按需分列方案節點；③建筑物按主體功能分解定位；④機電金結等設施設備隨建筑物定位。工作包分解的原則為：①基于階段特點和專業特點，層次清晰，易引用、擴展和繼承；②分區、分段、分功能；③先定位，后功能，再細節。工程BIM結構樹搭建及工作包分解展示見圖5中給出的示例。

a)項目級結構樹(BIM總監確定)

b)骨架信息設計與發布。在完成工作包分解后，還需要對坐標系以及骨架信息進行設計和定義，其目的即是為了實現前述原則中所涉及的定位。通過有效的定位信息在平臺下進行協同作業。在完成定位前提下，再開展功能和細部結構的設計，可有效避免后期針對各專業不同模型的繁瑣裝配操作。圖6展示了工程在總體層面和專業內的骨架信息定義和引用上的示例。

a)總體定位(點、軸系)

c)模型精細度要求擬定。依據成果交付的相關需求，需在策劃階段對模型精細度進行界定，確認BIM模型信息中需要包含的細化層次結構和對應內容。鑒于水利水電工程所具有非標性和多階段性，應根據具體項目的特點進行專業化定制，以落實到本項目的項目需求和階段深度。凱凱水電站施工詳圖階段的土建設計尺寸采用大范圍，精度0.1 mm；機電金結細部設計尺寸可采用正常范圍，精度0.001 mm。本工程各專業的BIM模型涵蓋內容和精細度要求見圖7。

圖7 各專業BIM模型展示內容及精細度要求

2.3.2協同策劃實施

BIM應用過程中的一個核心指導理念就是三協協同設計，其本質是基于同一數據源，以可視化三維模型為載體，實現信息的實時更新、流轉和利用。在此前提下，總體上按照“組織、專業、設計與分析”3個方面構建了項目的協同體系，見圖8。其中組織協同明確了BIM設計的數據組織及使用方式；專業協同是針對前述設計策劃的內容，按照不同專業層面的需求進行協調組織管理；設計與分析協同則從基于應用角度，為相關計算分析、模型展示等明確合理的接口關系。

圖8 BIM設計協同體系

協同作業模式下，傳統的串行工作流程演變為并行工作流程，同一工作起點和交付節點的模式也相應由分部、分序的迭代推進的模式所取代。在此前提下，協同策劃工作主要涵蓋：①對項目的業務流程進行梳理，找到正向協同設計的接口和模型驅動關鍵參數；②根據專業協同需求(如專業內主要解決結構設計問題、專業間主要解決方案碰撞問題、水工和地形地質間主要解決布置合理性和工程安全問題)，明確工作包的前后續邏輯關系；③形成項目BIM設計方案流程和進度控制等(圖9)。協同策劃過程成果將為后續管理策劃的基礎和指導。

圖9 BIM設計協同策劃流程

2.3.3管理策劃實施

BIM三維協同設計的管理要點包括數據管理(模型數據及相應權限、設計成果等)，進度管理(WBS任務分解和派發、進度跟蹤及資源調配)，質量管理(交付要求、設校審全過程記錄)，變更管理(大、小級別的設計升版更新)等3個方面。圖10給出了本工程管理策劃的一個主要節點流程。

圖10 BIM設計管理推進及主要節點

基于上述流程，項目的管理策劃工作依托于2個管理平臺具體實現，見圖11。①在項目管理信息系統中，完成文字性工作(報告、校審單、互提資料單、流程的流轉)和二維圖紙的任務分解；②在3DE中的ENOVIA網絡端平臺，完成三維設計任務分解，對“工作任務”—“時間計劃”—“人員分配及成果流轉對接”間的相互關系進行協調和明確。在此基礎上，與2.3.1 技術策劃中所搭建3DE BIM模型結構樹進行對應和掛接。

a)項目整體WBS

通過以上技術、協同和管理三位一體的策劃工作，實現了對設計任務合理化排序和分配、對協同作業人員組織和流程精細化管理、對項目推進過程的有效掌控。在具體實施過程中，如某些設計工作存在滯后，項目管理人員能夠在第一時間發現問題并加以研判，通過調整人力資源或進度安排來保證項目的推進在有序可控的狀態。

3 BIM設計建模及成果

凱凱水電站工程三維模型主要包括地形地質信息模型、主電站引水發電建筑物模型、導流工程模型、機電設備模型、金結設備模型、橋梁工程模型等。

a)三維地形地質建模。凱凱水電站三維地形地質模型根據勘探及地質測繪成果創建而成，見圖12。地形范圍包括主、副壩區，引水發電系統區、工程場址等，地質模型內容包括覆蓋層及基巖、基巖風化層、斷層、鉆孔及河流、沖溝等地貌信息，內容豐富全面。三維地質模型創建并經審定后，供其他土建專業使用，并基于施工過程中進一步揭露的地質信息，對三維地質模型及時進行更新。

圖12 三維地形地質模型

b)引水發電建筑物建模。基于三維地形地質模型，電站專業采用“骨架+模板”的方法完成引水發電系統的土建模型正向設計，包括進水口、引水隧洞、主廠房、母線洞、調壓室、排空洞泵房、通風豎井、交通豎井、母線豎井、進廠交通洞、附屬交通洞、尾水支洞、岔管、尾水隧洞、尾水出口、地面控制樓、地面變電站等部位的三維模型，見圖13。基于該模型成果，在施工詳圖階段開展了2D工程圖紙的設計出圖工作。

圖13 引水發電系統建筑物結構模型

c)導流工程建模。基于三維地形地質模型，導流專業完成包括上游圍堰、下游圍堰、導流建筑物進出口開挖結構、導流洞洞身開挖及進水口結構土建模型正向設計(圖14)，相關成果應用于工程量統計計算以及輔助混凝土結構設計等。

a)總布置

d)機電專業建模。目前機電專業建模總體處于初步設計階段，其中：水力機械已基本完成輔助設備和油氣水系統管路的布置，電氣基本完成主要電氣設備、電纜橋架及電纜敷設的建模與布置，暖通已基本完成主要通風管路的布置，部分成果見圖15。

a)技術供水系統設備

e)金結專業建模。基于主電站及導流工程的模型成果，金結專業完成導流洞進水口疊梁門與封堵門埋件整體開槽布置及埋設大樣，電站進水口疊梁門、事故門結構及埋件開槽布置及埋設大樣等模型的正向設計建模，見圖16。

a)導流洞門體埋件整體開槽及一期埋件布置

4 BIM設計技術難點解決方案

4.1 3DE二維工程制圖

Dassault CATIA軟件已引進長江設計公司并應用十余年，目前更新至3DE2019x版本，但在實際工作中，二維工程制圖一直是設計師的使用痛點，主要原因是受制于制圖方法和制圖環境。3DE的制圖方法和工作流程與現有二維繪圖工作方式有較大的區別，且默認的制圖環境(標準)完全不適用于水利水電工程行業，使得設計人員常迂回采用“3DE建立三維模型并導出各類視圖”+“AutoCAD等傳統制圖軟件進行二維出圖”的方式完成出圖工作。此舉一定程度上可規避3DE的既有短板，但三維模型和二維元素之間的數據及邏輯交互鏈完全被打斷。一旦設計方案發生調整，二維圖紙中所有元素特征和相關的尺寸標注等均無法通過參數驅動而自動調整更新，設計人需要再次對三維模型進行導出后重復制圖操作。

為使3DE平臺能夠更好地滿足行業出圖要求，BIM技術研發小組對3DE的Drafting模塊開展二次開發，定制了工程制圖標準文件及模塊應用環境，包括圖紙幅面尺寸及圖框、字體、線型樣式、文本樣式、標注樣式以及預制的2D部件(包括常用標注部件以及材質庫等)。此外，為實現更便捷、高效的軟件交互操作體驗，還對Drafting模塊中的圖紙瀏覽(結構樹、瀏覽器)、工具欄優化集成、右鍵的多級菜單功能都進行了全面定制，最終Drafting模塊界面見圖17，實現了在保留模型的參數化制圖的便利性同時，全面適配傳統制圖軟件的性能優勢。

圖17 3DE深度定制后的Drafting模塊界面

以凱凱水電站尾水隧洞布置及開挖支護圖的施工詳圖繪制為例，本套圖紙實現了在3DE中平滑地完成從建模到出圖的整個過程，見圖18。當各隧洞間的布置方案、支護參數發生調整后，可調整模型數據并在二維圖紙中得到更新，所有的點線元素、尺寸標注值亦無需人工調整干預。

a)三維模型

4.2 水工結構三維配筋

作為水工建筑物設計的重要工作之一，施工詳圖階段的鋼筋圖設計通常需要占用大量的時間和精力，主要原因包括：①針對水工建筑物的規則部位，雖可利用手工進行二維制圖，但涉及的編號標注、關系管理、工程量統計等設計工作的效率偏低下，且修改調整極為不易；②水工建筑物更多部位是異形結構，體形復雜多變，不僅設計出圖難度大，且有限的結構剖面不能完全表達三維的結構和鋼筋。針對上述難點，長江設計公司研究開發了“水工結構三維可視化CAD系統”[14-17]，可開展完整的三維配筋設計及后處理制圖工作(圖19)。

圖19 配筋軟件主界面

本配筋軟件不僅可提供常規的面線配筋等，還能實現孔口加強筋、螺旋筋、角度配筋、自動配筋等多種靈活強大的布筋命令(圖20)，還能將所有的鋼筋參數信息(材料型號、直徑、長度等)及幾何布置信息(布筋面、鋼筋范圍等)完整地導入二維圖紙文件中，并進而實現鋼筋表、鋼筋材料統計表的自動生成和更新。

a)操作一

a)操作二

以凱凱水電站導流洞進水塔為例，由于其結構復雜，充分利用本配筋軟件優勢開展了基于三維模型的鋼筋圖設計(圖21)，不僅幫助設計者從瑣碎的制圖和工程量統計工作中解脫出來，更有效保證了設計成果質量。

a)導流洞進水塔三維配筋

5 結語

凱凱水電站工程作為長江設計公司重點推進三維協同設計的國際項目，項目部從2017年起就開始對BIM應用工作的全面鋪開進行研究和部署，通過每年開展BIM策劃書編制和BIM推進自查匯報等措施，將BIM任務逐層逐級落在實處，為本項目整體設計水準提高起到了極大的促進，也因此贏得了國內總包方和安哥拉業主的高度認可。

從Dassault CATIA V5過渡至3DExperience，三維平臺軟件和配套技術方案在不斷更新迭代，種種設計難點、痛點也在逐一被解決。與此同時，行業人士對BIM協同設計認識也在不斷深入——從“要我用”到“我要用”，從“臨時建孤立的專業內模型算工程量”到“關注其他專業接口需求，隨時做好協同邊界策劃”，從“建模和制圖分庭治之”到“設計成果全過程數據管理”等等，由此一系列觀念的轉變可以看到水利水電行業正朝著信息化、智能化的新高度不斷推進。