水工金屬結構BIM技術研究與應用

趙春龍，王正中，李 崗，鄒今春，翟 超，范 媛

(1.中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065;2.西北農林科技大學旱區寒區水工程安全研究中心，陜西 楊凌 712100）

水利水電工程金屬結構設備擔負著控制水位、宣泄洪水、保護機組安全運行等任務。這些設備作為工程后期主要運維對象,具有多樣性、活動性、復雜性、分散性等特點。同一工程參與主體較多,包含規劃、建設、設計、制造、監造、安裝等單位,工程中金屬結構設備設計、制造、采購、安裝、調試、運維等各階段的信息資源量大,工程參與主體之間存在“信息孤島”,信息化和數字化水平有待進一步提高。

近年來,BIM技術受到了業內人士的廣泛關注與研究[1-3］,從最早被應用于單一的建筑行業逐漸被推廣應用于水利水電、地上或地下軌道交通、航空機械電子等眾多專業領域。BIM技術主要為工程規劃、設計、施工、運維等階段提供全生命周期數字信息和三維模型,支持跨專業的數據共享和協同作業,其具有可視化、數字化、集約化等優點,可以減少設計和制造等階段的失誤,提高工程設備管理和生產效率[4-6］。基于此,BIM在水利水電工程金屬結構的應用逐年增多,通過該技術實現了設備三維建模、二維出圖以及三維有限元計算。相關設計人員利用其參數化建模功能實現了鋼閘門模型的工程分析和優化[7-8］,也有設計者在卷揚式啟閉機三維設計[9］、大型船閘金屬結構輔助設計[10］等方面進行了探索。但以上金屬結構設備BIM技術應用主要集中在單一設備的三維參數化建模和二維制圖,目前缺少BIM技術在金屬結構設備全過程管理的系統研究與應用。

本文針對水利水電工程中各類金屬結構設備,基于Catia協同設計平臺,從模型數據庫建設、數字化設計和移交、虛擬運維、設備信息跟蹤等方面結合實際工程項目進行了BIM的深化應用,并對水利水電工程金屬結構設備全生命周期管理進行了展望,以期為水利水電工程BIM技術研究與應用提供一定的借鑒。

1 金屬結構設備模型數據庫建設

1.1 三維模型資源庫管理

1.1.1 模板分級標準

水利水電工程中主要金屬結構設備包括鋼閘門、攔污柵、卷揚式及液壓式啟閉機、清污機、升船機、壓力鋼管等。根據金屬結構設備功能、施工設計出圖需求、標準化設計程度、模型裝配級別和圖紙拆分習慣將金屬結構專業模板劃分為四級,有助于模板庫管理和模塊化設計。一級至三級模板大多為裝配文檔形式；四級模板為零件文檔形式,為最底層模板,該模板集合了參數化設計和知識工程的內容。底層模板可被直接調用升級成更高級別模板,模板級別越低,其典型性、通用性、參數化及復用程度越高；高級別模板有助于各設計階段方案的快速生成。金屬結構專業模板分級標準見表1。

表1 金屬結構專業模板分級標準

1.1.2 資源庫的規劃

資源庫用于存貯和分類批量特征對象,提供相關信息的查詢和調用服務[11］。采用Catia設計平臺中目錄編輯器對所有模板進行管理以形成資源庫,按照上述模板分級標準建立資源庫目錄,分別將三維模型文件、參數表等和資源庫目錄鏈接。

Catia平臺中知識工程模板主要分為特征類模板和文檔類模板。特征類模板(UDF、超級副本)是零件模板的一種,將零件內部的某些幾何特征的創建結果或部分創建過程記錄下來,供調用該類模板時快速復制。文檔類模板是將某一零件或部件的整個設計過程記錄下來,以獨立的文件格式進行存儲,該模板的創建流程見圖1。

圖1 文檔類模板創建流程

零件模板可以通過全部或部分調用特征類模板來創建,即通過特征類模板的實例化操作創建零件模板的幾何特征。部分常用零件模板可依賴于已有骨架模板,先將骨架模板實例化,再進行實體創建和特征類模板實例化。

1.2 金屬結構設備模型數據庫

金屬結構設備中鋼閘門形式眾多,對閘門各構件進行分類,分析門葉及埋件的構造規律,將復雜的整體門葉結構層次化、模塊化、構件化,提煉出具有通用性的各級骨架模板、構件模板及其特征設計參數。在Catia平臺建立平面鋼閘門單節門葉三維參數化模型庫,基于知識工程融入設計者經驗,定制相應二維施工圖紙,通過系列化參數模板快速完成整套平面鋼閘門的設計工作。鋼閘門各級別模板建立步驟見圖2。

圖2 鋼閘門各級別模板建立步驟

啟閉機主要有固定式卷揚機、臺車式啟閉機、橋式啟閉機、單向或雙向門式啟閉機、液壓式啟閉機等。啟閉機主要包含起升、行走、回轉、液壓等機構,以及主體車架和門架結構,整體屬于非標產品設計,但其中很多系列化標準產品主要從外購件廠家直接采購,例如電動機、減速器、制動器等。不同品牌產品的樣本參數會存在一定差別,雖然這類零件庫可以從廠家直接獲得,但其通用性較差,不具備參數化驅動能力,因而不利于優化設計方案。根據不同品牌產品的安裝參數和外形參數建立產品參數化模板,形成參數化設計表和產品數據庫,通過對數據進行統一管理,更新產品參數時只需對設計表數據進行更新即可。啟閉機模板與鋼閘門模板建立思路相同,啟閉機各級別模板建立步驟見圖3。

圖3 啟閉機各級別模板建立步驟

2 金屬結構數字化設計

2.1 參數化建模

以平面鋼閘門參數化建模為例,閘門單節門葉是由鋼板組成的焊接件,其面板、邊梁、主梁、次梁、縱隔板的布置具有一定規律性,梁格布置中心線組成的軸網是單節門葉模型的骨架,見圖4。骨架文件中的參數集合包含閘門主要控制參數,通過修改參數可以快速改變閘門的結構布置和總體尺寸。通過調用單節門葉骨架和構件模板可以快速完成單節門葉建模,按照模板說明書輸入參考元素,調用模板目錄的相應條目。單節門葉建模完成后,即可與閘門附件進行裝配,再向上一級裝配成為專業總布置模型,從而依次完成二級和一級模板的構建。

圖4 平面鋼閘門骨架

2.2 金屬結構CAD/CAE一體化

水利水電金屬結構設備尤其是啟閉機各機構運行工況復雜,設計過程中需要考慮不同荷載組合下門機結構的靜力學、動力學以及抗傾覆穩定性[12-13］。CAD/CAE一體化技術可讓設計者進一步了解設備機構的真實運行狀態,利用三維模型設計已有的、基于實體零件建立的CAD模型進行后續有限元分析時,按照從CAD到CAE的模型參數轉換思路,對大多數鋼板焊接件進行高效快速建模和有限元網格劃分,將實體模型轉為曲面模型,可以大大減少計算機求解自由度所用的數據量,節省計算成本并提高計算效率。同時,CAD/CAE模型關聯可以實時為三維設計產品提供仿真環境,提高產品的安全性和可靠性。弧形閘門CAD/CAE一體化仿真見圖5。

圖5 弧形閘門CAD/CAE一體化仿真

2.3 金屬結構出圖工具開發

在應用國外軟件開發金屬結構出圖工具時,會出現出圖工具中部分功能無法完全滿足應用需要、不符合中國制圖標準、使用效率低等問題[14］。針對以上問題,重點對出圖工具中材料表統計、件號標注、中心線投影、焊縫標注參數輸入、視圖拼接、板件放樣等功能進行專業化定制和二次開發,材料表統計功能開發流程見圖6。

圖6 材料表統計功能開發流程

件號標注完成后更新材料表即可完成件號與材料表的自動對應,見圖7。

圖7 材料表自動生成

2.4 工程圖紙表達

由于BIM信息模型具有高度可視化和信息化的特點,隨著BIM技術的推廣應用,圖紙內容和表達方式不斷豐富,二維平面制圖標準已不能完全滿足三維出圖的要求,因此需要對金屬結構設備制定統一的三維圖紙表達標準和規范。在方案設計階段和招標設計階段對工程布置中設備空間占位及功能進行描述,由于這兩個階段金屬結構設備的圖紙信息量較少,表達方式多樣,對模型數據完整性和精細化程度的要求不一,因此采取模型空間三維標注(見圖8(a))和模型三視圖標注(見圖8(b))來實現。在施工階段通過圖紙表達可為設備制造和安裝提供直觀信息數據,在當下水電工程金屬結構設備自動化制造水平還不夠高的情況下,施工階段傳統二維工程圖紙依然是主要的表達方式(見圖8(c))。

圖8 不同階段圖紙表達方式

3 BIM技術深化應用

3.1 基于BIM技術的協同設計與碰撞檢查

在水利水電工程三維協同設計中,存在工程規模大、設計復雜、參與專業眾多的特點,需大量專業人員進行溝通配合。協同設計作為一項龐大的系統工程,除具備單獨設計功能外,還應具備信息共享管理功能。以VPM為數據管理平臺,項目立項后,對各專業人員分配節點權限和設計角色,在同一空間下同時展示各專業成果,從而能夠實時把握項目進度。通過BIM技術可使各專業三維設計共享同一關鍵控制圖元或參數,設計人員可以實時查看相關專業的設計情況,更加方便地引用或參考相關設計數據。以里底水電站工程為例,其溢流壩段金屬結構專業與其他專業協同設計成果見圖9,在協同設計中采用自頂向下的縱向關聯設計模式,即上游專業對控制元素進行發布,下游專業引用已發布元素進行設計,通過修改主要特征數據文件對專業間的模型數據實現單向式驅動。

圖9 里底水電站溢流壩段各專業協同設計

基于BIM技術的碰撞檢查可以非常直觀地將不同專業間不統一、沖突的位置顯示出來,對設計方案及時查漏補缺,減少各專業的反復協調工作并在工程前期降低錯誤出現概率,為工程質量提供有力保障。以犍為航電樞紐工程為例,該項目為河床式水電站,閘壩式擋水建筑物,(3)級船閘(單級)通航1000 t級船舶；壩頂設一臺泄水閘雙向門機,沿壩軸線共軌運行,大車運行距離約870 m,小車沿上下游運行距離約8 m；泄水閘共28孔,泄水閘雙向門機下游為泄水閘工作閘門啟閉機排架房,房頂部設計為景觀建筑。在金屬結構專業與建筑專業的協同設計過程中通過模型碰撞檢查發現,在下游極限運行狀態時,雙向門機小車機房與壩頂景觀建筑干涉,設計過程中及時調整了機房高度以進行避讓,其BIM模型碰撞檢查見圖10。

圖10 犍為航電樞紐工程BIM模型碰撞檢查

3.2 基于BIM技術的裝配及運動仿真

金屬結構設備在實際運行過程中具有多種運行狀態和使用工況,采用Catia DMU電子樣機可以對設備進行真實模擬和驗證。其中:運動仿真模塊能夠對設備機構自由度進行模擬,例如,閘門的啟閉操作、啟閉機的行走、回轉以及整個機構系統的聯動；裝配模塊可以對具有裝配體特征的設備實現虛擬裝配仿真,記錄裝配路徑和序列,清晰再現設備的整個裝配過程,并且能夠對設備分段分塊運輸提供依據,用于指導工廠制造和現場安裝設備。圖11展示了烏東德水電站18000 kN導流洞固定卷揚式啟閉機的設計虛擬和工廠實物裝配流程。

圖11 烏東德水電站18000 kN導流洞固定卷揚式啟閉機的虛擬制造仿真

3.3 基于BIM技術的虛擬運維仿真

人機工程學是一門多學科的交叉學科,研究的核心問題是不同作業中人、機器及環境三者間的協調,目的是指導工作器具、工作方式和工作環境的設計和改造,使作業效率、安全、健康、舒適等方面的程度得以提升。金屬結構設備同常規產品一樣都有人機交互特性,為方便運維人員操作使用、檢修維護設備,利用人機工程進行檢修通道引導、安全操作培訓和檢修維護提示(見圖12),設計方將上述人機工程仿真數據一并移交運營單位。此外,通過人機工程模擬可以對設計方案進行虛擬體驗和優化,使產品設計更符合實際需求。

圖12 人機工程及虛擬運維

3.4 基于BIM技術的設備信息跟蹤

基于BIM的金屬結構設備全過程跟蹤管理涵蓋從采購計劃、招標、制造、安裝到試運行階段的各項工作。將BIM模型以及設備跟蹤信息與流程管理相結合,可以實現數據的雙向深度融合,即根據設備跟蹤信息確定其在流程管理中所處的階段,再自動推送進行下一階段流程操作,為設備的流程化管理提供依據,也可以根據流程階段的要求對BIM模型信息不斷完善。

基于BIM技術的設備信息跟蹤管理以工程三維模型為信息載體,以數據信息對象編碼為紐帶,建立模型與動態信息之間的關聯關系。圖13為基于二維碼識別技術的金屬結構啟閉機設備信息跟蹤示意,通過對數據信息、組織結構或KKS編碼進行統一定義,構建數據全面、組織有序、服務于設備流程跟蹤管理的系統,為運維移交提供全過程信息的模型數據。

圖13 基于二維碼識別技術的啟閉機信息跟蹤示意

4 結語及展望

4.1 結語

基于主流三維協同設計平臺,開展了數字化設計、軟件二次開發和BIM技術的深化應用,運用知識工程將專業設計經驗和專家知識賦予參數化模型中,實現經驗積累和知識更新；采用數字化裝配技術在設計階段完成啟閉機和閘門的虛擬裝配；采用機構運動仿真有效減少了產品在制造工程中的裝配干涉和運行過程中的動態干涉；采用人機工程仿真實現了沉浸式虛擬產品體驗和虛擬運維,提高產品的人性化設計水平。

4.2 展 望

為解決產品全生命周期的應用和需求,水電工程金屬結構設備有必要建立一套全新的管理模式,形成水利水電工程金屬結構全生命周期管理平臺,提升金屬結構設備全過程管理能力和效率,并對水利水電工程安全運行提供智能化決策依據。具體分為以下4個研究方向:①結合三維專業協同設計集成CAD/CAE/CAM環境,完成對金屬結構設備的設計、分析、制造和資源管理,形成各類設備、相關裝配部件、產品的基礎信息資源庫。②基于三維在線可視化交互技術的金屬結構設備數據信息文檔交付平臺,支持設計數據、二維圖紙、三維模型、制造安裝過程等信息的在線查看瀏覽,同時建立參建各方在線溝通、技術交底、工期跟蹤等平臺。③探索基于物聯網技術的金屬結構移動設備管理模式,解決在制造生產、出廠檢驗、運輸安裝、調試運營等各階段中設備身份識別易混亂的問題。④基于在線監測系統和人機工程學虛擬運維系統的金屬結構設備運維安全決策平臺,支持工程各部位金屬結構設備的實時監測、虛擬操作培訓、運行操作警示和安全報警等,提升水利水電工程金屬結構設備優化管理、安全運行、巡視檢修方面的可視化、智能化水平,真正實現“無人值班、少人值守”。