碾盤山水利水電樞紐工程BIM設計與應用

解凌飛，李 德，楊 麗，鄭慧娟，陳 雷

（1.湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 430064；2.湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070；3.湖北省水利水電科技推廣中心，武漢 430070）

0 引 言

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程位于湖北省荊門市的鐘祥市境內，上距丹江口水利樞紐壩址261 km，下距鐘祥市區10 km。該工程是國務院批復的《長江流域綜合規劃》中推薦的漢江梯級開發方案中的重要組成部分，也是國務院確定的172 項節水供水重大水利工程之一。工程的開發任務為以發電、航運為主，兼顧灌溉、供水，為南水北調中線引江濟漢工程良性運行創造條件。樞紐為Ⅱ等大（2）型工程，航道標準為Ⅲ級，船閘設計標準1 000 t級。壩址控制流域面積14.03 萬km2，平均流量為1 550 m3/s，電站裝機180 MW。樞紐從左至右依次布置左岸連接土壩、泄水閘、電站廠房、混凝土連接壩（含魚道）、船閘及右岸混凝土連接壩，軸線總長1 200.0 m［1］。

本工程設計主要存在以下難點：①工程規模大，結構型式復雜多樣，設備種類繁多，質量要求高、工期控制嚴。②工程功能復雜，協作方多，管理協調難度大。③項目作業交叉面廣，工序穿插復雜，設計流程與專業協調繁雜多變。

為解決上述難點，項目組從可研階段就開始采用BIM 技術開展全專業三維協同設計［2］，挖掘BIM 技術的創新應用價值［3］，探索BIM 技術與其他新技術的融合［4］，為本工程的BIM 技術應用提供了合理的方案，促進BIM 技術在水利水電行業的應用推廣。

1 BIM設計流程及應用標準

1.1 BIM設計流程

項目以歐特克BIM 系列三維設計軟件為主，輔以相關專業軟件及自主開發軟件，在Vault 數據管理平臺下通過協同設計、碰撞檢測、數值仿真、施工模擬、二次開發實現了多專業基于同一BIM 模型的三維協同設計流程（圖1）。在Civil 3D 中實現三維地質建模，以及邊坡、渠道、土石壩、堤防、道路等設計；在Inventor 中進行水工、水機、電氣、金結等復雜模型、設備和造型設計；在Revit 中進行建筑、結構和管路（暖通、給排水）的設計；在Navisworks 中進行模型整合、瀏覽、校審、碰撞檢測、施工模擬、動畫制作；在Infraworks（AIW）中進行早期規劃設計、方案比選、大場景模型可視化。

圖1 項目BIM設計流程圖

測繪、地質、水工、水機、電氣、金結、建筑、施工等專業的協同設計主要通過數據傳遞和軸網定位約束。水工專業按項目單位工程的相對位置關系建立項目整體軸網定位文件，并將其鏈接到Revit 中生成中心文件，再將生成的中心文件放置在Vault 協同管理平臺中。各專業將中心文件副本下載到本地生成本地文件并進行結構設計、設備及管線布置。本地文件與中心文件同步后，設計人員可以實時看到其他專業進度（圖2），在設計過程中最大程度地避免錯、漏、碰等問題，從而達到整體的協同，大幅提高了工作效率［5］。

圖2 碾盤山電站廠房協同設計完成效果

1.2 BIM應用標準

為推進BIM 技術的發展，規范及流程化各設計階段中的BIM應用行為，提高BIM模型應用的效率和效益，根據已發布的國家［6-8］、行業、地方BIM 標準，結合工程需求，制定了碾盤山水利水電樞紐工程項目級BIM 應用標準。主要包括模型創建和管理規定、BIM 設計資源建設、BIM 協同設計、BIM 應用流程、BIM模型審核及交付等內容。

該項目級BIM 應用標準不僅描述和約定了項目BIM 成果交付的要求，而且描述和約定了達成這些成果所必須的過程要求。這些過程要求包括了各專業自身工作的內容要求和深度，相互之間協調配合的工作內容要求，針對各專業間的信息交換和專業上下序BIM 應用的設計流程，同時也包含了針對這些過程要求的檢查，從而保證了所有BIM 數據的統一規范，推動企業BIM應用向標準化方向發展［9-11］。

2 BIM技術綜合應用

2.1 BIM設計及出圖

廠房和船閘等復雜模型難以全面參數化，采取的建模方式是控制整體外形尺寸，采用自底向上、孔洞挖除的建模方式。而對擋土墻、泄水閘、設備、管路等結構相對簡單、適用范圍廣、變化有規律的模型，可運用參數化草圖、族庫、部件庫等進行參數化模板設計［12］，通過模板參數對結構進行快速修改并在類似工程中重復應用，大幅減少重復建模所花費的時間，便于多方案快速比選（圖3）。對碾盤山工程常用建筑結構和設備的尺寸、型號、材質、插入點、可見性、連接件等進行參數化族定制，實現了快速設計、布置和修改。目前各專業已搭建了擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、通航建筑物和廠房等五個類目的模板庫，并成功運用到了多個工程中。

圖3 碾盤山水利水電站樞紐工程方案比選

根據定制好的出圖模板剖切BIM 模型，生成具有邏輯關聯二維圖（圖4），并附三維軸側圖，使傳統的二維圖紙表達更加清晰明了。BIM 模型修改后二維圖也實時更新，有效提高了設計效率和質量。

圖4 碾盤山泄水閘剖面圖

2.2 碰撞檢查

電站廠房內油、氣、水、電等線路縱橫交錯，專業涵蓋多，施工單位交叉作業密集，這大大增加了機電管線設計的復雜性。利用BIM 軟件平臺的碰撞檢測功能，實現了建筑與結構、結構與暖通、機電安裝以及設備等不同專業圖紙之間的碰撞，同時加快了各專業管理人員對圖紙問題的解決效率。

項目在Revit 中完成數據整合之后導入Navisworks，并利用Clash Detective功能進行碰撞檢查，進一步確認專業模型間有無碰撞，并及時在設計階段對碰撞點討論解決。設計過程中發現電氣橋架與水工結構相碰撞（圖5），發現問題后電氣設計師與水工專業及時聯系，經過討論，電氣專業將橋架高度下調，碰撞得到解決。碰撞檢查功能還可對最小間隙和凈空尺寸進行檢查，碰撞結果可生成檢測報告。通過檢測結果快速找出碰撞部位，相關專業點擊碰撞部位后可返回設計軟件中進行修改更新。

圖5 碰撞檢查協同修改

2.3 金結設備運行模擬

傳統設計中，金屬結構設備的運行過程軌跡很難表達，啟閉設備及金屬結構件的運行過程與土建及管線等有無碰撞或干涉難以有效反映。BIM 設計中，可以通過軟件對金屬結構設備的運行進行模擬演示，能直觀、有效的檢查碰撞問題（圖6）。另外，部分復雜閘門的聯合調度也難以通過傳統手段清晰表達，而BIM 模擬演示動畫可以完整的表現出各類設備之間的配合運行，從而為管理單位的運行調度提供指導。

圖6 設備的運行進行模擬圖

2.4 仿真計算分析

在碾盤山水電站工程的結構設計過程中，水工專業需要對結構進行穩定計算和結構應力計算。由于水工建筑物體積較大，形狀不規則，且與地基相互作用，傳統的結構力學方法需要進行一些假定和簡化，計算過程人工干預較多、十分復雜，計算結果與結構實際受力存在較大的差異，要對結構進行優化設計十分困難。而以建好的BIM 模型為基礎，采用有限元數值分析方法進行結構分析已經成為解決此類的普遍方法，可以使三維設計過程更為精確和高效。

本工程電站廠房結構復雜，在可研和初設階段實現了BIM模型與ANSYS有限元軟件的無縫對接［13］，完成了結構和溫控方案有限元計算仿真分析（圖7），數值計算的成果歸納整理后用于三維配筋設計，實現了水利水電設計中三維模型設計、三維數值分析、三維配筋設計環節的高度集成和有機結合，在確保設計質量的基礎上，顯著提高了生產效率。

圖7 廠房有限元計算結果

在三維協同設計的過程中，還對廠房流道和魚道水力學性能、泄水閘泄洪過程、廠房上部建筑通風進行了流體力學仿真計算，快速的實現了優化設計（圖8）。將廠房上部建筑模型導入Pathfinder中進行緊急疏散仿真模擬，準確地得到了建筑內部人員的疏散全過程，為緊急情況下建筑內的人員疏散提供了參考（圖9）。

圖8 結構流體力學仿真計算分析

圖9 發電廠房緊急疏散仿真模擬

2.5 4D施工模擬

施工總進度是整個項目在時間上的布置，為業主的資金籌措、施工單位的材料準備以及設計單位的供圖計劃提供重要依據。需綜合考慮防洪度汛、物資供應、特殊季節施工等各個因素。以Excel 文件為媒介，可將P6 平臺與Navisworks 進行聯動，在P6 平臺上進行施工進度編排及后續調整時，可直接聯動到Navisworks 的Timeliner 控件，進行施工進度4D 施工模擬的生成與即時調整（圖10），并將構成工程實體的建筑物與對應的人、材、機等進行聯動，可以協助進行資源消耗量分析，為資源配置計劃提供依據。

圖10 4D施工總進度模擬

Navisworks 中通過BIM 三維模型和進度控制技術的信息錄入，還可以自行統計匯總，實現快速精確的成本核算、預算工程量動態查詢與統計、限額領料與進度款支付自動管理等功能，從而達到以施工預算控制人力資源和物資消耗、造價信息實時跟蹤等目的。

2.6 三維技術交底

對項目造型復雜，結構部位通過二維圖紙難以表現的部位，通過三維圖片或者三維動畫進行交底，使復雜的結構清楚、直觀地呈現出來，能有效避免設計、施工過程中的質量問題。

以碾盤山水電站項目圍堰土工膜結構為例，其縱向圍堰的土工膜為豎向布置，橫向圍堰的土工膜按1∶3的坡度斜向布置，在橫向圍堰與縱向圍堰銜接部位的結構連接很難用二維平面圖紙表達，為施工現場技術交底帶來一定障礙。通過BIM 模型（圖11），在項目施工現場向項目部、施工單位展開設計交底，改變了傳統的二維設計圖紙交底模式，增強了施工團隊對設計的理解和認識，同時為施工單位土工布下料的尺寸和形狀提供數據支撐。

圖11 橫向圍堰與縱向圍堰連接施工圖

3 BIM技術拓展應用

3.1 無人機正直攝影測量技術與BIM技術結合

無人機平臺搭載不同遙感設備可進行不同類型的攝影測量作業，主要有正直攝影測量、傾斜攝影測量和三維激光掃描測量等。碾盤山項目采用一架成都縱橫大鵬系列CW-10C 固定翼無人機搭配Sony-A7RⅡ數碼相機進行了正直攝影測量作業，航測成圖比例尺1∶1 000，地面分辨率0.08 m，航向重疊度70%，旁向重疊度65%，拍照間距127 m，相對航高620 m，航線間距222.7 m。通過兩個架次的飛行完成外業航攝，均勻布測17 個像控點，共計拍攝像片519 張，航攝數據通過內業空三加密生成了三維立體模型，最后按1∶1 000 比例尺生產了測區數字正射影像，如圖12（c）。

通過無人機獲取的施工現場正射影像，不僅帶有坐標信息，還帶有高程信息，結合BIM 模型對項目進行了動態平面布置、場地轉換模擬，輔助規劃場平布置，并實時有效地核驗現場施工進度、建筑物放樣位置、關鍵部位高程等關鍵信息，為施工現場動態管理和有效監督提供了幫助（圖12）。

圖12 正直攝影測量技術與BIM技術結合

3.2 基于Dynamo可視化編程平臺的二次開發研究

碾盤山泄水閘采用樁基基礎，樁基平面布置和長短隨著地層結構的變化而變化，樁的根數和總長不易統計。項目組采用Dynamo可視化編程平臺在Revit中實現了泄水閘樁體的快速布置（圖13）。利用自適應樁的自適應點實現了樁端與開挖基礎面、持力層面的自動對齊，樁體頂部延伸長度、底部延伸長度、樁徑和材質等均進行參數化設置。一次批量生成全部基礎樁，調整參數實時改變全部樁的特性，自動統計樁體工程量，顯著提高了設計效率。編制完成的Dynamo 群樁建模程序也可應用于其他工程項目中，通過調整樁基參數實時更改模型，從而避免機械式的重復勞動，達到高效準確的目的。

圖13 泄水閘樁基礎帶閘室渲染

基于Dynamo 可視化編程平臺還開發了混凝土結構三維快速配筋工具，通過調用結構模型，輸入配筋參數便可快速自動地創建出三維鋼筋（圖14），還可方便的進行鋼筋量統計、出二維鋼筋圖，極大地提高了配筋效率。尤其對于水工鋼筋圖在校審后經常會進行結構調整和鋼筋調整的狀況，能快速修改，不易出現因人為因素導致的錯誤，減少了設校審人員的工作量，提高了配筋設計效率。此外，采用三維配筋手段可視化程度高，對于畫鋼筋圖的新手和對結構認識不太深刻的人員，三維配筋能幫助他們更快的熟悉結構，提高出圖效率。

圖14 碾盤山泄水閘閘底板配筋

3.3 WEB端BIM+GIS管理平臺

為了整合碾盤山設計階段所產生的各類BIM 設計數據和成果，為設計匯報、信息查詢、設計交底和工程管理等提供便利，項目組在BIM+GIS 應用的基礎上開發了交互式的WEB 端管理平臺［14-18］（圖15）。平臺采用B/S體系典型的三層架構實現WEB 應用，便于引入開源組件和技術框架。前端結合Skyline TerraExplorer Pro 二次開發，采用Layui 框架，實現頁面布局、UI設計和前后端交互；后端以開源ThinkPHP 6.0 框架為基礎，以嚴密的MVC分層結構，實現代碼的層次化、可復用和高擴展性；數據庫層采用Skyline GIS 平臺和PostGIS 地理信息數據庫相結合，兼有GIS平臺和關系型數據庫兩者的優點。

圖15 碾盤山WEB端BIM+GIS管理平臺

WEB 端BIM+GIS 管理平臺主要功能模塊有：BIM+GIS 場景模塊，負責項目的動態演示、數據分析、查詢、量算、場景導航等；項目規劃管理模塊，負責對項目相關數據的管理和集中展示；項目設計管理模塊，負責對項目設計過程中涉及的BIM 模型、文檔、圖紙及其他數據的管理和集中展示；視頻動畫管理，負責對其他模塊中涉及的視頻資料、演示動畫、可視化成果的管理和集中展示。該平臺為BIM 設計和工程管理提供工程信息、BIM 模型信息、三維GIS信息、三維可視化等數據信息服務，提高了工程的設計、建設和管理水平，可為水利水電工程BIM+GIS技術拓展應用提供借鑒。

4 結 語

（1）在碾盤山水利水電樞紐設計過程中，項目組進行了技術方案比選、專業協同設計、參數化建模、碰撞檢測、仿真模擬、三維技術交底、BIM+GIS、拓展開發等多方面的BIM 技術綜合應用。在BIM 技術的助力下，各專業高質高效地完成了設計工作，工程年內即將發電，產生了明顯的社會效益和經濟效益。

（2）目前，工程正基于BIM+GIS 技術開展數字孿生建設，實現運維階段防洪興利智能預報調度、工程安全智能分析預警、生產運營智慧綜合管理、庫區智慧巡查監管、綜合決策支持、視頻會商等業務應用。