BIM技術在水電工程機電設計中的研究與應用

朱 毅，孫立鵬，孫文彬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 610072)

0 前言

隨著 “數字中國”國家戰略的實施，水電水利工程建設行業以數字信息技術驅動工程智能化建設、電廠智慧化運維的條件已經日趨成熟。業內對數字化、信息化、智能化、智慧化的具體應用目標和實施路徑也日益明晰，發展方向更是隨著科技的進步及行業對其的認知加深在不斷的升級，持續的變化。從最初的BIM技術致力于傳統勘察設計技術的數字賦能逐漸向通過新工具、新手段、新技術孵化創造新業務、新設備、新應用、新項目轉變，逐漸呈現出了“業務數字化”和 “數字化業務”雙輪驅動、互補前進的態勢。其中水電水利工程機電專業因其在數字化、信息化、智能化、智慧化業務中所扮演的典型角色，BIM技術在工程機電領域全生命周期各階段均有著廣泛的應用。智慧電廠運維管控、機電安裝智能建造、智能新設備的選型使用、老舊電廠智能升級改造、設備管線標準工藝優化設計、信息模型輕量化交付交互、設備檢修及安裝虛擬仿真等，均是通過數字化、信息化技術的發展而新出現的機電專有典型業務。

本文以兩河口水電工程基于BIM技術的三維正向協同設計應用實踐作為切入點，重點闡述三維正向協同設計的基礎建設、流程優化和實踐總結，并對以數字化設計成果為源頭的工程全生命周期信息化應用進行了探索和思考，為未來BIM技術與水利水電工程專業設計的深度融合與應用提供參考[1]。

1 工程概況

兩河口水電工程為我國第三大水電能源基地雅礱江干流中游的控制性水庫電站工程，位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上，地下廠房內安裝6臺單機容量為500MW的水輪發電機組。兩河口工程實現了全面的三維正向協同設計，并在模型整體總裝輕量化交付、三維設計流程優化、模型成果質量的標準化、模型的深化設計應用、全要素的智能機電工程管控系統等領域進行了實踐應用和探索研究。

2 機電三維正向協同設計的特點

隨著水電站機電工程新技術、新工藝、新設備的不斷涌現，傳統的二維設計模式已經不能滿足現在及未來水電工程建設的要求[2]。三維正向協同設計首先是工程語言從二維圖紙向三維數字化表達的轉變，其次是計算機輔助繪圖向計算機輔助設計的質變，更重要的是數字化設計向智能化設計的發展[3]。三維正向協同設計不僅能在三維環境中表達工程全部的幾何外觀和設計構想，還能通過模型中載入的數據在整個設計過程進行持續的優化分析與方案對比，為工程建設的決策提供科學依據，降低實施風險[4-5]。同時，三維協同設計可以充分發揮BIM模型多專業協同的優勢，通過數據的共享、信息的流通，減少設計工作中人為誤差，避免錯漏碰缺，打造優化、深化、標準化的設計服務和各類信息化應用的基礎[6-9]。

2.1 正向設計的特點

兩河口水電工程的設計全過程均在三維環境中開展，設計過程的相關信息均通過模型承載和傳遞，主要體現在:

(1)設計意圖直接通過模型體現，模型的創建過程亦是設計的過程。

(2)在三維環境中進行性能指標計算復核及設計成果的校審檢查等。

(3)以模型為載體進行設計方案的技術交底及成果輕量化交付。

(4)模型不僅具有出圖所需的外觀幾何信息，還承載了設備及管線的相關主要技術參數信息。

(5)模型與圖紙具有聯動關系，圖紙是由模型直接剖切所得，保證圖模一致。

(6)材料表是由模型承載的不同信息通過分層過濾自動分類統計生成。

(7)模型及其所承載的信息具有可傳遞性，可直接或間接用于工程中多種BIM業務的應用而不需要重新建模。

圖1為兩河口水電工程主廠房、母線洞、主變洞三個地下洞室隱藏土建模型后機電多專業三維正向協同設計的總裝模型。

圖1 兩河口水電站三維正向設計部分機電模型

2.2 協同設計的特點

兩河口水電站機電工程協同設計包含水力機械、電氣一次、電氣二次、通信工程、金屬結構、暖通工程、給排水及輸變電工程八個專業，機電工程外的協同設計涉及廠房、壩工、建筑、結構、水道等其他專業以及各個設備供應廠商。

(1)專業內協同

兩河口水電工程機電專業內協同設計的重點是約束每一位設計人員均應在統一的標準建模環境和操作界面中開展三維協同正向設計工作，并且保證不同設計人員所建模型之間的接口格式和屬性一致，專業內提交的各個模型成果具有統一性和規范性[10]。

(2)專業外協同

由于不同的設計專業以及各個設備供應廠商采用的三維設計軟件均不相同，故需在專業內的協同成果基礎之上，將專業外協同的重點放在約定各相關方協同工作的方式、流程和模型數據格式上，通過協同設計并行工作的優勢，保證信息傳遞的及時性、有效性以及模型數據的通用性。

3 三維正向協同設計的流程及重難點

隨著BIM技術在水電水利工程中的應用和探索越來越深入，工程設計方對三維正向協同設計的理解和實施路徑也越來越清晰，行業內對大型水電水利工程機電三維正向協同設計的流程及方法也逐步形成了范式，達成了共識[11-15]。但通過兩河口水電工程的實踐，仍發現流程中有一些重難點值得被關注，所以筆者在本項目中提出了 “區域劃分、超前設計、迭代更新”的理念開展協同設計工作，取得了較好的成果和應用效果。

3.1 標準化設計環境配置及構件資源庫基礎建設

兩河口水電工程三維正向協同設計在項目可研階段初期就啟動了標準化設計建模環境的配置，及構件資源庫的建設等基礎類工作。本項工作的重要性首先是使參與設計的工程師都能在標準化的統一環境中開展三維正向協同設計工作，其不僅可得到一套統一的模型成果，為后續的模型整合、協同設計以及 “區域劃分”的模型界面接口屬性一致打下良好的基礎，還能夠有效提升項目成果的整體品質；其次是在項目前期設備未招標、參數不確定時為 “提前設計，迭代更新”提供條件，提高構件資源庫的復用率，從而有效提升項目設計工作的整體效率，節約人力成本。

(1)標準化環境的定制

BIM是工程物理特性與功能特性信息化、數字化的承載和可視化的表達，是傳統手繪制圖與CAD輔助設計的升級[16-18]。但目前市面上沒有針對水電水利工程的專有三維設計軟件，故需要在商業軟件中根據水電水利工程現行的標準規范進行定制的開發與完善，以實現所建立的項目三維模型在美觀、直觀的基礎上具有實際工程設計的指導意義，所載有的幾何信息與屬性信息滿足國家行業設計標準的要求，通過模型剖切或轉換視角所生成的2D圖紙滿足行業圖紙的交付要求[10]。本項目的機電工程三維正向協同設計工作選擇在Autodesk Revit平臺中開展，標準化環境的定制工作包含對專業系統功能分類、添加材質屬性、定義連接性、配置模型顏色、確定填充圖案、線形線寬、尺寸標注、字體字高、符號注釋、模型文件名稱、確定屬性信息種類等多達五十余個設置進行替換、修改或增補。

(2)專業構件資源庫的建設

在Autodesk Revit平臺進行BIM設計的實施過程中，專業庫中構件的數量和質量直接影響到模型成果及圖紙成果的品質，是實施BIM設計標準化的重要基礎工作[10]。在本項目標準化建模環境定制的同時，同步開展了構件資源庫的建設和資料儲備，為 “超前設計”打下基礎。專業構件資源庫的建設包含參數化構件和非參數化構件兩大類，其中參數化構件由外形驅動參數 (csv或txt)數據表控制[19]，此類構件雖然具有常用性、通用性、快捷性、簡便性等優點，但不適合大型的、復雜的機電設備，故大多用于彎頭、法蘭、橋架連接件、支吊架、閥門、IPB、共箱母線等約束條件較少的機電設備或通用管線構件模型中。非參數化構件雖然不能根據參數驅動，但因其具有不受制于約束條件數量影響的優點，故可創建出精細度較高的模型構件，多來源于以往項目的積累、設備供應商的提供和設計方有針對性的創建，特別適合大型的、復雜的機電設備，比如水輪發電機組、橋機、主變壓器及各類復雜的輔助設備等，如圖2所示。

圖2 專業構件資源庫部分成果

3.2 超前設計

根據以往水電工程機電專業設計的經驗，總結出水電工程與其他民建工程機電專業設計最大的不同就在于設計周期和實施過程。

其他工程建設領域大多都是在設計方提供完整的設計資料后方才開展施工，而水電工程涉及的專業眾多，土建開挖和澆筑周期較長，所以機電工程的設計、選型、招標、采購、出圖、施工是根據工程整體的建設情況分期實施，并互相緊密牽制。這就導致設計成果交付的時間大量集中在設備供應商的設計聯絡會確定最終技術參數之后，這讓本就處在整個工程設計鏈下游的機電專業很難獲取合理的設計周期，嚴重影響了三維正向協同設計工作的有效開展。鑒于此，在兩河口水電工程中首次提出了 “超前設計”的理念。其難點在于需要合理的根據工程建設進度編制科學的設計計劃，給三維設計留有足夠的實施周期，以及統一設計人員的認識，將三維設計的過程理解為設計本身，而將出圖過程僅理解為設計成果的表達，并非設計過程。其優勢在于可利用數字化設計軟件在三維環境中提前開展設計工作，將設計工作啟動的時間點前移，此過程中根據實際情況不斷地優化和調整設計方案，在方案最終確定后可短時間快速完成出圖任務，動態延長設計周期而非出圖周期。 “超前設計”可有效避免各類矛盾在施工高峰期疊加到設計環節，在提高人力資源使用計劃性的同時，還能通過持續地進行模型維護和階段性整體設計成果的可視化會商，提升業主對設計服務的體驗和參與度。

3.3 區域劃分

BIM行業內極力推行同步分布式交互的協同設計方式，即多個協作成員在同一時間、不同地點進行實時協同設計[6-9]。但在實踐過程中發現難度很大，原因是此種方式首先受制于項目是否有投入進行數據庫服務器等軟硬件的建設；其次受制于網絡環境和網絡安全；然后還對設計人員電腦終端的性能要求較高；更為重要的是運用此種協同方式要有明確統一的模型或數據結構層級、轉換格式；最后還要求每一位參與項目協同設計的人員理解統一的實施規則和具備一定的三維設計能力?？紤]各種因素、結合實際情況，本項目采用了異步分布式交互協同，即多個協作成員在不同時間、不同地點通過網絡文件管理、E-mail、分布式數據庫等手段進行協同設計。在實施過程中，逐漸的總結發現并提出了 “區域劃分”的理念，效果顯著，具有一定的推廣價值。

本項目將機電專業的設計范圍按系統功能和土建結構物理區域劃分為若干個協同實施分區，區域之間界面清晰，采用標準化的建模環境保證界面接口格式和屬性一致，每個區域內均可獨立完成各專業的協同設計工作，區域與區域之間的模型能夠便捷的進行總裝。區域劃分的原則可根據項目的特點由項目部組織各專業討論確定，劃分的區域個數可隨項目階段的不同而不斷的細化或適當調整。

如圖3(a)所示，首先將工程以土建結構物理區域劃分為安裝間、母線洞、第一副廠房、第二副廠房、主變室、主廠房等若干個協同設計實施區域，若在實施過程中發現某區域劃分范圍太大，還可繼續細分，例如將主廠房再細分為單機組段，如圖3(b)所示。其次在單個區域內具體開展多專業的協同設計，單個區域內的設計深度到達技施出圖深度后，固化本區域內的總裝模型，再返回各專業開展最后的出圖工作。采用 “區域劃分”的方式進行協同設計其難點在于前期對區域劃分的原則制定，需要多專業進行討論，界定責任范圍、明確每個區域的設計邊界。其優勢在于每個實施區域內的多專業協同設計進度互不影響，可有效避免混亂，例如安裝間區域的成果已達出圖深度，而母線洞區域仍處于方案設計階段，兩個區域之間互不影響；其次每個區域可進行快速的同坐標系總裝，隨時可展現工程整體面貌，讓參建各方清晰的了解工程設計進度和最新成果。

圖3 部分 “區域劃分”設計成果

3.4 迭代更新

傳統的CAD設計流程存在如下不足[19-20]:

(1)在開展施工圖設計之前，設計人員手中只有草圖，缺乏完整的設計資料或者因設備招標采購未完成而缺少設備最終的技術參數，所以在繪制最終技施圖紙時往往需要重新繪制，草圖則被作為輔助參考，故草圖的工作價值被折損。

(2)在設計過程中的草圖因受制于設備廠家供圖時間或相關上游專業出圖時間等因素，不能一次性準確傳遞到最終的施工設計中，以至于后期現場實際施工時更改頻繁，造成工期的延誤和成本的增加。

(3)在開展工程各專業協同設計的過程中，由于CAD圖紙均為局部的、零散的單專業成果，沒有一個完整的綜合性設計方案供設計人員在出圖前進行內部碰撞檢查和進一步優化設計。

(4)業主在最終的施工圖紙交付現場之前無法了解工程機電整體性設計方案，以至于在圖紙交付現場或施工完成后又提出諸多的優化建議，導致機電設計及安裝工程多次返工。

(5)各項目、各專業的二維產品及資料難以流通和傳承，導致許多工程的設計資產價值隨時間衰減嚴重或直接遺失。

水電工程的設計是隨著外部數據的輸入而不斷加深的，行業內三維正向協同設計主推的全生命周期應用理念最重要的體現就是做到 “一套模型、一個工程”，保證模型隨著工程的進展不斷細化加深，同時模型所承載的數據也具有延續性。通過兩河口水電工程三維正向協同設計的工作經驗總結，結合水電工程的建設習慣和現場實際反饋，筆者對三維正向協同設計的流程進行了適應性改良和優化，結合 “超前設計、區域劃分”提出了 “迭代更新”的方法。

優化后的設計流程為:機電設備及管線選型計算→各專業在三維環境中利用構件資源庫開展初步設計→向其他專業提供三維設計初步方案→機電設備招標設計→復核機電設備及管線選型計算→向其他專業提資→根據劃分的區域和設備資料的獲取情況持續優化初步設計方案中的模型 (迭代更新)→區域協同成果三維環境中聯合會審→優化設計方案或實施其他深化設計應用 (根據需要)→固化模型→完成技施出圖→基于模型的各類信息化應用 (根據需要)。

圖4為兩河口水電工程機電專業通過三維正向協同設計的方式提交工程現場的技施圖紙。

圖4 兩河口三維正向協同設計部分機電技施圖紙

雖然優化后的設計流程比傳統的設計流程多了迭代更新、模型校審、優化設計等過程，但從實施效果來看，采用積累的構件資源庫在三維環境中開展初步設計能夠節省大量的時間和人力，加之將設計工作啟動的時間點前移，拉長了設計服務周期，有效的避免了各類矛盾在施工高峰期疊加到設計環節，留出更多的時間和人力投入到提高設計品質的工作中，很大程度地緩解了人力 “洪峰”，同時還提高了成果質量。

通過實踐，在兩河口水電工程三維正向協同設計中將 “迭代更新”分為 “大迭代”和 “小迭代”。“小迭代”是根據區域劃分的結果，根據設計進度、施工進度、設計資源獲取的情況，各相關專業在單個單元區域內的迭代更新過程?！按蟮眲t是根據工程的重要節點，將各個單元區域的 “小迭代”成果進行總體裝配，再通過參建各方的聯合會審得到工程階段性整體模型最新成果的過程。通過 “大迭代”和 “小迭代”的交替實施，能夠很好的將 “一套模型、一個工程”的全生命周期BIM技術應用理念落在實處。

4 總結

隨著BIM技術在我國工程建設領域的應用不斷深入和普及，國內對BIM技術的認知已逐漸從簡單的三維設計演變到了利用模型解決各種工程具體的問題，把關注點放在了提高項目全生命周期設計、建設、運維的各種信息化應用技術中[21-25]，而三維正向協同設計正是BIM技術各種應用價值體現的基礎。

以工程勘察設計工作的維度來看，傳統CAD時代的設計成果是零散的、不連貫的、信息共享不暢的，而BIM技術的出現則給設計方案的整體呈現、深化設計和其他價值挖掘創造了良好的條件。兩河口水電工程在三維正向協同設計總裝模型上對機電設備及綜合管線標準工藝優化設計、電纜及橋架二次優化設計、模型輕量化交付、可視化設計交底會商、智能碰撞檢測、材料量統計和成本測算等方面均進行了應用實踐，同時也在全過程質量監督管控、工程進度三維可視化實時展示與預警分析、關鍵機電設備狀態跟蹤等信息化管控方面進行了探索和研究，并對工程竣工后的智能電站建設提出了規劃[26-28]，如圖5所示。

圖5 兩河口機電設備及綜合管線標準工藝優化設計部分成果

筆者從兩河口水電工程三維正向協同設計的實踐應用中總結得出了 “數字化設計→信息化賦能→智能化應用→智慧化服務”的水電水利工程BIM技術應用發展的推薦技術路線，可供參考。

(1)數字化設計:打造標準化的三維設計環境、創建或積累構件資源庫，編制三維正向協同設計各要點的實施標準，規范生產過程、提升設計的成果價值和品質，為數據的可視化應用創造優質的模型載體。

(2)信息化賦能:通過采集工程參建各方的各類海量信息，實現數據的聚合、清洗、梳理、分類，通過對應的模型進行承載和體現，并完成模型的總裝與再拆分與再重組，盡可能的提升數據的有效價值。

(3)智能化應用:以模型為載體將匯聚的數據進行關聯分析解決具體的工程應用問題，釋放模型和數據價值。

(4)智慧化服務:總結提煉數據智能化應用的結果，逐步形成為 “知識庫”，結合相關的衍生算法為工程提供更優質、更科學、更精準的諸如智能輔助決策、機電設備健康預警預判、系統故障專家診斷等各類定制化的智慧服務。

BIM技術是改變工程設計、建造、運維方式的生產力提升，是各類與之相關生產方式的升級，是生產關系的變革，是一種工程建造理念的重要轉變。其核心價值是通過三維模型、工程各類數據以及可交互的應用平臺實現工程知識資源的共享共用[29-32]，通過參建各方對模型的應用和對其中數據的添加、更新、清洗、分類、提取、應用，解決各自生產成本的最大化減小，從而實現項目整體利益的最大化。從設計源頭開始實施基于BIM技術的三維正向協同設計，實現設計工程師在三維環境中的設計方案交底，不僅能夠有效地提升工程參建各方的設計參與感與體驗感，還能夠開展基于模型為基礎的機電安裝工程全要素智能化建管服務，通過不斷地融入設計、施工、監理、監造、設備物質管控、合同管理、質量驗評等各類數據，使之成為一個具有生命力、可視化的集成數據與應用分析中心[1]。實現水電水利工程機電專業各業務的數據并聯與智能化創新應用，深度充分挖掘工程數據價值[33-37]，最終實現各要素數據在參建各關聯方橫向的傳遞與工程建設周期縱向的階段性時序傳遞，將“網狀結構大數據”結合具體應用場景的問題分析、問題預警等智能化創新應用和科學輔助決策價值充分體現在實處。圖6(a)為兩河口水電工程整體設計方案的輕量化成果交互界面以及在此基礎之上自主研發的水電工程智能機電工程管控系統的主界面，如圖6(b)所示。

圖6 機電模型輕量化交付及智能建設管控系統

BIM技術在我國水電水利工程的應用方興未艾，因其涉及到工程設計、管理、政策、法律法規、標準規范、建造方式、新設備的應用、建造模式、人才培養等各個領域，不可能一蹴而就，需要行業內各參與方理念的統一和共同的努力。本文以兩河口水電工程的三維正向協同設計作為切入點，過程中總結了相關重、難點，提出了 “區域劃分、超前設計、迭代更新”的方法，可供其他類似工程借鑒參考。BIM技術作為未來工程建設領域的主要技術方法，隨著科學技術的不斷進步，行業認知的不斷深入和統一，必將得到更為廣泛的應用，前景廣闊。