基于BIM技術的閘站工程三維設計應用研究

李 壤,黃錦鵬,胡緒寶,陳蔚華,張周文

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 中山 528400)

時任美國Autodesk公司副總裁菲利普·伯恩斯坦于2002年提出BIM一詞,原意是指建筑信息模型,隨著各行各業不斷的推進,其內涵越來越豐富,至今包含了工程信息化過程及信息化管理,而且還在不斷與數字化技術結合,如BIM與GIS、IOT、AR、VR、MR、5G、機器學習、視覺計算、人工智能、大數據及互聯網等[1-2]。

目前,在工程行業BIM已經衍生為以三維數字技術為基礎,運用BIM軟件集成工程項目中各類相關信息,構成一個工程信息數據模型,一個完善的信息模型把工程項目全生命周期不同階段的數據、過程和資源連接于一處,對建設工程進行完整描述的綜合技術,利用BIM模型可進行工程規劃、勘察、測量、設計、建造、運營及拆除,實現動態、集成、可視化的全過程全周期管理,賦能建設項目各參與方[3]。

現代水利水電工程設計理念在不斷迭代更新進步,向資源、景觀、生態、環境水利概念看齊[4],結構形式多變,涉及專業眾多,后期運維管理日趨智能,從設計、施工、到后期運維全階段,傳統建設理念和方法都已面臨更大挑戰,需要更高層級設計思維和措施[5]。BIM技術為工程建設帶來信息化、數字化、工業化、智慧化等優勢[6]。針對閘站工程結構形式復雜,異形構件眾多、計算分析要求高等因素,運用二維設計方法不能全方位囊括,因此,運用BIM技術完成工程中特殊異形構件建模合模用模,各專業同步在一個BIM云平臺上溝通協調,降低獨立或交叉作業錯誤率[7]。但BIM技術在閘站工程上的應用和研究還處于起步階段,遠不及工業與民用建筑工程,因其結構復雜和功能特殊性決定了對BIM技術應用需求和建筑方向迥然不同[8]。

利用BIM思維進行設計,不僅可以提高設計成果可靠性、安全性及準確性,尤其是在設計階段,可邊設計邊校核讓設計師更注重構筑物性能,提高建筑物設計品質[9-10]。三維渲染能全面展示設計和施工環境,幫助設計、施工、業主及監理人員更好地理解設計意圖,使各方人員對工程設計意圖的理解達到同一層次,減少理解偏差帶來的信息失真[11]。根據設計內容全面逼真地展示出大型閘站工程復雜結構及大型設備等空間布置情況,對關鍵線路、工序和復雜節點實現驗證和優化[12-13]。本文從實際工程出發,結合BIM各類軟件特點及優勢,對BIM技術應用于閘站工程的可行性及優越性,進行了參數化建模、計算分析、出圖出量、方案匯報、施工模擬等研究[14-15]。

1 項目概況

中山市橫欄鎮九頃泵站二期位于中順大圍橫欄堤段,樁號西37+612處,距離拱北水閘約800 m,工程位于寶裕涌出口,屬中順大圍外排泵站。對九頃船閘上閘首拆除并重建,下閘首的排架及啟閉機在進行改造和更換,對船閘閘室底板進行灌漿加固處理。設計流量為76.5 m3/s,裝機容量為4 020 kW,其中橫欄鎮九頃泵站二期工程設計流量為45 m3/s,裝機容量為2 520 kW。

前期準備工作包括以下內容。

a)BIM協同環境。本項目基于云平臺搭建BIM協同設計管理平臺,建立模型文件及管理文件多層級多層次結構,實現信息與資源共享,大幅提升牽涉各方溝通效率。資料共享、實現多方多地協同、實現設計環境托管與配置。

b)BIM設計模板。為充分發揮BIM設計優越性,協作各專業需統一BIM設計標準,預先編制項目樣板。在BIM設計思維中,面向對象是極其重要的理念。因此,針對每一個樁基、底板、墩墻、擋墻的典型斷面,皆應有信息定義。設計階段斷面輪廓的信息定義,通常至少應包含該類構件位置及材料信息,以滿足后續工程量輸出以及各類信息表達生成。除上述信息定義之外,該設計模板中還應包含符合要求的標注符號樣式、標準規范圖框及本項目定制的其他標準化內容等。

2 BIM技術應用

2.1 建立幾何模型

本次建立施工圖階段BIM模型,其包含地形、水工、金屬結構、建筑結構、給排水、電氣、設備、園林等8個專業模型。此外,交通橋板、道路及河流用樓板、地形子面域命令建模。BIM模型見圖1,共有10個建筑物(泵房、船庫、船閘上下閘首、防洪閘、清污橋、攔污橋、值班室、樁基、擋墻)。該模型Revit項目文件以默認原點作為項目基點,便于各專業模型合模,鏈接模型的方式減少合模模型大小,便于模型打開查看傳遞。模型按照圖紙及相關資料搭建,結構與真實尺寸保持一致。

a)地形(含道路、河流)

b)泵房上部建筑

c)防洪閘上部建筑

d)泵房下部結構

e)防洪閘下部結構

f)船閘上閘首上部建筑

g)機電(給排水+金結)

h)結構擋墻

2.2 綁定非幾何信息參數

BIM設計不單純是創建三維模型,其重點是模型中的信息。模型信息分為幾何信息和非幾何信息。幾何信息是存在模型中的實體,可以直接看到和編輯,如結構墻、柱、梁、板、基礎等構件;非幾何信息是賦予這些構件的參數,如構件名稱、材質、混凝土等級、尺寸、注釋、采購時間、供應商、聯系人、聯系電話、價格及使用壽命信息等。BIM的非幾何信息對于施工、運維至關重要,因此,在模型創建過程中工程師們就需要將非幾何信息按需求賦予構件。

如項目中把結構材質、混凝土等級等信息綁定對應的幾何構件中,實現數模綁定,后期隨著模型流轉,可以在任何能打開模型的端口查看。模型信息賦值見圖2。

a)綁定信息(墻、柱、墩臺)

b)綁定信息(底板、墩墻)

c)綁定信息(樓板、樓梯、梁)

2.3 導入計算軟件分析

基于Revit模型計算分析,創建BIM模型是第一步,Revit模型創建應該遵循計算分析軟件對接要求,進行模型準備。在Revit中創建只包含構件尺寸等基本信息的結構專業初期模型,并利用程序間的模型數據轉換接口將Revit模型導入到結構分析計算軟件中,如用CFD進行泄流水力學分析,Mida進行水工結構力學有限元計算分析,將計算調整完成后的模型數據信息用于Revit模型修改,對模型附加更多信息,然后在Navisworks軟件中將所有專業的模型合并,進行專業綜合協調。最后在Revit中調整模型,并利用剖切方式導出結構平法圖紙。模型計算分析見圖3。

a)BIM模型導入CFD

b)BIM模型導入Midas

2.4 主要參考工程量統計

Revit明細表統計功能,快速計算出BIM模型主要構件參考工程量,參考工程量統計數據整理后供相關部門做工程量概預算參考。通過計算出參考工程量,對整個項目資源做協調管理。設計階段可提高算量預算提資和項目工程量準確度。施工階段工程量實時計算,控制工程中物料采購,勞動力配合,使施工資源達到最優利用,從而加快施工進度。運維階段工程量可以直接用于物資管理、設備記錄巡查、檢查維修派單等需求,工程量統計見圖4。

a)門、結構柱、欄桿扶手統計工程量

2.5 碰撞檢查

碰撞檢查是基于建立好的模型,應用BIM軟件合并各專業模型,進行檢查碰撞沖突問題的發現、記錄,完成設計圖紙范圍內各種結構、給排水、電氣、機械等平面和豎向高程相協調的三維協同工作,以避免空間沖突,盡可能減少碰撞,優化專項方案,提升日后使用價值,避免產生工期延誤、返工等問題。碰撞檢查見圖5。

a)底板結構與金結沖突碰撞

b)墩墻結構與給排水管道碰撞

2.6 渲染圖片及視頻

基于搭建完成的各專業BIM模型,通過Enscape插件型渲染工具,在Revit軟件中直接渲染。其出眾之處在于其運行速度快,對電腦配置要求相對較低,與主體模型可以進行實時渲染同步,操作簡便,即能進行項目溝通交流定稿,又能配合進行企業宣傳。渲染圖片及視頻見圖6。

a)渲染圖

b)渲染視頻

2.7 施工模擬

可通過Fuzor軟件模擬一些復雜施工內容。其操作相對簡潔,同時能夠與Revit建模軟件實現雙向聯動。不同施工模擬可以使用不同動畫類型進行表達,在模型處理、效果展示上有著Navisworks、Lumion等軟件沒有的優勢。但是Fuzor的缺點也相對明顯,在使用過程中發現大體量模型處理對電腦配置要求較高;Fuzor軟件下無法對地形進行壓平、局部抬高等編輯,例如河流山川等地形環境也需要在Revit建模軟件中建立后導入渲染,無形中降低了軟件處理效率;在模擬一些特殊施工環節,例如觸發事項模擬,依然有較高難度。施工模擬見圖7。

a)泵房模擬

b)基坑開挖模擬

2.8 BIM模型方案匯報

方案匯報目前有2種主流模式。第1種是基于Revit原模型匯報;第2種是基于網頁端輕量化模型,進行網頁端查看交流與匯報。

基于原模型匯報,直接在Revit打開模型,進行溝通匯報,優點是不需要轉到第三方查看模型,缺點是需要高配置電腦,低配置電腦難以正常顯示。

基于網頁端輕量化模型匯報,首先需上傳Revit模型至網頁端,即可在任意PC、平板、手機等硬件端,流暢打開該類網頁進行模型快速查看。便于向業主匯報,問題記錄與交流,簡化操作過程,提升匯報交流效率。匯報現場見圖8。

a)網頁端輕量化模型標注

b)網頁端輕量化模型剖切

3 結語

中山市橫欄鎮九頃泵站二期工程結構復雜、形式多樣,容易出現專業間提資過程中,信息傳遞不充分不及時,采取統一模型模板及云端協作的控制措施,防止了各專業設計信息丟失、割裂。本項目以閘站主體為例,通過多專業協同三維參數化設計應用,將閘站工程各專業靈活結合在同一設計空間內,驗證了主體結構設計空間的合理性;計算分析軟件復用BIM模型,提高了設計計算分析手段;BIM方案匯報,豐富了工程設計方與業主方的信息溝通方式。可以將閘站工程的BIM設計經驗運用到類似工程中,為其他景觀河道類工程的設計提供了寶貴設計經驗。