劉增強(qiáng)，史玉龍，梁春光

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003）

1 項(xiàng)目概況

厄瓜多爾CCS水電站位于亞馬遜河二級(jí)支流科卡河上，處于高地震的熱帶雨林地區(qū)，鄰近活火山，自然條件十分復(fù)雜。工程主要由擁有流量達(dá)222m3／s沉砂池的首部樞紐、長達(dá)25km多的輸水隧洞、調(diào)蓄水庫（庫容2818萬m3）、壓力管道和地下廠房（212.0m×27.5m×46.8m）等組成；同時(shí)擁有616.74m的高水頭和537.8m高壓力豎井。

該電站是厄瓜多爾戰(zhàn)略性能源工程，總投資23億美元，是世界同類水頭沖擊式機(jī)組總裝機(jī)最大的電站，總裝機(jī)容量150萬kW，年均發(fā)電量約87億kW·h；工程于2010年7月開工，2016年11月全部8臺(tái)機(jī)組成功并網(wǎng)發(fā)電，滿足厄瓜多爾全國三分之一人口的電力需求，結(jié)束該國進(jìn)口電力的歷史，使該國由電力進(jìn)口國直接跨入電力出口國，因此，受到中厄兩國元首共同高度關(guān)注，被譽(yù)為厄瓜多爾“第一工程”。2016年4月厄瓜多爾發(fā)生了7.5級(jí)地震，電站經(jīng)受住了考驗(yàn)，安然無恙。震后第二天，電站即緊急恢復(fù)發(fā)電并增加發(fā)電量，以“中國技術(shù)”和“中國質(zhì)量”為救災(zāi)工作提供電力保障。

圖1 CCS水電站工程布置示意圖

2 工程難點(diǎn)

CCS水電站在設(shè)計(jì)建設(shè)過程中面臨著重重壓力和挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：

非同尋常的時(shí)間要求：首部樞紐施工、輸水隧洞TBM掘進(jìn)及調(diào)蓄水庫庫盆開挖等問題直接制約工程總體建設(shè)。根據(jù)CCS項(xiàng)目EPC主合同協(xié)議，項(xiàng)目違約金為US$800，000／d，這個(gè)數(shù)字對于任何項(xiàng)目參與方都是無法承受的壓力。

全新的設(shè)計(jì)模式：本工程設(shè)計(jì)成果必須先后經(jīng)過公司內(nèi)部設(shè)、校、審和三道嚴(yán)格的技術(shù)審查（國內(nèi)專家組、CCS設(shè)計(jì)研究院、國外咨詢ASOC）后交現(xiàn)場施工，而ASOC的審查平均一般要經(jīng)歷三到四版的報(bào)批工作，通過難度很大。ASOC咨詢要求所有的圖紙按照三步曲流程（計(jì)算準(zhǔn)則、計(jì)算書、設(shè)計(jì)圖紙）提交，即所有的施工圖紙必須附帶計(jì)算書和計(jì)算準(zhǔn)則才是完整的設(shè)計(jì)成果，在施工周期異常緊張的條件下，不僅要按要求完善、修改設(shè)計(jì)成果，而且要積極面對面解釋設(shè)計(jì)理念。CCS水電站的設(shè)計(jì)工作中要求采用美國及國際規(guī)范，無疑增加了設(shè)計(jì)及審查難度，為此設(shè)計(jì)方迅速轉(zhuǎn)變思路，全部按照全新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和理念來推動(dòng)工作。

異常困難的溝通：設(shè)計(jì)要面對中（設(shè)計(jì)語言）、英（過渡語言）、西（成果語言）三種語言的頻繁交流，還要面臨“不需要經(jīng)驗(yàn)，要計(jì)算！”的嚴(yán)格要求。

圖3 全階段BIM應(yīng)用

圖2 電站廠房機(jī)電主設(shè)備管路

3 BIM技術(shù)的引入

面對重重困難，積極引入BIM技術(shù)，在項(xiàng)目概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段，規(guī)劃、勘測、壩工、廠房、機(jī)電和施工等專業(yè)積極應(yīng)用。基于CATIA的骨架設(shè)計(jì)、參數(shù)化、知識(shí)工程，先后建立了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、顆粒度高的全專業(yè)BIM模型，如圖3所示；模型與分析軟件接口通暢、二次開發(fā)與設(shè)計(jì)流程的定制化應(yīng)用優(yōu)勢，使產(chǎn)品質(zhì)量迅速提升，審查通過率達(dá)100%，設(shè)計(jì)效率直接攀升，棘手專業(yè)技術(shù)問題迎刃而解，受到了參建各方的高度認(rèn)可。

4 BIM技術(shù)在項(xiàng)目中的全面應(yīng)用

（1）基于BIM的溝通與協(xié)同

本項(xiàng)目利用ProjectWise協(xié)同平臺(tái)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享、異地訪問安全等優(yōu)勢，搭建項(xiàng)目設(shè)計(jì)組織，解決項(xiàng)目多專業(yè)、兩國（中國和厄瓜多爾）三地（鄭州、基多和現(xiàn)場）的水電站BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)周期減少、溝通交流高效便捷，其優(yōu)秀表現(xiàn)得到參建各方充分肯定。

（2）基于統(tǒng)一BIM的分析計(jì)算

通過BIM模型的拓展應(yīng)用，在源數(shù)據(jù)統(tǒng)一的情況下，解決了設(shè)計(jì)與計(jì)算分析脫節(jié)問題，保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等的安全可靠，整體縮短了分析計(jì)算周期，充分發(fā)揮BIM模型的新價(jià)值［1］。

規(guī)劃專業(yè)基于完整構(gòu)建的調(diào)蓄水庫BIM，導(dǎo)入分析計(jì)算軟件進(jìn)行水庫流速和沉沙分析，得到設(shè)計(jì)需要的技術(shù)數(shù)據(jù)，支撐規(guī)劃專業(yè)技術(shù)結(jié)論。

廠房專業(yè)針對洞群三向薄巖壁問題，基于統(tǒng)一的地下廠房洞室BIM，結(jié)合地質(zhì)及監(jiān)測數(shù)據(jù)，在Flac3D軟件中多次動(dòng)態(tài)反饋分析，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，提出了最佳解決方案，如圖4所示。輸水隧洞出口CFD分析和廠房尾水洞水流CFD分析，解決了分析計(jì)算軟件前處理困難等問題，獲得了國家專利一項(xiàng)。

水機(jī)專業(yè)采用BIM技術(shù)建立沖擊式水輪機(jī)系統(tǒng)模型，在國內(nèi)首次提出尾水有壓無壓工況穩(wěn)定分析，成果在瑞士洛桑的水輪機(jī)模型試驗(yàn)中已得到驗(yàn)證，填補(bǔ)了國內(nèi)該研究領(lǐng)域的空白，直接為CCS水電站年均增加發(fā)電量45000萬kW·h。

電氣專業(yè)基于BIM模型，導(dǎo)入專業(yè)分析軟件，進(jìn)行了電氣安全空氣凈距校驗(yàn)和電氣防雷計(jì)算。實(shí)現(xiàn)了校驗(yàn)點(diǎn)在三維模型中實(shí)時(shí)捕捉，坐標(biāo)自動(dòng)識(shí)別；根據(jù)應(yīng)用場景，自動(dòng)計(jì)算；整個(gè)校驗(yàn)全過程工作均在三維場景中進(jìn)行，如圖5所示，簡潔直觀。

圖4 基于BIM的地下洞群圍巖穩(wěn)定分析

圖5 電氣安全空氣凈距校驗(yàn)

（3）BIM指導(dǎo)水力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場施工

基于BIM直接指導(dǎo)了調(diào)蓄水庫輸水隧洞出口、尾水洞及沉砂池等建筑物的水力學(xué)試驗(yàn)，并與數(shù)字模擬水力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行比較。同時(shí)，在機(jī)電設(shè)備管路的碰撞檢查、預(yù)先優(yōu)化方面發(fā)揮了巨大作用。在指導(dǎo)現(xiàn)場施工過程中，基于BIM的技術(shù)溝通，贏得外方稱贊與認(rèn)可。

圖6 分析驗(yàn)證拓展應(yīng)用

圖7 BIM與實(shí)際安裝對比

（4）BIM出圖

目前，施工圖仍然是工程建設(shè)行業(yè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營所依據(jù)的法律文件［2］。調(diào)蓄水庫庫盆邊坡設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)充分發(fā)揮了才能，設(shè)計(jì)人員在現(xiàn)場利用BIM 4天時(shí)間解決了常規(guī)設(shè)計(jì)人員需要2個(gè)多月才能設(shè)計(jì)完成的調(diào)蓄水庫開挖方案確定、設(shè)計(jì)及出圖。主要原因：①模型的精準(zhǔn)、合理、高效，符合實(shí)際情況；②充分利用參數(shù)模板技術(shù)，調(diào)整便捷，事半功倍；③基于BIM清晰表達(dá)復(fù)雜邊坡開挖空間關(guān)系，準(zhǔn)確獲取開挖工程量。最終取得了一次性通過審查，滿足業(yè)主特殊要求。

（5）BIM成果的標(biāo)準(zhǔn)化與管理

BIM設(shè)計(jì)統(tǒng)一采用同一個(gè)BIM集成化設(shè)計(jì)平臺(tái)，其融合多重信息，集成度高、內(nèi)容全面，提高設(shè)計(jì)成果的標(biāo)準(zhǔn)化和管理程度。制定一系列的BIM標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用指南，保證執(zhí)行力，確保成果質(zhì)量滿足要求。制定相應(yīng)的保障措施，三體系文件中增加過程控制程序，實(shí)現(xiàn)可控管理。

圖8 BIM集成化設(shè)計(jì)環(huán)境

（6）BIM信息集成與傳遞

CCS水電站工程數(shù)字化檔案管理系統(tǒng)集成不同設(shè)計(jì)階段、不同專業(yè)、圖紙、文檔及設(shè)計(jì)施工過程資料等信息。實(shí)現(xiàn)用戶的交互式操作，如模型的任意查看，數(shù)據(jù)的查詢、上傳、維護(hù)等，并保證與數(shù)據(jù)庫的一致性。實(shí)現(xiàn)不同階段和不同專業(yè)間信息的有效傳遞，避免遺失數(shù)據(jù)或破壞其完整性，直接作為后期運(yùn)維階段運(yùn)行管理的基礎(chǔ)。

沉砂池運(yùn)維管理時(shí)，可拋去冗繁的文字描述和圖片說明，直觀、顯性化的動(dòng)畫視頻使工藝清楚明朗；同時(shí)，沉砂池首次將SEDICON系統(tǒng)成功運(yùn)用于大型水電工程，創(chuàng)造性的將生態(tài)系統(tǒng)用水流道和沖砂系統(tǒng)結(jié)合布置，集成多種工程信息的沉砂池BIM，可直接被用于后期運(yùn)維管理。

（7）BIM信息集成與傳遞

以數(shù)字近景攝影測量、數(shù)字圖像處理和GIS技術(shù)，獲取目標(biāo)影像快速方便，可以節(jié)省大量外業(yè)工作時(shí)間。照片自動(dòng)拼接，自動(dòng)計(jì)算裂隙產(chǎn)狀，自動(dòng)生成CAD圖形和三維模型，查看更加直觀。三維模型、圖形圖像與BIM融合，為運(yùn)維數(shù)字化成果提供豐富詳實(shí)的地質(zhì)資料。全面提高施工地質(zhì)編錄在數(shù)據(jù)采集、處理和管理方面的工作效率。

（8）施工方案、施工工藝模擬

創(chuàng)建一期、二期圍堰模型，模擬導(dǎo)截流方案，進(jìn)行方案比選論證，助力決策。導(dǎo)截流方案融入BIM并交付業(yè)主，作為運(yùn)維信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，隨時(shí)被檢索追溯。將施工工法轉(zhuǎn)換為直觀可視的動(dòng)畫，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。施工交底溝通方便、表達(dá)到位，因其通用性、代表性強(qiáng)可被不同工程重復(fù)應(yīng)用。施工工法動(dòng)畫附加在工程BIM中，為運(yùn)維期工程提供有用的基礎(chǔ)信息。

圖9 BIM集成化設(shè)計(jì)環(huán)境

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）參數(shù)化

有效容積為2 000 mL的高壓反應(yīng)釜，燒杯1 000 mL，量筒1 000 mL，電子天平，計(jì)時(shí)器，真空泵，抽濾瓶，熱風(fēng)循環(huán)烘箱，高速粉碎機(jī)，80目標(biāo)準(zhǔn)篩。

將CATIA強(qiáng)大的參數(shù)化優(yōu)勢，引入到輸水隧洞管片設(shè)計(jì)中，確保了常規(guī)設(shè)計(jì)極難達(dá)到0.1mm誤差精度，準(zhǔn)確表達(dá)了管片楔形量?；贑AITA二次開發(fā)建筑物智能建模系統(tǒng)，通過關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)建筑的自動(dòng)創(chuàng)建和優(yōu)化，打通了專業(yè)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與軟件的深層接口問題。參數(shù)設(shè)置合理最優(yōu)，以最少且能突出反映建筑結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵參數(shù)來表達(dá)。

（2）流程化設(shè)計(jì)、開發(fā)工具

基于API函數(shù)自主開發(fā)流程化設(shè)計(jì)（土石壩、電站廠房和水閘等），將模板、參數(shù)化、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)程規(guī)范等融入其中，實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建出電站各類建筑物BIM，操作過程可見、可控。同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)際需要，廣泛應(yīng)用自主二次開發(fā)的三維樁號(hào)標(biāo)注、工程制圖輔助和自動(dòng)分縫分塊等工具。

（3）基于Composer的信息集成技術(shù)

基于Composer ActiveX控件和API，創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)模型交互和數(shù)據(jù)集成。運(yùn)用先進(jìn)的BIM技術(shù)，創(chuàng)建三維可視化、動(dòng)態(tài)可操作、交付信息可查詢的工程交付模型。通過移植CATIA Composer結(jié)構(gòu)樹、剖切等基本模塊，建立Composer的輕量化模型與數(shù)據(jù)庫（含屬性及圖文檔）的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建基于BIM的圖文檔交互式（查詢、附加和修改等）管理方法，并通過動(dòng)畫視頻對工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，通過三維預(yù)設(shè)視圖的方式對工程特定場景或特定部位進(jìn)行互動(dòng)式的詳細(xì)展現(xiàn)。提供智能化三維模型搜索方式，搜索結(jié)果可根據(jù)需要進(jìn)行突出亮顯或單獨(dú)顯示，不僅實(shí)現(xiàn)了對指定模型的快速精準(zhǔn)定位，而且有助于獲取指定模型的附加信息。

（4）可視化

將BIM模型通過CATIA Composer輕量化，利用其優(yōu)異的展示功能，將BIM模型快速轉(zhuǎn)換為需要的圖片及視頻。通過Composer自帶的更新功能，快速將輕量化模型更新為最新版本，同時(shí)更新視圖和動(dòng)畫，無需重新制作，實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)問題的可視化表達(dá)。直接替代大量冗繁的文字和配圖描述，使類似復(fù)雜沉砂池工藝那種非常難以理解的工藝或原理直接被快速接受。

（5）BIM+VR

BIM+VR技術(shù)具有1∶1的沉浸式體驗(yàn)，無損展現(xiàn)產(chǎn)品尺寸、比例和細(xì)節(jié)，如圖10所示。項(xiàng)目期間協(xié)助參建各方感知水輪機(jī)組和電站廠房各層的不同設(shè)計(jì)方案、色彩配置方案等，提前感知質(zhì)量問題，確認(rèn)空間布局的合理性，對機(jī)組關(guān)鍵部位的機(jī)械設(shè)備、管路維修性進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

圖10 VR虛擬體驗(yàn)

（6）3D打印

根據(jù)實(shí)際需要，經(jīng)多次比較優(yōu)選確定3D打印采用 SLA方法，打印比例采用 1∶1000，精度0.05mm。與三維虛擬模型互為補(bǔ)充，進(jìn)行了BIM模型的構(gòu)件重疊和結(jié)構(gòu)間縫隙檢查。另外，打印方式契合水工建筑實(shí)際施工順序，實(shí)現(xiàn)過程預(yù)先檢查。打印出的作品為滿足內(nèi)部觀察，采用創(chuàng)新手法，將BIM結(jié)構(gòu)巧妙拆分打印。為節(jié)約打印成本，平衡大體積結(jié)構(gòu)輕量化處理和3D打印產(chǎn)品力學(xué)特性，經(jīng)深入研究，設(shè)置合理的結(jié)構(gòu)支撐體系，減少打印成本超過40%。實(shí)現(xiàn)從虛擬到現(xiàn)實(shí)的過渡，是虛擬設(shè)計(jì)碰撞檢測的延續(xù)性驗(yàn)證方式，具有可行性和廣闊應(yīng)用前景。［3］部分打印成品如圖11所示。

圖11 3D打印成品及設(shè)置的結(jié)構(gòu)支撐

（7）激光掃描

由于距豎井頂部400m左右的極不規(guī)則塌腔體外形異常不規(guī)則，傳統(tǒng)物探結(jié)果不能滿足要求，故首次引進(jìn)三維激光掃描技術(shù)，通過多點(diǎn)布置進(jìn)行高精度、快速、完整地掃描塌腔體，獲得海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)［4］，快速構(gòu)建出結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則的塌腔體三維可視化模型，如圖12所示，提高效率又省時(shí)省力。為塌腔體處理方案的設(shè)計(jì)提供了一手關(guān)鍵依據(jù)，加快了施工總體進(jìn)度。

圖12 三維激光掃描

6 BIM在本項(xiàng)目中的價(jià)值

本項(xiàng)目從初期三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)性應(yīng)用到后期BIM高階綜合性應(yīng)用，經(jīng)歷了從項(xiàng)目局部到系統(tǒng)，再到企業(yè)級(jí)的BIM實(shí)施延伸提高，充分體現(xiàn)了BIM技術(shù)的不斷發(fā)展和給實(shí)際生產(chǎn)帶來的直接和間接效益，為今后企業(yè)更高層次的數(shù)字工程設(shè)計(jì)平臺(tái)創(chuàng)建提供了積累，同時(shí)也成就了企業(yè)良好的BIM應(yīng)用氛圍、造就了一批BIM復(fù)合型人才。

（1）BIM成為工程師新興的高效交流語言

本項(xiàng)目經(jīng)歷了三維設(shè)計(jì)從初期的局部應(yīng)用到后期BIM系統(tǒng)性應(yīng)用全過程，特別是在2012年大量施工圖送交墨西哥咨詢審查。由于中西語言直接交流障礙重重，導(dǎo)致咨詢圖紙審批通過十分困難，工期壓力一度上升到最高級(jí)別，通過引入BIM這種無障礙交流語言，使得咨詢面對“所見即所得”的真實(shí)設(shè)計(jì)消除了疑慮，開始逐漸接受我方的設(shè)計(jì)理念，施工圖審批通過率一度攀升至100%。

（2）BIM助力破解艱難設(shè)計(jì)模式的僵局

位于南美的厄瓜多爾是美國的“后花園”，其對設(shè)計(jì)的嚴(yán)格也是前所未有。項(xiàng)目所有的施工圖必須附設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和計(jì)算書，全部審查通過才能提交施工備料。工期進(jìn)度的壓力一度聚焦于施工圖審批環(huán)節(jié)，采用BIM進(jìn)行設(shè)計(jì)和出圖，再輔以其他的有效措施，使得設(shè)計(jì)產(chǎn)品品質(zhì)提升，圖紙低級(jí)錯(cuò)誤消失殆盡。

（3）BIM協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境讓年輕工程師成長迅速

CCS水電站裝機(jī)規(guī)模大，電站設(shè)計(jì)復(fù)雜。各專業(yè)工程師在統(tǒng)一的電站樞紐協(xié)同環(huán)境中開展本專業(yè)設(shè)計(jì)工作，更加明確設(shè)計(jì)目標(biāo)和相關(guān)專業(yè)的避讓，同時(shí)也接觸到很多跨專業(yè)的知識(shí)，這對于參與本工程的年輕工程師收益匪淺，提升了本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)品質(zhì)，通過本項(xiàng)目的歷練，一批既懂專業(yè)又擅長BIM的年輕工程師正在成為多專多能高效復(fù)合型人才。

7 結(jié)語

創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，積極引進(jìn)先進(jìn)的信息化技術(shù)，通過BIM技術(shù)在本項(xiàng)目的大量廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了實(shí)際價(jià)值，業(yè)主收獲了高質(zhì)量的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，同時(shí)確保了工程工期和建設(shè)速度。工程按期施工和完工發(fā)電為業(yè)主帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和政治影響力。2016年4月強(qiáng)震，正值該水電站首批四臺(tái)機(jī)組發(fā)電之時(shí)，經(jīng)歷強(qiáng)震工程完好無損，并且加大發(fā)電運(yùn)行，為強(qiáng)震后的國度送去支持，造福一方民眾！

BIM技術(shù)從設(shè)計(jì)階段開始策劃應(yīng)用，可以順暢地拓展到施工、運(yùn)維階段，豐富設(shè)計(jì)產(chǎn)品的內(nèi)涵、延續(xù)產(chǎn)品的全生命周期，拓展水利水電業(yè)務(wù)范圍、延續(xù)價(jià)值產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)結(jié)合VR／AR、3D打印等創(chuàng)新手段和新一代信息技術(shù)，加快水利水電行業(yè)向高品質(zhì)、綠色、生態(tài)、智慧型發(fā)展，為行業(yè)發(fā)展探索注入了新思路和新方法。面對當(dāng)今快速發(fā)展的信息化和BIM技術(shù)，以及住建部及各省市推進(jìn)BIM技術(shù)的指導(dǎo)意見，未來BIM將是進(jìn)入市場的準(zhǔn)入證，誰掌握了BIM的全過程運(yùn)用，誰就掌握了未來?。?］

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