補(bǔ)舒棋 毛擁政 鄭湘文 葛瑤

摘要：BIM協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)已成為水利水電行業(yè)中工程設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向與趨勢(shì)，越來(lái)越多地應(yīng)用在水電工程項(xiàng)目的廠房和電站設(shè)計(jì)中。通過(guò)在三河口供水發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐，探討了在項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中的BIM設(shè)計(jì)解決方案，利用網(wǎng)絡(luò)在線VPM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)和骨架設(shè)計(jì)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)間工程設(shè)計(jì)信息的實(shí)時(shí)共享和各建筑物骨架控制，并利用BIM數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和延伸應(yīng)用?？偨Y(jié)了協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可為類似工程的BIM設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM;協(xié)同設(shè)計(jì);VPM;CATIA;三河口電站;下坂地電站;陜西省

中圖法分類號(hào)：TV731

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.006

大中型水利樞紐引水發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作通常涉及規(guī)劃、地質(zhì)、測(cè)量、水工、道路、金屬結(jié)構(gòu)、水力機(jī)械、電氣、建筑、金結(jié)、暖通等專業(yè)，各專業(yè)間需要互相協(xié)調(diào)和配合。陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院（以下簡(jiǎn)稱“陜西院”）采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)協(xié)同方式，即由規(guī)劃、地質(zhì)、測(cè)量專業(yè)人員提供參數(shù)、繪制圖紙，由水工專業(yè)牽頭為各專業(yè)反饋設(shè)計(jì)信息，專業(yè)間互相提資配合，以二維圖紙溝通為主。這種傳統(tǒng)的溝通方式效率低下，加之施工圖紙有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“錯(cuò)漏碰缺”等問(wèn)題，需對(duì)其進(jìn)行反復(fù)核查;還存在專業(yè)間信息反饋時(shí)間長(zhǎng)和數(shù)據(jù)管理無(wú)序等問(wèn)題，影響工程設(shè)計(jì)進(jìn)度。建筑信息模型（ Building Informa-tion Modeling，BIM）協(xié)同平臺(tái)不僅使得設(shè)計(jì)信息的呈現(xiàn)立體直觀，且很大程度上解決了專業(yè)間協(xié)調(diào)性問(wèn)題，各專業(yè)可實(shí)時(shí)在線進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和校審，模型碰撞檢查功能可發(fā)現(xiàn)施工階段錯(cuò)誤，降低返工率和損失率。

目前水利水電行業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的主流軟件平臺(tái)有美國(guó)Autodesk公司的Revit、美國(guó)Bentley公司的Micro Station與Project Wise、法國(guó)達(dá)索公司的CA-TIA與VPM[1]。華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院于2003年開展了針對(duì)以上3個(gè)平臺(tái)解決方案的研究，并于2008年嘗試應(yīng)用在部分水電工程項(xiàng)目的廠房和電站設(shè)計(jì)中[2]。多個(gè)大型水電工程中均采用了BIM進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，例如云南金沙江阿海水電站的三維協(xié)同設(shè)計(jì)運(yùn)用了Autodesk解決方案[3];派河口樞紐采用了Bentley平臺(tái)系列軟件進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)[4];兩河口水電站的三維協(xié)同設(shè)計(jì)采用了達(dá)索解決方案[5]3;烏東德水電站樞紐工程中也應(yīng)用了達(dá)索解決方案[6]?？偨Y(jié)以上使用BIM協(xié)同平臺(tái)的項(xiàng)目的共同特點(diǎn)是項(xiàng)目復(fù)雜且涉及專業(yè)廣泛。雖然不同項(xiàng)目采用了不同的軟件解決方案，但各工程協(xié)同方式不同，因此研究如何選擇協(xié)同解決方案十分必要。本文以達(dá)索系統(tǒng)作為主平臺(tái)，詳細(xì)闡述了三河口水利樞紐供水發(fā)電廠房系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)工作，包括生命周期流程、協(xié)同設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品劃分、骨架設(shè)計(jì)、模板應(yīng)用及應(yīng)用效果等，以期為同類工程的協(xié)同解決方案提供參考。

1 工程概況

三河口水利樞紐是引漢濟(jì)渭工程的調(diào)蓄中樞，為I等大（1）型工程，具有供水、調(diào)蓄、發(fā)電功能。壩后電站廠房為3級(jí)建筑物，電站廠房抽水流量為18m3/s，發(fā)電引水設(shè)計(jì)流量72.71m3/s，發(fā)電采用2臺(tái)常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組及2臺(tái)可逆式機(jī)組。發(fā)電工況總裝機(jī)容量為64 MW，抽水工況泵站總裝機(jī)功率24 MW[7]。

廠區(qū)建筑物主要包括主廠房、副廠房、主變室、GIS樓、供水閥室、進(jìn)廠道路。供水系統(tǒng)由進(jìn)水口、壓力管道、供水閥室、尾水系統(tǒng)、連接洞等部分組成（見圖1）。該項(xiàng)目各專業(yè)間交叉度高，需多方協(xié)同，適合使用BIM技術(shù)通過(guò)VPM平臺(tái)進(jìn)行專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，其布置設(shè)計(jì)的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①供水發(fā)電廠房為岸邊地面式廠房，布置于壩后消力塘一側(cè)，常規(guī)機(jī)組與可逆式機(jī)組布置于同一個(gè)廠房?jī)?nèi)，其電站（泵站）電氣接線設(shè)置既要滿足機(jī)組供水發(fā)電和工頻運(yùn)行要求，又要滿足水泵抽水和機(jī)組變頻運(yùn)行要求[8];②供水和發(fā)電系統(tǒng)共用一個(gè)進(jìn)出水流道，工況運(yùn)行復(fù)雜，供水閥的口徑和規(guī)模在我國(guó)供水工程中排名首位[9];③利用封堵后的導(dǎo)流洞作為尾水系統(tǒng)一部分，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)連接洞補(bǔ)充供水至秦嶺隧洞和尾水排放的功能。

2 協(xié)同設(shè)計(jì)解決方案

2.1 VPM協(xié)同平臺(tái)

三河口水利樞紐供水發(fā)電廠房系統(tǒng)主要采用達(dá)索的虛擬產(chǎn)品生命周期管理平臺(tái)ENOVIAVPM作為協(xié)同及產(chǎn)品管理平臺(tái)（其基本功能主要有創(chuàng)建產(chǎn)品、角色管理、創(chuàng)建頂層節(jié)點(diǎn)、管理文檔、修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生命周期管理等）。CATIA V5R20作為模型的主設(shè)計(jì)平臺(tái)，負(fù)責(zé)完成復(fù)雜的BIM設(shè)計(jì)工作。VPM是達(dá)索系統(tǒng)公司基于CATIA平臺(tái)上的一個(gè)既能滿足協(xié)同設(shè)計(jì)又能滿足虛擬產(chǎn)品生命周期管理的解決方案[10]。

項(xiàng)目經(jīng)理在VPM平臺(tái)內(nèi)定制項(xiàng)目生命周期管理流程（見圖2）。產(chǎn)品狀態(tài)共分為工作中、公開、審查、批準(zhǔn)4種，涉及創(chuàng)建零件、數(shù)據(jù)保存、瀏覽、數(shù)據(jù)狀態(tài)提升等[11]?！肮ぷ髦小睜顟B(tài)對(duì)于非權(quán)限內(nèi)的設(shè)計(jì)角色是非可見狀態(tài)，當(dāng)產(chǎn)品發(fā)布公開后即為可視狀態(tài)，供下一級(jí)人員審核數(shù)據(jù)，VPM中可對(duì)人員進(jìn)行角色劃分（包括數(shù)據(jù)管理角色、項(xiàng)目管理角色、設(shè)計(jì)角色、審核角色）、專業(yè)劃分、角色權(quán)限管理;修改權(quán)限可通過(guò)鎖定機(jī)制獲得，由管理員設(shè)置的用戶名密碼登錄，所有密碼均需通過(guò)管理員更改，用戶不能擅自修改，有效避免了密碼在傳遞過(guò)程中泄漏的風(fēng)險(xiǎn)[12]，而通過(guò)VPM平臺(tái)建立的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)加密措施進(jìn)行處理、保存。

2.2 各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)方法

地質(zhì)數(shù)據(jù)信息是采用有離散光滑插值（DSI）技術(shù)的GOCAD軟件來(lái)完成數(shù)據(jù)建模，地質(zhì)數(shù)據(jù)內(nèi)容主要涵蓋地質(zhì)斷層、巖性、風(fēng)化層、地下水等，將其導(dǎo)人協(xié)同平臺(tái)中，再由下游專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案布置。廠房?jī)?nèi)部的電氣設(shè)計(jì)是通過(guò)博超STD數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)平臺(tái)完成后導(dǎo)人VPM平臺(tái)，包括水工、建筑、水力機(jī)械、管路布置、金屬結(jié)構(gòu)、開挖等專業(yè)在內(nèi)的協(xié)同設(shè)計(jì)工作則是通過(guò)CATIA內(nèi)的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)（見表1）。通過(guò)建立好的數(shù)據(jù)模型成果，可進(jìn)一步進(jìn)行有限元分析計(jì)算、工程量計(jì)算、出圖、效果圖、虛擬仿真、漫游、施工交底匯報(bào)、人員培訓(xùn)等。

3 產(chǎn)品劃分與骨架參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)品劃分

根據(jù)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品劃分，圖3為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。在ENOVIA在線管理平臺(tái)按照一定編碼規(guī)則建立產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)及骨架設(shè)計(jì)，骨架是構(gòu)成工程全三維模型的核心和有效組織形式，一般采取多級(jí)樹結(jié)構(gòu)，分為總骨架和子骨架，子骨架又可衍生下級(jí)子骨架[13]。由圖3所示，S004-P10-P1-50000-00000- 3D為三河口水利樞紐總產(chǎn)品下的引水、抽水、發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)。通過(guò)全局骨架SK結(jié)尾的文件內(nèi)含有由坐標(biāo)信息建立的引水壓力鋼管軸線、尾水洞軸線、連接洞軸線、廠房機(jī)組中心點(diǎn)及中心線、導(dǎo)流洞軸線等，發(fā)布核心控制點(diǎn)、軸線、基準(zhǔn)面，為供水系統(tǒng)廠房提供基本位置參考。供水系統(tǒng)廠房產(chǎn)品下的骨架系統(tǒng)根據(jù)總骨架發(fā)布的廠房機(jī)組中心點(diǎn)（帶有安裝高程信息）、機(jī)組方向線及水機(jī)發(fā)布的機(jī)組設(shè)備尺寸建立一套廠房的尺寸控制系統(tǒng)，包括廠房的橫縱軸網(wǎng)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、廠區(qū)范圍及一些主要控制參數(shù)等，控制廠房的各層高程及體型尺寸。

3.2 骨架參數(shù)化設(shè)計(jì)

圖4為廠房參數(shù)化骨架傳遞的設(shè)計(jì)流程，通過(guò)創(chuàng)建參數(shù)驅(qū)動(dòng)幾何元素實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，并通過(guò)零件發(fā)布功能將參數(shù)和幾何元素提供給其他節(jié)點(diǎn)使用;在被其他產(chǎn)品使用時(shí)是外部參考，當(dāng)上級(jí)骨架參數(shù)改變，可以手動(dòng)或自動(dòng)更新外部參考的元素。該設(shè)計(jì)融合了水工結(jié)構(gòu)、水力機(jī)械，金屬結(jié)構(gòu)、電氣布置、引水及尾水系統(tǒng)、廠區(qū)開挖、排水系統(tǒng)等內(nèi)容，形成一個(gè)在線的BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)清晰。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹使設(shè)計(jì)內(nèi)容的展示更為直觀，通過(guò)線上的規(guī)范數(shù)據(jù)存取機(jī)制，工程師可實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的有序管理、設(shè)計(jì)、查找、修改、校審等工作。

4 模板庫(kù)及應(yīng)用

通過(guò)CATIA V5的“知識(shí)工程及專家系統(tǒng)（ Knowledge Ware）”模塊可將用戶經(jīng)驗(yàn)做成參數(shù)化模板錄入Catalog模板建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，用戶可在VPM協(xié)同平臺(tái)上調(diào)用各專業(yè)模板。系統(tǒng)單元中的“知識(shí)工程顧問(wèn)”“知識(shí)專家”等模塊從參數(shù)化的角度使設(shè)計(jì)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，有利于知識(shí)的延續(xù)與再利用，是新時(shí)期工程技術(shù)人員迫切需要的知識(shí)與技能[14]。登陸內(nèi)網(wǎng)便可在工程設(shè)計(jì)中重復(fù)使用知識(shí)工程模板（見圖5）。模板采用統(tǒng)一編號(hào)管理，并建立了相應(yīng)模板文檔說(shuō)明，幫助設(shè)計(jì)人員快速了解模板及其使用方法。目前建立了涉及水工、建筑、金結(jié)、水機(jī)、電氣等專業(yè)的參數(shù)化模板及相應(yīng)的目錄庫(kù)（見表2）。

5 應(yīng)用效果

（1）通過(guò)以上的BIM數(shù)字化的三維協(xié)同體系，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)，以及專業(yè)間動(dòng)態(tài)參照，實(shí)時(shí)查看、設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)。通過(guò)權(quán)限保護(hù)，保證了模型的正確性與一致性，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中人為提資過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)漏。通過(guò)碰撞檢查功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)協(xié)同布置問(wèn)題，對(duì)地面廠房?jī)?nèi)部的設(shè)計(jì)（涉及設(shè)備布置、消防、交通、排水等）、電站基礎(chǔ)體型、二次開挖及廠房分縫分塊設(shè)計(jì)、導(dǎo)流洞改造、尾水洞設(shè)計(jì)、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、止水帶設(shè)計(jì)等做了多次修改和優(yōu)化。利用地質(zhì)專業(yè)提供的風(fēng)化模型成果分析廠房的一次開挖和二次開挖（見圖6（a）），通過(guò)測(cè)量功能進(jìn)行土石方開挖、廠房分縫分塊混凝土、廠房混凝土等工程量計(jì)算，利用模型進(jìn)一步得到出圖成果等，節(jié)約了大量時(shí)間。三河口電站廠房分縫分塊設(shè)計(jì)（見圖6（b））通過(guò)傳統(tǒng)方式完成所有圖紙、工程量計(jì)算及校審工作大約需要7 d，而運(yùn)用CATIA軟件僅需要4d左右，節(jié)省時(shí)間約40%。

（2）知識(shí)工程應(yīng)用。通過(guò)知識(shí)工程模板功能建立了關(guān)于電站廠房的各專業(yè)的模板（近50多個(gè)），并導(dǎo)人至模板目錄庫(kù);使用CATIA知識(shí)工程平臺(tái)中的RULE（滿足條件就實(shí)施）、LIST工具、設(shè)計(jì)表等編輯知識(shí)工程語(yǔ)言將多種體型融合在一個(gè)模板中;利用CHECK等工具設(shè)置融人設(shè)計(jì)規(guī)范條款;采用知識(shí)工程陣列編輯語(yǔ)言，減輕了人員工作量。

（3）數(shù)據(jù)規(guī)范化。陜西院編制了《CATIA VPM協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范》《信息分類及編碼規(guī)范》《模板設(shè)計(jì)及入庫(kù)規(guī)范》等規(guī)范，為其他BIM項(xiàng)目建立了基礎(chǔ)條件。

（4） BIM數(shù)據(jù)應(yīng)用。利用模型對(duì)業(yè)主及施工方進(jìn)行供水閥設(shè)備原理及分層取水原理動(dòng)畫匯報(bào)、廠房施工技術(shù)交底匯報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作模擬和參觀線路的模擬、整體廠房的實(shí)景漫游等。利用模型對(duì)主、副廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算（見圖6（c）），對(duì)導(dǎo)流洞改造尾水洞的封堵體進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，從而驗(yàn)證了其穩(wěn)定性。對(duì)廠房中安裝間薄厚板結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式的靜動(dòng)力特性進(jìn)行分析，從而得到安裝間結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過(guò)資料調(diào)查，對(duì)比了采用傳統(tǒng)工作模式的下坂地電站廠房工程人力資源情況及變更情況。下坂地樞紐工程為Ⅱ等大（2）型，其地下電站廠房為3級(jí)建筑物，主副廠房和安裝間洞室面積為1 273 m2，高38.8 m;主變洞室面積為845 m2，高27.8 m，總裝機(jī)150 MW，電站引用流量89.69 m3/s，工程已于2009年進(jìn)行發(fā)電。對(duì)比結(jié)果如下：

（1）人力資源情況。下坂地地下電站廠房水工設(shè)計(jì)人員近16人，三河口電站廠房水工設(shè)計(jì)人員9人。與下坂地工程不同的是，三河口廠房的設(shè)計(jì)任務(wù)除了要滿足發(fā)電，還需滿足抽水和供水，因此廠房功能分區(qū)較多且布置復(fù)雜。三河口電站設(shè)計(jì)體量較下坂地電站大，但人力資源調(diào)動(dòng)更少，卻仍滿足了進(jìn)度要求，充分反映了BIM協(xié)同工作模式的高效率性和重要性。

（2）變更情況。下坂地電站廠房土建變更文件約120份（4 a），調(diào)查資料表明近60%的變更是由于洞挖后地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)不符，其余40%為體形結(jié)構(gòu)等變化。而截至目前，三河口電站廠房土建變更文件共計(jì)19份（3 a）。綜合對(duì)比上述數(shù)據(jù)，可反映出傳統(tǒng)工作模式在工程設(shè)計(jì)上的一些弊端，若能在前期進(jìn)行充分的三維設(shè)計(jì)協(xié)同，部分變更或可避免。

6 結(jié)語(yǔ)

將各專業(yè)統(tǒng)一在適合項(xiàng)目的CATIA VPM平臺(tái)上進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，有利于工程數(shù)據(jù)的傳遞、分享、溝通、分析、管理。三河口水電站項(xiàng)目在VPM平臺(tái)上完成的BIM數(shù)據(jù)量達(dá)到2.5G左右，大量的數(shù)據(jù)會(huì)造成服務(wù)器負(fù)擔(dān)，影響使用和管理效率，如何輕量化數(shù)據(jù)并提高數(shù)據(jù)安全性是需要繼續(xù)研究的內(nèi)容。為使BIM產(chǎn)品功能得到延伸，其技術(shù)價(jià)值得到最大化利用，還應(yīng)出臺(tái)水利水電行業(yè)領(lǐng)域可行的模型信息數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)化交付要求、深度、方式及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式等。

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（編輯：李曉濛）

作者簡(jiǎn)介：補(bǔ)舒棋，女，工程師，碩士，主要從事水利水電工程BIM設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：canxuan1002@qq.com