王 豪，郭學(xué)洋，彭志遠(yuǎn)，鄭濤平

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢430000）

烏東德水電站位于四川省會(huì)東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段，工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。烏東德電站水庫(kù)正常蓄水位975 m，電站單機(jī)容量850 MW，總裝機(jī)容量10 200 MW，多年平均年發(fā)電量約389.1 億kWh。烏東德電站首批機(jī)組已于2020年6月發(fā)電，目前其水輪發(fā)電機(jī)組是世界上投運(yùn)電站中單機(jī)容量最大的機(jī)組。

機(jī)電專業(yè)是由多個(gè)專業(yè)、多個(gè)系統(tǒng)組合而成，系統(tǒng)又由類型及數(shù)量眾多的設(shè)備、管、橋架、線、管件、附件等組合而成，在一個(gè)有限的空間內(nèi)往往需要同時(shí)集成多個(gè)專業(yè)、多個(gè)系統(tǒng)。烏東德電站廠房為地下電站，空間較為狹小，因?yàn)闄C(jī)電專業(yè)有以上特點(diǎn)，水力機(jī)械與其他專業(yè)之間極易出現(xiàn)干涉沖突和地下空間利用不充分的情況，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)已不能滿足水機(jī)專業(yè)的需求，故尋求一種水機(jī)專業(yè)全正向BIM設(shè)計(jì)方法迫在眉睫。

BIM 設(shè)計(jì)近年來(lái)在水利行業(yè)發(fā)展十分迅速，但在各企業(yè)中仍處于自我摸索、自行提高的階段［1］，目前BIM 設(shè)計(jì)平臺(tái)主流有Autodesk、Bentley、Dassault［2］，在建筑、基建、制造等領(lǐng)域各有所長(zhǎng)［3-6］。從協(xié)同設(shè)計(jì)這一出發(fā)點(diǎn)來(lái)看，眾多三維設(shè)計(jì)軟件往往會(huì)依托協(xié)同管理平臺(tái)軟件如Projectwise、Navisworks Manage［7］等，協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)往往需要集成多個(gè)軟件板塊， 且在系統(tǒng)原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)這一局部領(lǐng)域，之前的BIM 設(shè)計(jì)理念鮮有提出。

為了更便捷地進(jìn)行全正向協(xié)同設(shè)計(jì)，本文針對(duì)烏東德電站的設(shè)計(jì)工作采用了Dassault 的3D Experience 協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，通過(guò)整合平臺(tái)的多個(gè)應(yīng)用（下文稱“APP”），實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、仿真、管理的集合功能。本文詳實(shí)地論述了水力機(jī)械專業(yè)設(shè)備庫(kù)的搭建，三維模型的創(chuàng)建，原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)，以及工程圖的生成等技術(shù)路線，文中所采用的從原理圖到工程圖的全正向BIM 設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用于烏東德、旭龍、滇中引水等水利樞紐項(xiàng)目，帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 研究方法

1.1 三維設(shè)計(jì)

烏東德水機(jī)專業(yè)涵蓋的設(shè)備及管線極其龐雜，為了使三維設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化和速動(dòng)化，須搭建一個(gè)較為完善的設(shè)備庫(kù)，并應(yīng)隨廠家設(shè)備的更新及時(shí)對(duì)庫(kù)文件進(jìn)行迭代。標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的創(chuàng)建和擴(kuò)充是BIM 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的重要基礎(chǔ)性工作［8］，利用參數(shù)化建模完成設(shè)備庫(kù)的搭建后，通過(guò)胖客戶端連接服務(wù)器，從服務(wù)器的某章節(jié)目錄下調(diào)用各規(guī)格型號(hào)的水機(jī)設(shè)備，再利用3DE 平臺(tái)的“Assembly Design、FLG”APP 即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備和管線的裝配與布放。

1.2 原理圖及原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)

與三維設(shè)計(jì)類似，原理圖的設(shè)計(jì)也需搭建邏輯設(shè)備庫(kù)，3DE平臺(tái)預(yù)制了眾多2D 水機(jī)設(shè)備及附件的邏輯設(shè)備模板（如設(shè)備、閥門、三通等），本文按照《SL 73.4-2013 水利水電工程制圖標(biāo)準(zhǔn)水力機(jī)械圖》所規(guī)定的樣式及大小，在上述模板中繪制各種二維圖例，并定義圖例中端口的屬性，然后將創(chuàng)建好的邏輯設(shè)備填充至水機(jī)邏輯設(shè)備目錄，完成邏輯設(shè)備庫(kù)的搭建。

從原理圖庫(kù)中調(diào)用邏輯設(shè)備完成設(shè)備的布置，然后使用邏輯管路對(duì)設(shè)備進(jìn)行互連完成系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。再根據(jù)原理圖中設(shè)備的屬性及設(shè)備之間的聯(lián)系，驅(qū)動(dòng)三維模型的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)原理圖和三維模型的互相映射。

1.3 工程圖的生成

在工程圖應(yīng)用中，利用已經(jīng)生成的三維模型，通過(guò)自定義的“創(chuàng)成式視圖樣式”和“制圖樣式”，經(jīng)投影和剖切生成各種視圖。生成材料明細(xì)表后，根據(jù)材料編號(hào)可實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的零部件自動(dòng)標(biāo)注，并通過(guò)EKL語(yǔ)言創(chuàng)建知識(shí)工程物料報(bào)表。

2 水力機(jī)械三維模型的創(chuàng)建流程

2.1 水機(jī)設(shè)備庫(kù)的創(chuàng)建

下文以一個(gè)多功能止回閥系列件的創(chuàng)建介紹水機(jī)設(shè)備及附件庫(kù)的擴(kuò)充。3DE 平臺(tái)已預(yù)制好眾多不同屬性的設(shè)備及管附件模板，在進(jìn)行設(shè)備創(chuàng)建時(shí)需要將自定義的參數(shù)和模板自帶的屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

在新建的閥門模板里，定義所需的參數(shù)（公稱直徑、長(zhǎng)度、法蘭直徑、法蘭厚度，壓力等級(jí)等），然后進(jìn)行草圖繪制，再使用“凸臺(tái)、旋轉(zhuǎn)、肋、多截面實(shí)體、布爾運(yùn)算”等三維命令［9-11］進(jìn)行實(shí)體的創(chuàng)建，二維草圖和三維模型的創(chuàng)建都需要構(gòu)建完整的尺寸約束，所有的尺寸約束都可以與創(chuàng)建的參數(shù)以一個(gè)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如此實(shí)現(xiàn)設(shè)備的參數(shù)化建模。

模型創(chuàng)建完成后，需導(dǎo)入工程文檔（以廠家設(shè)備規(guī)格型號(hào)而建立的屬性列表），并將文檔的列屬性與建立的參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。然后以設(shè)備的某一個(gè)特征點(diǎn)作為端口，定義其采用的標(biāo)準(zhǔn)、端面形式、流動(dòng)方向等參數(shù)。由于本文創(chuàng)建的閥門為系列件，公稱參數(shù)需在“Component Family”文件中進(jìn)行屬性映射，故在端口屬性定義時(shí)無(wú)需進(jìn)行設(shè)置。

創(chuàng)建一個(gè)“Component Family”文件，在該文件中需將設(shè)備及端口的公稱屬性與創(chuàng)建的參數(shù)進(jìn)行綁定，這樣當(dāng)解析出某一規(guī)格型號(hào)的設(shè)備時(shí)，該型號(hào)的設(shè)備所對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)就會(huì)寫入所關(guān)聯(lián)的公稱屬性［12-14］。然后可進(jìn)行系列項(xiàng)目的解析測(cè)試，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)系列件的屬性列表將三維模型逐一測(cè)試生成，以明確屬性值是否有三維重構(gòu)錯(cuò)誤，圖1 為多功能止回閥系列件解析成功的結(jié)果。最后，將解析好的系列件設(shè)置好“關(guān)鍵字”后填充至水機(jī)設(shè)備庫(kù)的對(duì)應(yīng)章節(jié)，其調(diào)用即可根據(jù)“關(guān)鍵字”進(jìn)行索引，設(shè)備及管附件的創(chuàng)建及入庫(kù)的一般性流程可用圖2 來(lái)表示。

圖1 多功能止回閥系列件解析Fig.1 Series analysis of multi function check valve

圖2 設(shè)備、管附件的創(chuàng)建及入庫(kù)流程Fig.2 Creation and input database process of equipment and accessories

2.2 設(shè)備及管線的綜合布置

設(shè)備庫(kù)搭建完成后，從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用所需規(guī)格型號(hào)的設(shè)備，在“Assembly Design”APP 下添加設(shè)備與土建模型，設(shè)備與設(shè)備之間相對(duì)位置關(guān)系的約束（如共面、平行、同心等）。但這種約束關(guān)系是臨時(shí)的，當(dāng)土建模型或是參考設(shè)備發(fā)生變化（包括位置和本身的幾何構(gòu)造），布放的設(shè)備并不會(huì)相應(yīng)作出幾何位置的變化。故我們可以給設(shè)備與參考模型之間添加“工程鏈接”，在設(shè)備與參考模型之間增加一個(gè)固定參數(shù)的幾何關(guān)系，這樣即便是參考模型發(fā)生變化，所布放的設(shè)備也會(huì)以預(yù)設(shè)好的關(guān)系參數(shù)作出相應(yīng)的移動(dòng)，從而避免了因?yàn)橥两Ｐ偷母略O(shè)備也要相應(yīng)修改布置的重復(fù)工作量。

完成設(shè)備布置后，需在設(shè)備之間創(chuàng)建管線以承載流體介質(zhì)。切換至“Piping 3D Design”APP，定義好管道數(shù)據(jù)信息（如管道庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)、公稱直徑，彎曲半徑等），然后在全局或局部坐標(biāo)系下，調(diào)節(jié)標(biāo)尺和角度以確定管線的各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置，也可將節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)向量表直接導(dǎo)入以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的精確定位。

完成設(shè)備和管線的布置后，需要檢查水機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，或是與外專業(yè)是否發(fā)生碰撞。創(chuàng)建一個(gè)“干涉仿真”，平臺(tái)會(huì)根據(jù)選定的干涉檢查方式（組內(nèi)、組與組等）進(jìn)行干涉分析，并以高亮相貫線顯示干涉區(qū)域。對(duì)于管線干涉來(lái)說(shuō)，找到干涉部位后，使用自動(dòng)偏移命令，定義偏移的距離和角度（多是45°），即可實(shí)現(xiàn)管線與干涉對(duì)象的橋式跨接，如圖3所示。

圖3 管線的干涉檢查與自動(dòng)偏移Fig.3 Interference check and automatic offset of pipeline

管線布放完成后，對(duì)管線網(wǎng)絡(luò)使用“規(guī)格驅(qū)動(dòng)輔助設(shè)計(jì)”命令，系統(tǒng)會(huì)識(shí)別需要添加管件的部位（彎頭、交叉、變徑處），并從數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出規(guī)格型號(hào)匹配的管件，選擇設(shè)計(jì)需要的型號(hào)，完成管件的自動(dòng)添加。再在管路上插入閥門、自動(dòng)化元件等管附件，完成水機(jī)專業(yè)的三維設(shè)計(jì)。待外專業(yè)將數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器后，完成電站整個(gè)機(jī)電專業(yè)的三維設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 烏東德右岸地下電站機(jī)電專業(yè)總裝圖Fig.4 General assembly drawing of electromechanical specialty of Wudongde right bank underground power station

3 原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的水力機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)中，原理圖與施工圖是相對(duì)獨(dú)立的，設(shè)計(jì)人員得花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間理解原理圖所表達(dá)的設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合土建和其他專業(yè)的布置策劃本專業(yè)的施工設(shè)計(jì)。通過(guò)原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)，原理圖和三維模型之間使用單一的數(shù)據(jù)源并創(chuàng)建映射關(guān)系，可以更為直觀地理解水機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，減少了因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員更迭而導(dǎo)致的重新了解設(shè)計(jì)深度和進(jìn)程所花的時(shí)間，提高了原理圖和三維模型的一致性和準(zhǔn)確性［15］。

3.1 原理圖的創(chuàng)建

原理圖的創(chuàng)建是基于3DE 的RFLP 系統(tǒng)（系統(tǒng)工程方法）實(shí)現(xiàn)的，RFLP 系統(tǒng)分為“需求、功能、邏輯、物理”4個(gè)層次，原理圖即屬于邏輯層。一個(gè)邏輯參考可視為某個(gè)水機(jī)系統(tǒng)，在該邏輯參考下可創(chuàng)建圖紙和視圖，在視圖中調(diào)用邏輯設(shè)備庫(kù)進(jìn)行二維圖例的布放（其邏輯端口所采用的數(shù)據(jù)庫(kù)與三維模型設(shè)備一致），邏輯設(shè)備布置完成后再進(jìn)行管線連接?！熬€路ID”是具有相同功能和相同特征的一組部件，其屬性確保所有在上下文中的部件依據(jù)同樣的標(biāo)準(zhǔn)。新建一個(gè)“邏輯管路”，選擇某個(gè)“線路ID”作為其規(guī)格屬性，連接設(shè)備的邏輯端口。最后在“邏輯管路”上插入邏輯管附件并調(diào)整管線和設(shè)備的位置完成原理圖的設(shè)計(jì)，并可使用“B.I 基礎(chǔ)”檢查原理圖的連通性以避免設(shè)備或管線的遺漏，原理圖設(shè)計(jì)的一般流程如圖5所示。

圖5 原理圖設(shè)計(jì)的一般流程Fig.5 General flow of schematic design

3.2 原理圖與三維模型實(shí)施關(guān)聯(lián)

為實(shí)現(xiàn)三維模型與原理圖的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在RFLP 系統(tǒng)中的物理層應(yīng)創(chuàng)建與邏輯層完全一致的結(jié)構(gòu)樹，且相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)應(yīng)創(chuàng)建實(shí)施關(guān)系進(jìn)行綁定。在創(chuàng)建邏輯設(shè)備時(shí)，可在屬性中定義“自定義零件編號(hào)”，該編號(hào)與三維模型對(duì)應(yīng)的標(biāo)題一致，對(duì)物理層的根節(jié)點(diǎn)使用“邏輯到物理”命令，系統(tǒng)就會(huì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用標(biāo)題與零件編號(hào)一致的三維設(shè)備，并將其歸納到與邏輯層一致的物理節(jié)點(diǎn)中，同時(shí)三維設(shè)備與邏輯設(shè)備自動(dòng)創(chuàng)建實(shí)施關(guān)系，調(diào)整設(shè)備的位置和方位后完成物理設(shè)備的布放。

接著在物理設(shè)備間創(chuàng)建管線，設(shè)備的端口名需與原理圖中的邏輯設(shè)備的端口名一致，在管路創(chuàng)建過(guò)程中，需選擇與原理圖一致的“線路ID”以保持物理模型與原理圖的數(shù)據(jù)一致性，再使用“低光度”功能在物理層的設(shè)備同名端口之間生成一條虛擬的“藍(lán)線”以指導(dǎo)管線的布放。在布管過(guò)程中，可以通過(guò)原理圖2D 選項(xiàng)卡同步查看設(shè)備與管線之間的連接關(guān)系，管路布置完成后，在管路上添加管附件并和邏輯設(shè)備創(chuàng)建實(shí)施關(guān)系完成原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)。如圖6所示，圖示的為烏東德集水井清污系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，原理圖上的邏輯設(shè)備與三維模型及其對(duì)應(yīng)端口均為一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系（包括設(shè)備名稱、端口名稱和端口屬性），任選一個(gè)生成的實(shí)施關(guān)系，在原理圖和三維模型中即會(huì)高亮顯示互為映射的設(shè)備或管線。

圖6 烏東德集水井清污簡(jiǎn)化模型Fig.6 Simplified model of drainage sump cleaning in Wudongde Station

4 二維出圖

由于BIM 技術(shù)還未在水電行業(yè)普遍應(yīng)用，三維模型無(wú)法直接交付，設(shè)計(jì)成果仍需要轉(zhuǎn)換為二維圖紙以指導(dǎo)施工，下文將介紹如何利用BIM 模型生成各種視圖及物料報(bào)表。工程圖與三維模型為同一個(gè)數(shù)據(jù)源，三維模型更新后，相應(yīng)的工程視圖也同步修改，避免了二維圖紙更新的重復(fù)工程量，縮短了設(shè)計(jì)周期。

4.1 二維出圖流程

軸測(cè)圖為BIM 模型最為直觀的展示，在“Drafting”APP 中，調(diào)整好某一個(gè)三維模型觀測(cè)視角，使用“等軸測(cè)命令”即可生成三維模型的等軸測(cè)三維線框圖。三視圖的生成需要指定一個(gè)投影平面，其法線為投影方向。而由于水機(jī)三維模型往往在土建模型內(nèi)部，這種投影生成視圖的方式不能剔除土建模型的遮擋，故需給視圖添加一個(gè)3D 裁剪框以定義需要展示的范圍，且這種裁剪范圍可以繼承應(yīng)用于其他視圖，如此可以快速劃定成圖區(qū)域。

為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化出圖，根據(jù)企業(yè)的制圖規(guī)定，在3DE 的標(biāo)準(zhǔn)交互式面板里定義“創(chuàng)成式視圖樣式”和“制圖樣式”。“創(chuàng)成式視圖樣式”主要控制生成視圖的線型、線寬、剖面樣式、模型消隱等屬性，“制圖樣式”則主要控制視圖的標(biāo)注和修飾。定義好兩種樣式的屬性后，生成“.xml”格式的樣式文件，作為創(chuàng)建視圖和標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)化模板，在創(chuàng)建圖紙和視圖時(shí)加載對(duì)應(yīng)的樣式文件即可。

在各視圖中完成尺寸標(biāo)注后，根據(jù)預(yù)定義的物料清單樣式可生成材料明細(xì)表，再使用“零件序號(hào)自動(dòng)生成”命令就可為各設(shè)備和管路管件自動(dòng)創(chuàng)建與明細(xì)表一致的零部件編號(hào)。

4.2 EKL語(yǔ)言自定義物料報(bào)表

上文生成的物料清單給出了每一段管路的規(guī)格及長(zhǎng)度，這對(duì)精確計(jì)量和精準(zhǔn)配管是大有裨益的，而在某些階段（如設(shè)備招標(biāo)），我們只需要某一型號(hào)管路的總長(zhǎng)就行了，且有些物料清單的屬性與設(shè)計(jì)習(xí)慣表達(dá)不一致，這就需要我們使用EKL 語(yǔ)言進(jìn)行自定義“知識(shí)報(bào)告表”。EKL（Enterprise Knowledge Lan?guage）是3DE 平臺(tái)中面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)腳本語(yǔ)言，它可將各種知識(shí)工程的接口“黏合”在一起，通過(guò)簡(jiǎn)單的語(yǔ)法規(guī)則提供基礎(chǔ)編程功能。

切換至“Know-how Reuse”APP，創(chuàng)建一個(gè)報(bào)告模板，在屬性管理中，定義報(bào)表的列標(biāo)題與某種類型對(duì)象的某一屬性的映射關(guān)系，如列標(biāo)題為“管道長(zhǎng)度”，映射剛性管道的長(zhǎng)度屬性，再選擇該屬性的求和功能，該列屬性在報(bào)告實(shí)例化時(shí)就可以統(tǒng)計(jì)管道總長(zhǎng)。

針對(duì)與設(shè)計(jì)習(xí)慣不一致的屬性，在報(bào)告模板中的表達(dá)式中使用EKL 語(yǔ)言進(jìn)行整合，如圖7所示的代碼是將管道的外徑和壁厚合并輸出，再將該屬性設(shè)為“主鍵”以歸類同種規(guī)格的管路。

圖7 EKL語(yǔ)言定義列標(biāo)題屬性Fig.7 Define column header properties by EKL language

最后在工程圖中調(diào)用定義好的報(bào)告模板，生成設(shè)備管路的知識(shí)報(bào)告表，圖8 為烏東德中壓氣系統(tǒng)的設(shè)備管路布置圖及知識(shí)報(bào)表。

圖8 烏東德中壓氣系統(tǒng)設(shè)備及管路布置圖Fig.8 Equipment and pipeline layout of Wudongde medium pressure gas system

5 結(jié)論

本文針對(duì)烏東德水電站的設(shè)計(jì)工作，基于3DE 平臺(tái)梳理出一套較為完善的水力機(jī)械專業(yè)BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)流程，為水力機(jī)械專業(yè)全正向BIM設(shè)計(jì)提供了借鑒思路。

（1）在3DE 協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)的框架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備精細(xì)化建模，在各專業(yè)間構(gòu)建了“工程鏈接”關(guān)系，論述了干涉檢查的方法和快速避讓的制定原則；打破了原理圖與三維模型之間的壁壘，構(gòu)建了原理圖與三維模型的驅(qū)動(dòng)模式，并通過(guò)EKL 編程制定了精準(zhǔn)而又個(gè)性化的材料報(bào)表，大大提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量和進(jìn)度，為設(shè)計(jì)工作向水利工程的施工、運(yùn)維管理等全生命周期環(huán)節(jié)的延伸創(chuàng)造了條件。

（2）目前BIM 設(shè)計(jì)在水利行業(yè)仍處于一個(gè)發(fā)展和完善的階段，BIM標(biāo)準(zhǔn)體系和行業(yè)規(guī)范相繼推出，在完成全正向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用BIM 模型所蘊(yùn)含的工程信息［16］，結(jié)合5G、AR/MR 等高新技術(shù)，使行業(yè)生態(tài)更加規(guī)范化，在全生命周期的延展市場(chǎng)中發(fā)揮更為重要的作用?！?/p>