王 陸，陶玉波，王 楠

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

水利樞紐設(shè)計(jì)是水利工程設(shè)計(jì)中最富有挑戰(zhàn)性的工作。水利樞紐存在專(zhuān)業(yè)眾多，空間布局復(fù)雜，建筑交叉多，專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)難，設(shè)計(jì)流程反復(fù)等特點(diǎn)。通過(guò)基于三維設(shè)計(jì)的BIM綜合應(yīng)用，可以在協(xié)同環(huán)境下，運(yùn)用三維可視化設(shè)計(jì)方法，在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)管理，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的BIM軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)交付，并可將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在施工管理中復(fù)用，有利于實(shí)現(xiàn)基于BIM的水利工程全生命周期管理。

1 項(xiàng)目背景

黑河黃藏寺水利樞紐壩址位于黑河上游東、西兩岔交匯處以下11km的黑河干流上。距青海省祁連縣城約19km，是國(guó)務(wù)院部署的172項(xiàng)重點(diǎn)水利工程之一，也是2016年開(kāi)工建設(shè)的20項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。

黃藏寺壩址位于黑河上游峽谷進(jìn)口下游約1km處，河谷狹窄，底寬約20～40m。壩址區(qū)發(fā)育多個(gè)滑塌體。工程壩軸線處的岸坡陡峻，河水面寬15～25m，水深約2.5m，右岸岸坡坡度一般為45°～60°，左岸2576m以上，岸坡陡峻，坡度一般為60°～80°，地貌上為基巖陡坎。

項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段主要工作是充分利用參數(shù)化設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)方案以期達(dá)到設(shè)計(jì)相對(duì)優(yōu)化的目的；施工期則根據(jù)總承包項(xiàng)目的特點(diǎn)，充分利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，建立一套基于BIM的施工管理平臺(tái)，對(duì)工程的進(jìn)度、安全、質(zhì)量及成本進(jìn)行控制。

2 基于BIM的設(shè)計(jì)施工一體化解決方案

水利水電行業(yè)的BIM設(shè)計(jì)是從2006年逐漸興起的，不同的設(shè)計(jì)單位根據(jù)自身需求和側(cè)重點(diǎn)，對(duì)軟件的采購(gòu)情況各不相同。主要集中于三大系列產(chǎn)品，分別為以AutoCAD／Revit系列軟件為基礎(chǔ)解決方案、以Microstation／AECOsim為核心的解決方案及以CATIA／ENOVIAVPM為核心的解決方案。本工程根據(jù)實(shí)際情況，采用了以CATIA／ENOVIAVPM解決方案為核心，輔以自主開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)插件和基于BIM的施工管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了正向三維設(shè)計(jì)、信息集成交付及基于BIM的施工期管理，初步打造出高度集成的設(shè)計(jì)施工一體化流程解決方案。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，BIM應(yīng)用分階段按照目標(biāo)要求分別進(jìn)行，本項(xiàng)目的各階段BIM設(shè)計(jì)目標(biāo)見(jiàn)表1。

首先通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的“工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)”，將地勘資料與測(cè)繪航飛資料結(jié)合，在ItasCAD中生成三維地形地質(zhì)，然后通過(guò)中間格式，在CATIA中形成水工設(shè)計(jì)所需的地形地質(zhì)體，如圖1所示。

表1 設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用目標(biāo)

圖1 測(cè)繪、地質(zhì)成果無(wú)縫進(jìn)入CATIA平臺(tái)

接下來(lái)，利用基于知識(shí)工程的可復(fù)用設(shè)計(jì)模板生成參數(shù)化水工設(shè)計(jì)方案模型，有利于前期快速調(diào)整方案，如圖2所示。

圖2 基于知識(shí)工程的可復(fù)用模型用于方案比選

方案確定后，通過(guò)基于設(shè)計(jì)流程的快速建模工具，形成可以用于進(jìn)一步加工的粗模。最后通過(guò)進(jìn)一步調(diào)用水工設(shè)計(jì)模板庫(kù)中的相關(guān)構(gòu)件，完成整個(gè)模型的細(xì)化。對(duì)于無(wú)法使用現(xiàn)有模板的結(jié)構(gòu)，則采用基于知識(shí)工程的參數(shù)化模型，完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最后的結(jié)果如圖3所示。

圖3 大壩及廠房的詳細(xì)模型

設(shè)計(jì)工作完成后，利用自主開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)施工模型轉(zhuǎn)換工具，將設(shè)計(jì)BIM模型根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度和驗(yàn)評(píng)需求進(jìn)行拆解，以獲得施工BIM模型。

之后利用輕量化工具形成基于WebGL技術(shù)的用于多端顯示的輕量化模型，并通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的CATIA插件對(duì)BIM信息進(jìn)行提取，將拆解后的輕量化模型和對(duì)應(yīng)的BIM信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)重新組合到一起，以方便后期施工和運(yùn)維使用。

在施工和運(yùn)維階段，根據(jù)施工單位和運(yùn)維單位的具體要求，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有BIM數(shù)據(jù)庫(kù)與其他數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，利用模塊化技術(shù)，快速完成施工管理平臺(tái)及后期運(yùn)維管理平臺(tái)的搭建，如圖4所示。

圖4 基于混合云平臺(tái)的施工管理綜合系統(tǒng)

3 設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用

本工程位于狹窄河谷，谷深坡陡，且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、節(jié)理非常發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，建筑物形式選擇受限，道路布置極為困難。為達(dá)到快速設(shè)計(jì)分析、快速調(diào)整布置的目的，采用了三層次的設(shè)計(jì)保障體系。一是基于知識(shí)工程的全參數(shù)化模型及標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)，二是自主開(kāi)發(fā)的基于設(shè)計(jì)流程的快速建模工具，三是基于BIM的建模分析一體化流程管理。

3.1 基于知識(shí)工程的可復(fù)用設(shè)計(jì)模型

水利水電工程一向以工程復(fù)雜多變著稱(chēng)。以本工程為例，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，V型河谷最適宜的擋水建筑物形式為拱壩。但由于拱壩對(duì)于地質(zhì)條件要求較高，而本工程坐落位置的地質(zhì)條件不允許在成本可控情況下建立拱壩，因此改為重力壩。同樣由于地質(zhì)條件原因，地下廠房的開(kāi)挖存在高風(fēng)險(xiǎn)，不得不在狹窄河谷內(nèi)部構(gòu)建地面廠房，以滿足風(fēng)險(xiǎn)可控，造價(jià)可控的目的。這就造成本項(xiàng)目的比選方案眾多的特點(diǎn)。

依托多年來(lái)在CATIA V5上的深入研究，黃藏寺項(xiàng)目前期模型在創(chuàng)建之初，就采用了基于參數(shù)化骨架和模板化建模的正向建模方式。通過(guò)建立“項(xiàng)目—專(zhuān)業(yè)—建筑物”的三級(jí)骨架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于建筑物軸系、控制點(diǎn)及控制面為基礎(chǔ)的全參數(shù)化模型，通過(guò)參數(shù)調(diào)整就可快速對(duì)方案進(jìn)行修改。通過(guò)該方法，項(xiàng)目快速進(jìn)行了十余個(gè)方案的比較，如圖5所示。

除此以外，借助多年積累的模板庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了重力壩、廠房、施工導(dǎo)截流、道路等建筑物的快速建模，有效的支持了方案比選階段工作。

圖5 參數(shù)化模型及參數(shù)化模板庫(kù)

3.2 基于設(shè)計(jì)流程的快速建模工具

CATIA軟件的模板功能實(shí)現(xiàn)容易，修改方便，是很好的知識(shí)傳遞工具。但由于沒(méi)有很好的圖形化界面輔助，設(shè)計(jì)人員在使用模板時(shí)需要對(duì)參數(shù)含義非常了解，且要求創(chuàng)建模板的人員具有非常高的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，這極大的增加了管理成本。

通過(guò)總結(jié)建筑物設(shè)計(jì)及建模流程，在參數(shù)化模板庫(kù)、基本參數(shù)庫(kù)以及設(shè)計(jì)流程書(shū)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)用CATIA API并結(jié)合設(shè)計(jì)人員熟悉的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)模型流程化創(chuàng)建。該方法極大提高了建模速度，減少了建模出錯(cuò)的幾率，如圖6所示。

本項(xiàng)目中，由于可布置的空間較為狹小，廠房成為設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。在總結(jié)了一般地面廠房的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)整合設(shè)計(jì)流程和模板技術(shù)，開(kāi)發(fā)出基于流程的地面廠房設(shè)計(jì)輔助軟件，實(shí)現(xiàn)了廠房的快速建模、穩(wěn)定計(jì)算、計(jì)算書(shū)輸出及工程量統(tǒng)計(jì)等功能。且這種調(diào)節(jié)是雙向的，可以通過(guò)計(jì)算書(shū)調(diào)整模型，也可以調(diào)整模型生成新的計(jì)算書(shū)。

圖6 流程化廠房建模工具

3.3 基于BIM的設(shè)計(jì)仿真一體化流程

在水利工程設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)計(jì)算及邊坡穩(wěn)定分析是設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。通過(guò)BIM模型適當(dāng)處理，形成用于計(jì)算分析的專(zhuān)用模型，可以有效的減少前處理工作量，大大提高計(jì)算分析整體進(jìn)度。

本項(xiàng)目利用CATIA軟件與其他計(jì)算分析軟件的接口分析，總結(jié)出一套適用于Ansys、FLAC3D及3DEC的模型簡(jiǎn)化方法和模型轉(zhuǎn)換工具，極大的減少了模型在進(jìn)入計(jì)算仿真軟件后的精度損失，降低了破損面產(chǎn)生的幾率，如圖7所示。

圖7 基于BIM的設(shè)計(jì)仿真一體化流程

特別是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用統(tǒng)一的計(jì)算分析專(zhuān)用模型，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科計(jì)算分析數(shù)據(jù)源統(tǒng)一，可有效避免不同的分析計(jì)算軟件，由于采用的前處理工具不同，以及建模簡(jiǎn)化方式的不同造成的計(jì)算結(jié)果誤差。

4 施工階段BIM應(yīng)用

4.1 基于AR的增強(qiáng)圖紙交付

在傳統(tǒng)的施工圖交付環(huán)節(jié)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，現(xiàn)場(chǎng)交底常常持續(xù)數(shù)周，且還時(shí)常出現(xiàn)施工結(jié)果與設(shè)計(jì)意圖不符的現(xiàn)象。為解決這個(gè)問(wèn)題，很多大的施工企業(yè)采取了多種技術(shù)手段來(lái)保證設(shè)計(jì)交付的成果更容易理解。

在本工程施工圖交付初期，項(xiàng)目組綜合比較了三維模型交付、AR交付、VR交付等多種方案。經(jīng)過(guò)比較，三維模型交付存在交付文件多、需要轉(zhuǎn)換格式、細(xì)節(jié)丟失等問(wèn)題，而VR交付與AR交付效果相對(duì)較好。但VR設(shè)備沉重，攜帶不便且有空間限制，雖然沉浸效果更好，但使用受限；而AR交付可通過(guò)手機(jī)掃描圖像或二維碼實(shí)現(xiàn)，更簡(jiǎn)便快捷，也符合當(dāng)前人人有手機(jī)的環(huán)境。最終項(xiàng)目選擇了基于AR的增強(qiáng)圖紙交付。

通過(guò)基于圖像的手機(jī)AR程序，在掃描圖紙上的圖像后，即可顯示出來(lái)該圖紙的三維模型，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)近操作，還可以進(jìn)入模型內(nèi)部觀察具體結(jié)構(gòu)，極大降低了通過(guò)該方法交付圖紙的理解難度。特別是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工人員，可快速比較設(shè)計(jì)模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，實(shí)現(xiàn)快速糾偏，減少返工和浪費(fèi)現(xiàn)象，如圖8所示。

圖9 設(shè)計(jì)施工一體化數(shù)字交付流程

圖8 基于AR的增強(qiáng)圖紙交付系統(tǒng)

4.2 基于BIM的數(shù)字化交付

BIM的核心在于實(shí)現(xiàn)信息在工程全生命周期內(nèi)的流動(dòng)，因此設(shè)計(jì)信息如何交付于施工，施工信息如何繼續(xù)在運(yùn)維階段應(yīng)用，成為了基于BIM的數(shù)字化交付的核心。

本項(xiàng)目利用了一系列現(xiàn)有和新開(kāi)發(fā)的BIM模型輔助工具，來(lái)解決BIM信息集成與傳遞過(guò)程中的數(shù)據(jù)交付問(wèn)題，如圖9所示。

在本項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，交付管理主要分為2個(gè)方面，一個(gè)是面向下游專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)交付，一個(gè)是面向業(yè)主和施工單位的外部交付。

通過(guò)基于三體系文件規(guī)定的詳細(xì)BIM設(shè)計(jì)交付流程和BIM成果交付標(biāo)準(zhǔn)，在公司內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了基于BIM模型的設(shè)計(jì)交付流程，滿足了上下游專(zhuān)業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)共享和設(shè)計(jì)延續(xù)性的要求。

在施工階段，根據(jù)質(zhì)量驗(yàn)評(píng)單元?jiǎng)澐趾瓦M(jìn)度編制要求對(duì)設(shè)計(jì)模型劃分，分塊采用基于CATIA自主開(kāi)發(fā)的分塊程序進(jìn)行劃分，每塊模型通過(guò)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)入模型文件數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，通過(guò)在基于BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)和模型文件數(shù)據(jù)庫(kù)的施工管理平臺(tái)上通過(guò)與外部信息數(shù)據(jù)庫(kù)的整合，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中的質(zhì)量、安全、進(jìn)度和成本的全過(guò)程記錄，形成基于質(zhì)量驗(yàn)評(píng)單元的施工管理模型。

該數(shù)據(jù)庫(kù)還可用于后期竣工交付生成對(duì)應(yīng)的竣工BIM模型，并為后期運(yùn)維的數(shù)據(jù)接入提供對(duì)應(yīng)的接口。從而形成全生命周期BIM數(shù)字化交付。

4.3 三端合一的施工管理平臺(tái)

作為以設(shè)計(jì)為核心的總承包項(xiàng)目，如何更有效的管控施工隊(duì)伍，完成對(duì)項(xiàng)目的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本更有效的管理，成為了總承包項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。

本工程在分析工程應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同的數(shù)據(jù)的安全級(jí)別的篩分，分別將不同的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在公有云和私有云兩套平臺(tái)上，再通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)混合云平臺(tái)下的基于BIM的施工管理平臺(tái)，如圖10所示。

整套系統(tǒng)通過(guò)BIM模型導(dǎo)入接口和外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口實(shí)現(xiàn)了與外部數(shù)據(jù)交互的目的。系統(tǒng)內(nèi)部，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層的調(diào)用和數(shù)據(jù)錄入，并通過(guò)接入服務(wù)實(shí)現(xiàn)不同客戶端接入時(shí)的訪問(wèn)請(qǐng)求。通過(guò)業(yè)務(wù)展現(xiàn)層，實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)的模塊化組合。通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、服務(wù)層（包括接入服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)）和業(yè)務(wù)展現(xiàn)層的三層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)“三端合一”施工管理系統(tǒng)。

該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了客戶端（BIM應(yīng)用綜合管理平臺(tái)）、網(wǎng)頁(yè)端（智慧工地管理系統(tǒng)與驗(yàn)評(píng)及危險(xiǎn)源管理系統(tǒng)）及移動(dòng)端（驗(yàn)評(píng)及危險(xiǎn)源管理系統(tǒng)）數(shù)據(jù)的融合，一端上傳，多端可查。同時(shí)，利用客戶端、網(wǎng)頁(yè)端及移動(dòng)端各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的整合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)整個(gè)施工工地的數(shù)字化。

圖10 基于BIM的施工管理系統(tǒng)框架圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)BIM技術(shù)在黑河黃藏寺水利樞紐的綜合應(yīng)用，初步探索出一套設(shè)計(jì)施工一體化BIM解決方案。通過(guò)充分發(fā)揮CATIA／ENOVIAVPM系列軟件在知識(shí)工程中的強(qiáng)項(xiàng)，形成以骨架設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，參數(shù)化模板為構(gòu)件的水工BIM設(shè)計(jì)方法。通過(guò)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，有效降低了工程設(shè)計(jì)中的錯(cuò)、漏、碰的問(wèn)題。通過(guò)BIM模型實(shí)現(xiàn)了計(jì)算模型、出圖模型的派生，加快了設(shè)計(jì)速度，減少了出問(wèn)題的幾率。

通過(guò)新技術(shù)的應(yīng)用，降低設(shè)計(jì)單位與施工單位之間的理解偏差，有效降低了與施工企業(yè)的溝通成本。通過(guò)各方共同參與的基于BIM的施工管理平臺(tái)的建設(shè)，極大提高了EPC的進(jìn)度、安全、質(zhì)量及成本控制能力。通過(guò)該平臺(tái)，為后期數(shù)字化交付提供基礎(chǔ)資料，可有效減少資料整理時(shí)間，加快竣工資料的移交，并為后期運(yùn)維提供真實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過(guò)本項(xiàng)目構(gòu)建的設(shè)計(jì)施工一體化的BIM解決方案，可繼續(xù)移植到其他總承包項(xiàng)目中，為總承包項(xiàng)目的信息化樹(shù)立新的典范。

［1］劉海瑞.水利工程建設(shè)進(jìn)度管理數(shù)字化探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（01）：62-64.

［2］劉輝.水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)信息化發(fā)展思考［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2017（01）：78-81.

［3］李斌，宗志堅(jiān)，鄭會(huì)春.水利水電工程三維設(shè)計(jì)方法引進(jìn)與研究［J］.人民黃河，2011（05）：136-137.

［4］李向東，霍莉莉，劉艷娟.三維技術(shù)與BIM在水利設(shè)計(jì)行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展探索［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2017（10）：141-167.

［5］王小平，王陸，藺志剛.基于CATIA設(shè)計(jì)表的水工建筑物關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)［J］.水利水電技術(shù)，2013（01）：53-55.

［6］藺志剛，王大川，王陸，等.CATIA在水工隧洞三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.人民黃河，2011（05）：143-144.

［7］李瑞陽(yáng)，張磊，王帥.三維“廠房CAD”輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2017（09）：151-153.

［8］杜龍飛，王友樂(lè).基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的重力壩三維建模構(gòu)建［J］.水電能源科學(xué)，2017（04）：85-89.