敖 翔，楊晨光，侯東奇

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 工程概況介紹

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫(kù)。電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪。電站采用壩式開發(fā)，水庫(kù)正常蓄水位高程2865.00m，水庫(kù)總庫(kù)容107.67億m3，消落深度80m，調(diào)節(jié)庫(kù)容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量3000MW，多年平均年發(fā)電量110億kW·h。［1］

兩河口水電站樞紐建筑物采用攔河礫石土心墻堆石壩（高295m）、左岸地下洞室群（洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流豎井泄洪洞、中后期導(dǎo)流洞）和右岸地下洞室群（地下發(fā)電廠房、引水及尾水建筑物、初期導(dǎo)流洞）的工程樞紐總體布置格局，樞紐布置錯(cuò)綜復(fù)雜。樞紐建筑物主要工程量：土石開挖約2400萬(wàn)m3、土石填筑約4160萬(wàn)m3、混凝土約365萬(wàn)m3。樞紐總體布置如圖1所示。

圖1 樞紐總體布置

300m級(jí)高土石壩與左右岸地下洞室群在深切河谷中施工布置難度極大，施工道路總長(zhǎng)約120.95km（含隧洞約65.45km），尤其施工道路與左右岸地下洞室群縱橫交錯(cuò)，空間關(guān)系復(fù)雜，工程難度大。施工總體布置與場(chǎng)內(nèi)公路如圖2所示。

圖2 施工總體布置與場(chǎng)內(nèi)公路

兩河口水電站為藏區(qū)在建最大水電站，籌建準(zhǔn)備工程于2005年12月陸續(xù)開工，工程計(jì)劃于2020年11月下閘蓄水，2021年8月第一批機(jī)組具備發(fā)電條件，2023年12月底基本完工，工程歷時(shí)長(zhǎng)。

2 BIM應(yīng)用規(guī)劃

工程全生命周期管理是對(duì)建筑物整個(gè)生命周期（規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、拆除）過(guò)程信息的綜合管理。它不是一種技術(shù)，也不是一套解決方案，它蘊(yùn)含著集成化、系統(tǒng)化的信息管理和知識(shí)管理的理念，在這一理念下產(chǎn)生很多實(shí)現(xiàn)工程全生命周期管理的技術(shù)手段和解決方案，而BIM技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)工程全生命周期管理的重要基礎(chǔ)。

兩河口水電站具有地質(zhì)條件復(fù)雜、樞紐工程布置錯(cuò)綜復(fù)雜，施工條件差，施工工期長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期的各個(gè)階段，對(duì)工程BIM技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，并提出各階段BIM技術(shù)的應(yīng)用程度和主要內(nèi)容，方便設(shè)計(jì)人員、施工人員以及業(yè)主可以全面地管控項(xiàng)目。工程全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用總體規(guī)劃見表1。

圖3 數(shù)字化設(shè)計(jì)解決方案總圖

表1 工程全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用總體規(guī)劃

3 BIM技術(shù)體系

成都院數(shù)字化設(shè)計(jì)總體解決方案以工程生命周期管理為目標(biāo)，基于統(tǒng)一的協(xié)同平臺(tái)，構(gòu)建基于三維數(shù)字化的企業(yè)最佳實(shí)踐資源庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，各專業(yè)采用便于集成的專業(yè)工具創(chuàng)建信息模型，在協(xié)同平臺(tái)上進(jìn)行綜合集成，形成工程數(shù)據(jù)中心，為各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用和全生命周期管理提供數(shù)據(jù)支撐，以減少浪費(fèi)、降低成本、減少返工、縮短工期，提升工程的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。利用BIM進(jìn)行信息管理，能夠有效支持信息在各階段間無(wú)損傳遞和實(shí)時(shí)共享，使項(xiàng)目的各參與方協(xié)同工作，大幅提高信息交流的效率，為分析和決策提供支持，實(shí)現(xiàn)建筑全生命期的可預(yù)測(cè)性和可控制性［2］。數(shù)字化設(shè)計(jì)總體方案如圖3所示。

水電工程涉及到的數(shù)據(jù)內(nèi)容可分為：基礎(chǔ)圖形數(shù)據(jù)（由GIS地理信息數(shù)據(jù)和BIM建筑信息模型數(shù)據(jù)組成［3］）、非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化文檔數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)類實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)的組織形式可以分為屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。

針對(duì)全生命周期管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息具備多元、異構(gòu)、龐大的特點(diǎn)，需建立統(tǒng)一的信息模型，以實(shí)現(xiàn)空間相關(guān)信息模型和業(yè)務(wù)的集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從空間維度和時(shí)間維度的查詢管理，從宏觀和微觀層面管理各類數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)、人員、業(yè)務(wù)、應(yīng)用的統(tǒng)一編碼體系，形成人、數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的組織關(guān)系［4］。其中，數(shù)據(jù)由GIS地理信息數(shù)據(jù)、BIM三維模型數(shù)據(jù)、空間標(biāo)注數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)對(duì)象數(shù)據(jù)構(gòu)成，GIS數(shù)據(jù)通過(guò)空間編碼與其他內(nèi)容關(guān)聯(lián)、BIM模型數(shù)據(jù)通過(guò)模型編碼與其他內(nèi)容關(guān)聯(lián)、標(biāo)注數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)注對(duì)象編碼與其他內(nèi)容關(guān)聯(lián)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)業(yè)務(wù)對(duì)象與其他內(nèi)容關(guān)聯(lián)。在內(nèi)容層，通過(guò)附加時(shí)間屬性和空間屬性實(shí)現(xiàn)與對(duì)象其他內(nèi)容關(guān)聯(lián)［5］。

人員由組織、角色和權(quán)限構(gòu)成，通過(guò)人員編碼與內(nèi)容關(guān)聯(lián)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的提取與組織，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，通過(guò)對(duì)象編碼和人員編碼提取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、質(zhì)量、投資等業(yè)務(wù)的呈現(xiàn)，信息模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息模型結(jié)構(gòu)

4 BIM技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)兩河口水電站的特點(diǎn)，根據(jù)各專業(yè)BIM應(yīng)用目標(biāo)，以工程數(shù)據(jù)中心為核心，制定模型分類、編碼規(guī)程、建模精度等標(biāo)準(zhǔn)，集成多源數(shù)據(jù)，開展項(xiàng)目多階段、多專業(yè)BIM設(shè)計(jì)。

可行性研究設(shè)計(jì)階段，注重項(xiàng)目總體布置，注重模型輕量化、三維可視化，主要輸出成果為三維方案布置、主要工程量，主要目標(biāo)是輔助不同設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析與效果展示，以利于方案決策。

測(cè)繪專業(yè)以測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS信息，構(gòu)造工程區(qū)域的三維場(chǎng)景，其他專業(yè)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工程地質(zhì)、樞紐建筑物、施工布置等專業(yè)設(shè)計(jì)。利用BIM準(zhǔn)確與所見即所得的特點(diǎn)，多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，在同一場(chǎng)景下進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案的比選。右岸地下洞室群工程地質(zhì)三維模型和樞紐建筑三維模型及空間布置如圖5、6所示。

圖5 右岸地下洞室群工程地質(zhì)三維模型

圖6 樞紐建筑三維模型及空間布置

在招標(biāo)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)工作全面前移，項(xiàng)目開工建設(shè)之前基本完成樞紐布置BIM設(shè)計(jì)、施工總布置BIM設(shè)計(jì)和廠房-機(jī)電綜合布置BIM設(shè)計(jì)三大系統(tǒng)，開展項(xiàng)目級(jí)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的研究與應(yīng)用。

樞紐布置BIM設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于完成樞紐布置格局優(yōu)化、單體結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)、三維鋼筋設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)二維出圖、碰撞檢查、工程量統(tǒng)計(jì)等工作；施工總布置BIM設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于施工場(chǎng)地布置、優(yōu)化、施工交通規(guī)劃、導(dǎo)截流建筑物設(shè)計(jì)、渣場(chǎng)、料場(chǎng)開采設(shè)計(jì)，物料動(dòng)態(tài)平衡設(shè)計(jì)等工作；廠房-機(jī)電綜合布置BIM設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于協(xié)調(diào)復(fù)雜的水機(jī)、電氣、通風(fēng)、通風(fēng)、供水等設(shè)備、線路與廠房土建工程的錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)變更，其模型圖如圖7所示，復(fù)雜地下空間布置如圖8所示。

在工程施工階段，BIM工作重點(diǎn)在于全面集成設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控等過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)管理、外部信息鏈接、系統(tǒng)更新、設(shè)計(jì)施工管理一體化應(yīng)用等功能，重點(diǎn)開展了基于施工進(jìn)度、料源質(zhì)量的兩河口水電站壩體填筑與料源供需統(tǒng)籌管理的5D-BIM技術(shù)研究與應(yīng)用。

圖7 廠房-機(jī)電綜合布置模型

圖8 復(fù)雜地下空間布置

兩河口水電站壩體填筑方量約為4000萬(wàn)m3，具有填筑工程量巨大，料場(chǎng)多且料源差異性大，建設(shè)工期長(zhǎng)，氣象條件復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)工程進(jìn)度、質(zhì)量和成本控制影響較大。其中，大壩防滲土料場(chǎng)共5個(gè)（分12個(gè)料區(qū)），料源分散，質(zhì)量各不相同，部分料場(chǎng)分區(qū)分層且空間分布相變較大；石料場(chǎng)共2個(gè)，料場(chǎng)地質(zhì)分層復(fù)雜，各層料源質(zhì)量差異明顯。因此，如何在時(shí)空關(guān)系上將料場(chǎng)開采與壩體填筑進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)、施工與管理，達(dá)到施工階段工程進(jìn)度、質(zhì)量和成本的精細(xì)化管控是工程的關(guān)鍵。

應(yīng)用5D-BIM技術(shù)通過(guò)建立料場(chǎng)信息化三維地質(zhì)模型、大壩結(jié)構(gòu)分區(qū)三維模型，以工程施工進(jìn)度計(jì)劃為載體（4D-BIM），快速進(jìn)行料場(chǎng)開采與壩體填筑進(jìn)度、質(zhì)量、流向等信息的數(shù)據(jù)交互與反饋，達(dá)到料源特性（5D-BIM）與壩體填筑參數(shù)對(duì)稱信息條件下的料源利用與壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出料場(chǎng)開采與壩體填筑的協(xié)同3M管控（進(jìn)度Schedule、質(zhì)量Quantity、成本Cost）解決方案，推進(jìn)設(shè)計(jì)施工管理一體化，達(dá)到基于5D-BIM的3M管理技術(shù)的精細(xì)化管理目的。

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中主要涉及到以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）三維原始地形及實(shí)時(shí)三維地形捕捉

開展基于激光測(cè)繪技術(shù)、攝影測(cè)繪技術(shù)及無(wú)人機(jī)技術(shù)，對(duì)料場(chǎng)地形及壩體填筑數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、精確的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)利用三維逆向建模技術(shù)開展地形三維建模的研究，提出地形快速測(cè)繪及三維模型構(gòu)建與對(duì)比的方法及流程。

（2）料場(chǎng)三維地質(zhì)模型及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)追蹤

以三維地形和二維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜料場(chǎng)分區(qū)分層地質(zhì)界面空間關(guān)系，形成三維地質(zhì)表達(dá)可視化、分析可視化和過(guò)程可視化的工程地質(zhì)數(shù)字化平臺(tái)。過(guò)程中以動(dòng)態(tài)三維地形界面及二維數(shù)據(jù)及時(shí)更新為條件，實(shí)現(xiàn)三維模型修正過(guò)程的動(dòng)態(tài)追蹤。

（3）料源供需統(tǒng)籌管理動(dòng)態(tài)跟蹤、預(yù)警與預(yù)測(cè)

開展多個(gè)復(fù)雜料場(chǎng)使用規(guī)劃，利用三維模型云計(jì)算技術(shù)，從質(zhì)量、進(jìn)度、投資等多方面進(jìn)行使用規(guī)劃優(yōu)化，提出相應(yīng)的優(yōu)化評(píng)價(jià)方法；對(duì)料場(chǎng)開采的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，并結(jié)合動(dòng)態(tài)三維模型及施工全過(guò)程仿真，采用敏感性分析方法，達(dá)到跟蹤、預(yù)警與預(yù)測(cè)的結(jié)合與統(tǒng)一。集成壩體填筑料源數(shù)據(jù)庫(kù)，為后期的工程驗(yàn)收、安全鑒定和施工期、運(yùn)行期安全評(píng)價(jià)提供強(qiáng)大的信息服務(wù)平臺(tái)。

（4）料源開采和運(yùn)輸及心墻填筑可視化仿真

基于數(shù)字大壩（需求側(cè)）、數(shù)字料場(chǎng)（供給側(cè)）、數(shù)字壩料（土料特性），研究復(fù)雜料場(chǎng)筑壩材料的動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置計(jì)算模型和方法；在大壩進(jìn)度仿真4DBIM的基礎(chǔ)上，形成“三維模型+進(jìn)度+材料特性”的5DBIM土料優(yōu)化方法。

綜合利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)開采與動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量→料源物理特性→運(yùn)輸監(jiān)測(cè)信息→填筑碾壓監(jiān)測(cè)信息→壩料物理特性等全生產(chǎn)流程的智能化監(jiān)測(cè)，綜合信息集成、追溯、分析預(yù)測(cè)和預(yù)警，如圖9所示。

圖中分別展示了10月份、11月份兩河口石料場(chǎng)開采過(guò)程中有用料界線、分區(qū)填筑界線，并和可研勘探成果得剝離情況作了對(duì)比分析。

圖9 基于料場(chǎng)地質(zhì)三維模型的源供需動(dòng)態(tài)跟蹤、預(yù)警與預(yù)測(cè)統(tǒng)籌管理

兩河口水電站通過(guò)基于施工進(jìn)度、料源質(zhì)量的5D-BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壩體填筑與料源供需統(tǒng)籌管理，優(yōu)化利用料源約40萬(wàn)m3，直接節(jié)約投資約為2000萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 BIM應(yīng)用展望

BIM技術(shù)應(yīng)用結(jié)合大模型、大數(shù)據(jù)、施工信息化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在竣工期和運(yùn)維期以及流域調(diào)度中進(jìn)行深加工，提供更為全面的信息平臺(tái)，推進(jìn)BIM技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

（1）兩河口水電站工程邊坡規(guī)模大，地下洞室群復(fù)雜，縱向擴(kuò)展將工程監(jiān)測(cè)模型集成并監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用云圖技術(shù)直觀體現(xiàn)工程樞紐的變形，結(jié)合三維工程地質(zhì)模型和建筑物模型，提供工程評(píng)價(jià)及解決方案，實(shí)現(xiàn)智慧工程運(yùn)維管理。

（2）兩河口水電站提前開展電廠虛擬化技術(shù)，為電廠管理人員提供實(shí)時(shí)觀測(cè)和判斷電廠的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及資源調(diào)配的信息平臺(tái)，及時(shí)掌握電廠各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息、通信的網(wǎng)絡(luò)狀況，并與電廠調(diào)度自動(dòng)化等管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智慧電廠運(yùn)維管理。

（3）兩河口水電站庫(kù)區(qū)范圍約100km，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，且隨著工程運(yùn)行和自然條件變化，通過(guò)3D-BIM技術(shù)進(jìn)行工程安全分析和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)管理平臺(tái)。

（4）兩河口水電站作為雅礱江流域中、下游的“龍頭”水庫(kù)，具有多年調(diào)節(jié)庫(kù)容，對(duì)下游電站補(bǔ)償效益顯著，基于3D-BIM技術(shù)，外延至流域調(diào)度、洪水期蓄泄量平衡與風(fēng)險(xiǎn)分析、達(dá)到發(fā)電效益最大化，實(shí)現(xiàn)智慧流域調(diào)度管理。

6 結(jié)語(yǔ)

兩河口項(xiàng)目BIM技術(shù)應(yīng)用密切聯(lián)系工程實(shí)際，立足科研創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，逐步實(shí)現(xiàn)由縱向打通設(shè)計(jì)全專業(yè)，到橫向打通工程建設(shè)全過(guò)程的價(jià)值創(chuàng)造，形成了全過(guò)程日趨成熟的BIM應(yīng)用技術(shù)體系。BIM技術(shù)與兩河口工程建設(shè)過(guò)程的深度融合，提升了項(xiàng)目設(shè)計(jì)品質(zhì)、優(yōu)化了施工資源配置，提高了工程建設(shè)管理水平，為工程建設(shè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，BIM技術(shù)的應(yīng)用于發(fā)展必將在今后的工程建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮更大的價(jià)值。

［1］中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.四川省雅礱江兩河口水電站可行性研究報(bào)告［R］.2013.

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