(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450000)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

蘇阿皮蒂水電站(地理坐標(biāo)為北緯10°25′西經(jīng)13°15′)位于幾內(nèi)亞西部孔庫雷河河中游，距首都科納克里135km。水庫總庫容74.89億m3，裝機(jī)容量450MW，年發(fā)電量20億千瓦時(shí)，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型，大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120m，項(xiàng)目建成后將扭轉(zhuǎn)幾內(nèi)亞國內(nèi)的能源短缺局面，讓幾內(nèi)亞由電力進(jìn)口國成為電力出口國，工程效果圖如圖1所示，BIM模型如圖2所示，工程現(xiàn)狀如圖3所示。

圖1 工程效果圖 圖2 3D模型圖

圖3 電站施工現(xiàn)狀

1.2 工程難點(diǎn)

本工程為國際工程，面臨的主要難點(diǎn)如下[1]：

(1)工期緊、任務(wù)重。2016年1月與幾內(nèi)亞政府簽訂融資—設(shè)計(jì)—采購—施工總承包F+EPC合同，合同工期只有58個(gè)月，與國內(nèi)同類工程相比短17個(gè)月，混凝土月澆筑高峰強(qiáng)度高達(dá)20×104m3。

(2)地質(zhì)條件復(fù)雜、需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)。覆蓋層最大厚度45m，邊坡最大高度150m，巖石遇水軟化，存在軟弱夾層，地質(zhì)條件復(fù)雜，大壩穩(wěn)定、安全、投資問題突出，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)。

(3)建設(shè)環(huán)境苛刻、對設(shè)計(jì)的要求高。合同明確要求采用歐美標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)文件的實(shí)施須通過YREC(設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì))、CWE(總包方)、CTEB(分包商)、SECC(中方監(jiān)理)、TEF(法國咨詢)的層層評審； 水泥、粉煤灰、鋼材等大宗材料、設(shè)備及零配件均需從國外進(jìn)口，采購運(yùn)輸周期至少6個(gè)月，存在極大的工期風(fēng)險(xiǎn)。

(4)施工人員理解設(shè)計(jì)意圖能力不足。施工人員有2/3為當(dāng)?shù)毓蛦T，文化水平低、專業(yè)技能差，他們理解設(shè)計(jì)意圖的能力不足。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

為解決工程面臨的難點(diǎn)，項(xiàng)目組決定以3DE平臺及自主開發(fā)的設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)全階段的正向?qū)崟r(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步延伸設(shè)計(jì)服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈，為項(xiàng)目全生命周期提供重要支撐，實(shí)現(xiàn)可交付的工程數(shù)字化資產(chǎn)，借助“一帶一路”的戰(zhàn)略平臺，助力“中國元素”，“中國技術(shù)”、“中國標(biāo)準(zhǔn)”、“中國品質(zhì)”走向國際舞臺。

2.2 實(shí)施方案

針對本項(xiàng)目的BIM應(yīng)用特點(diǎn)，從可研階段、初設(shè)階段至施工圖階段全階段進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，項(xiàng)目實(shí)施前，研究制定符合水利水電行業(yè)的BIM設(shè)計(jì)階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)模型的精細(xì)程度和設(shè)計(jì)深度滿足變更設(shè)計(jì)階段的條件時(shí)，程序自動(dòng)判斷并跳入下一設(shè)計(jì)階段，在設(shè)計(jì)周期內(nèi)，模型不是間斷的，是具有連續(xù)性的，這樣可以提升模型成果的連續(xù)應(yīng)用和使用效率?；贓NOVIA在本地進(jìn)行項(xiàng)目管理，管理項(xiàng)目的人力資源及設(shè)計(jì)成果，所有的設(shè)計(jì)成果均儲(chǔ)存于云服務(wù)器上，確保數(shù)據(jù)的可追溯性。對于施工現(xiàn)場，采用自主開發(fā)的信息管理程序進(jìn)行現(xiàn)場文檔的管理，避免現(xiàn)場設(shè)計(jì)文檔的管理混亂問題，在設(shè)計(jì)信息的管理上提高標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 團(tuán)隊(duì)組織

為確保項(xiàng)目能如期實(shí)現(xiàn)，本項(xiàng)目由公司董事長主管、工程院院長主抓、項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)，BIM設(shè)計(jì)執(zhí)行團(tuán)隊(duì)成員均為各專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)骨干，全程參與該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，同時(shí)擁有豐富的BIM理論及實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，避免設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與BIM團(tuán)隊(duì)分離問題。

2.4 應(yīng)用措施

蘇阿皮蒂水電站工程BIM設(shè)計(jì)的成功實(shí)施，在于團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格執(zhí)行公司的BIM標(biāo)準(zhǔn)，公司編制了《3DE協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)程》、《地理位置及地形建立手冊》、《資源庫管理手冊》、《三維校審流程》、《設(shè)計(jì)文件版本變更細(xì)則》、《三維標(biāo)注及工程圖規(guī)范》等BIM標(biāo)準(zhǔn)，針對設(shè)計(jì)權(quán)限的管理、協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的建設(shè)、項(xiàng)目文檔管理、不同設(shè)計(jì)階段文件版本升級、地形地質(zhì)建模、二維圖紙等做了嚴(yán)格要求，確保項(xiàng)目在全階段特別是施工圖階段能實(shí)現(xiàn)可用于施工的精細(xì)化模型、工程量、圖紙的同步鏈接，為項(xiàng)目開展正向設(shè)計(jì)提供技術(shù)準(zhǔn)則。

2.5 軟硬件環(huán)境

在軟件方面，本項(xiàng)目最主要的協(xié)同軟件為法國達(dá)索公司最新3DEXPERIENCE平臺， 3DE是在CATIA V5的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，具有更強(qiáng)的專業(yè)性、高效性、可擴(kuò)展性的先進(jìn)設(shè)計(jì)平臺，結(jié)合其他諸如CATIA V5、CATIA Composer、ANSYS、ABAQUS、Visual Studio等商用軟件，通過自主開發(fā)的接口程序，實(shí)現(xiàn)BIM信息的共享。

圖4 協(xié)同設(shè)計(jì)構(gòu)架

在硬件方面，所有BIM工程師配備惠普塔式工作站，中央處理器為Intel(R)E3-1270，顯卡配置為NVIDIA Quadro P2000，內(nèi)存2×16G DDR4-2400，系統(tǒng)硬盤配置256G固態(tài)硬盤。

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

在可研階段、初設(shè)階段和施工圖階段全階段，基于3DEXPERIENCE平臺開展規(guī)劃、地質(zhì)、水工、廠房、施工、機(jī)電、金結(jié)、造價(jià)等多專業(yè)實(shí)時(shí)正向設(shè)計(jì)，不同階段模型精細(xì)度和復(fù)雜程度在不斷深化，到施工圖階段時(shí)，整體模型存儲(chǔ)空間高達(dá)3.2G。

在可研階段，主要完成壩型、壩線方案的比選工作，采用參數(shù)化模型快速建立不同壩線及壩型的大壩外形模型。在初設(shè)階段，確定壩型、壩線方案后，在其對應(yīng)的外形模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)加工處理，形成帶電氣、金結(jié)等設(shè)備的詳細(xì)模型，在施工圖階段延續(xù)初設(shè)階段的詳細(xì)模型，實(shí)施進(jìn)一步精細(xì)化處理，進(jìn)行精準(zhǔn)壩基開挖設(shè)計(jì)，混凝土合理分區(qū)，電氣設(shè)備布置，管線等設(shè)計(jì)，并形成工程量BOM表格，最終生成二維施工圖紙，用于施工。

3.2 BIM應(yīng)用情況

(1)基于3DE平臺的實(shí)時(shí)正向協(xié)同設(shè)計(jì)

依托3DE平臺，可以實(shí)現(xiàn)各專業(yè)實(shí)時(shí)在線協(xié)同作業(yè)； 模板、族庫[2]等知識庫資源都存在于服務(wù)器，保證數(shù)據(jù)源的唯一性； 基于模型全貌的實(shí)時(shí)獲取，能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)度及時(shí)把控，基于在線工作用戶信息管理，及時(shí)了解項(xiàng)目占用人力資源情況， 3DE平臺的協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖4所示。

目前BIM應(yīng)用大多停留在依據(jù)CAD的翻模，翻模是BIM發(fā)展的一個(gè)過程，有它積極的作用，我們在水利水電工程中應(yīng)用BIM進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，目的在于發(fā)掘BIM真正的價(jià)值[3-4]。本項(xiàng)目的正向設(shè)計(jì)過程主要是：依據(jù)三維地勘數(shù)據(jù)，建立地形地質(zhì)模型，多專業(yè)實(shí)時(shí)在線協(xié)同，建立不同階段的BIM模型，項(xiàng)目管理層在線進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)度把控和設(shè)校審，全面掌控動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)出圖和指導(dǎo)施工，具體設(shè)計(jì)過程如圖5所示。

(2)企業(yè)級資源庫建設(shè)

完善并豐富企業(yè)級資源庫，拓展了常用的土建庫，形成標(biāo)準(zhǔn)的GB/IEC機(jī)電庫，到目前為止總?cè)霂炝慵_(dá)20 000多個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化模型400多個(gè)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)部之間知識最大化共享，減少重復(fù)勞動(dòng)，提高企業(yè)資源利用率。

(3)重力壩智能設(shè)計(jì)

將設(shè)計(jì)規(guī)范和公司自有的知識工程結(jié)合起來，自主開發(fā)重力壩智能設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)重力壩設(shè)計(jì)的規(guī)范化、智能化，能快速完成重力壩的設(shè)計(jì)。本程序能讓新員工快速上手，將工程師從繁雜的制圖中解放出來，更加致力于重力壩本身的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)當(dāng)中。

(4)復(fù)雜壩基開挖優(yōu)化

圖5 正向設(shè)計(jì)流程

圖6 開挖方式對比圖

圖7 泄流底孔壩段優(yōu)化設(shè)計(jì)

在以往的開挖設(shè)計(jì)中，在土巖分界面附近，只能按簡化的單一坡度進(jìn)行開挖，若按土層進(jìn)行開挖，開挖邊坡緩、邊坡設(shè)計(jì)保守，若按巖層進(jìn)行開挖，開挖邊坡陡、工程量雖省但邊坡不安全[5]，采用BIM技術(shù)，在土巖分界面附近精準(zhǔn)開挖，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際揭露的地質(zhì)情況，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整地質(zhì)模型和開挖設(shè)計(jì)，既能保證邊坡的穩(wěn)定，又能保證工程量的最優(yōu)化，具體的壩基開挖方式對比如圖6所示。包括以下幾個(gè)方面：

1)泄流底孔壩段優(yōu)化

采用BIM模型、CFD計(jì)算模型、物理模型進(jìn)行相互驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)流道邊墻存在摻氣不充分的問題，將會(huì)嚴(yán)重影響建筑物的質(zhì)量安全和使用壽命，通過反復(fù)調(diào)整模型，直到滿足摻氣要求，保證設(shè)計(jì)成果的安全性和可靠性，具體過程優(yōu)化過程如圖7所示。由于結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，根據(jù)BIM模型、有限元模型、三維配筋模型進(jìn)行壩體三維配筋設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模型共享，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，鋼筋出圖時(shí)間由傳統(tǒng)的2個(gè)月縮短為1個(gè)月，設(shè)計(jì)文件一次性通過咨詢審批。

2)弧形閘門優(yōu)化設(shè)計(jì)

閘門設(shè)備由中國生產(chǎn)制造，運(yùn)輸至幾內(nèi)亞項(xiàng)目現(xiàn)場安裝，設(shè)計(jì)、制造加運(yùn)輸時(shí)間長，一旦產(chǎn)品出現(xiàn)問題返廠將延誤工期至少6個(gè)月，代價(jià)巨大。利用資源庫，快速組建閘門BIM模型，運(yùn)用DMU運(yùn)動(dòng)仿真，解決閘門運(yùn)動(dòng)干涉問題，使閘門在出廠前滿足設(shè)計(jì)要求，保證工期如期實(shí)現(xiàn)，具體如圖8所示。

圖8 弧形閘門優(yōu)化設(shè)計(jì)

3)大型設(shè)備吊裝工藝模擬

水電站轉(zhuǎn)子起吊是機(jī)電設(shè)備安裝具有里程碑意義的環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)子作為全廠設(shè)備最重件(約310t)，其安裝前和機(jī)組檢修時(shí)的放置位置的板梁結(jié)構(gòu)需根據(jù)設(shè)備重量精確計(jì)算，一旦位置出現(xiàn)偏差，將導(dǎo)致廠房結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，且在轉(zhuǎn)子吊裝過程中，跨越體型較大的定子機(jī)座，需要提前設(shè)定轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過對水電站的轉(zhuǎn)子起吊過程進(jìn)行可視化模擬，對優(yōu)化廠房的空間結(jié)構(gòu)，節(jié)省工程量，指導(dǎo)業(yè)主及施工單位制訂轉(zhuǎn)子吊裝工藝流程，提高吊裝精度，減少誤操作，具有重要的意義[6]，吊裝模擬過程如圖9所示。

圖9 大型設(shè)備吊裝工藝模擬

4)基于BIM的設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)開發(fā)

結(jié)合BIM、互聯(lián)網(wǎng)和先進(jìn)的圖形顯示引擎，自主研發(fā)設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)，將輕量化BIM模型與現(xiàn)場設(shè)計(jì)文檔相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模型的交互式查詢，實(shí)時(shí)更新、查看任意時(shí)刻設(shè)計(jì)進(jìn)度、施工進(jìn)度的輕量化模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件的數(shù)字化交付，將設(shè)計(jì)圖文檔管理、設(shè)代日志、設(shè)計(jì)變更每周例會(huì)等進(jìn)行管理，逐漸形成可追溯的大數(shù)據(jù)，提升項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)管理水平，設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)界面及功能

4 應(yīng)用效果

基于3DE平臺的協(xié)同正向設(shè)計(jì)，確保了數(shù)據(jù)源唯一性、方案最優(yōu)性、實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)進(jìn)度的把控、人力資源的管理。通過本項(xiàng)目的積累，豐富并完善了企業(yè)資源庫，新增庫文件2 000余個(gè)，庫文件總量達(dá)2萬量級，標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化模型達(dá)400多個(gè)。開發(fā)重力壩智能設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)重力壩設(shè)計(jì)的規(guī)范化、智能化，快速化，設(shè)計(jì)時(shí)間縮短3個(gè)月?；贐IM的設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)開發(fā)，規(guī)范了如設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)變更、設(shè)計(jì)通知、計(jì)算書等設(shè)計(jì)信息的管理，提升項(xiàng)目整體管理水平，溝通效率提升70%。通過壩基的開挖優(yōu)化，節(jié)省開挖量23.8×104m3，直接節(jié)省投資152.79萬美元，減少開挖工期3個(gè)月。對壩體及閘門的優(yōu)化分析計(jì)算，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間1個(gè)月，爭取工期4個(gè)月，避免工期延誤6個(gè)月。

5 總結(jié)

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)依托3DE平臺實(shí)現(xiàn)多專業(yè)實(shí)時(shí)、在線、協(xié)同、正向設(shè)計(jì)，確保數(shù)據(jù)源的唯一性和設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)性，基于最新設(shè)計(jì)產(chǎn)品全貌的實(shí)時(shí)獲取，全方位及時(shí)把控設(shè)計(jì)進(jìn)度，基于在線工作用戶信息，及時(shí)了解項(xiàng)目占用資源和人力成本消耗實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)全過程數(shù)據(jù)管理，開創(chuàng)了數(shù)字設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)全新的工作模式；

(2)自主研發(fā)重力壩智能設(shè)計(jì)程序，將設(shè)計(jì)規(guī)范和公司自有知識工程融入其中，實(shí)現(xiàn)了水利水電工程設(shè)計(jì)的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速化；

(3)自主開發(fā)應(yīng)用可交付的“基于BIM的設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)”，為水利水電工程的BIM應(yīng)用提供了有利的支撐平臺和可借鑒的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5.2 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

(1)公司現(xiàn)有的BIM標(biāo)準(zhǔn)體系還存在一些不足的地方，還需要進(jìn)一步規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；

(2)三維校審在檢測模型的碰撞問題上有很強(qiáng)的優(yōu)勢，但在檢查模型的樁號、尺寸、角度等具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面沒有CAD直觀，原因在于CAD校審時(shí)有大量的標(biāo)注信息做參考，如何更方便三維校審是下一步需要繼續(xù)研究的問題。