鄒今春，趙春龍，李 崗，高 楊

ZOU Jin-chun,ZHAO Chun-long,LI Gang,GAO Yang

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

烏東德水電站是金沙江水電基地下游河段四大世界級巨型水電站的第一梯級，總裝機容量為1020萬千瓦。工程規(guī)模宏大，創(chuàng)下多項世界之最[1]。其導(dǎo)流洞封堵閘門采用固定卷揚式啟閉機進行操作，起升容量為18000kN，單鉤起升容量目前為國內(nèi)同類型啟閉機最大。該啟閉機設(shè)計要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計周期緊張，設(shè)計難度較大。

近年來隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，人們?nèi)找嬲J識到BIM技術(shù)的可視化、建?？臁⒛M性、優(yōu)化型、協(xié)同性和可出圖等技術(shù)優(yōu)勢[2,3]，BIM技術(shù)集成應(yīng)用能力逐步提升[4～8]，在工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。在BIM技術(shù)應(yīng)用方面水利水電行業(yè)相比建筑行業(yè)雖然存在差距，但也做了許多有意義的工作[1,9～13]，為烏東德導(dǎo)流洞18000kN固定卷揚式啟閉機采用BIM技術(shù)進行設(shè)計提供了寶貴經(jīng)驗。以CATIA為基礎(chǔ)平臺，應(yīng)用BIM技術(shù)，實現(xiàn)了對烏東德水電站導(dǎo)流洞18000kN固定卷揚式啟閉機模型多階段應(yīng)用和多模塊協(xié)同，達到了設(shè)備三維可視化展示、渲染效果處理、工程量統(tǒng)計、碰撞檢測、工程圖定制及成套出圖、虛擬施工裝配。以BIM數(shù)字模型為基礎(chǔ)，在開發(fā)用戶運維管理應(yīng)用服務(wù)方面進行了探索。

1 設(shè)計流程

烏東德水電站導(dǎo)流洞18000kN固定卷揚式啟閉機經(jīng)歷了方案設(shè)計、詳細設(shè)計、復(fù)核計算、二維工程圖、提升應(yīng)用開發(fā)及歸檔交付階段。

圖1 設(shè)計流程示意圖

方案設(shè)計階段主要是分析并響應(yīng)招標文件及業(yè)主要求，結(jié)合項目經(jīng)驗及設(shè)備特點，綜合考慮技術(shù)及經(jīng)濟指標，制定策略，完成傳動方案設(shè)計、主要零部件選型計算。詳細設(shè)計階段依據(jù)BIM三維設(shè)計大綱及作業(yè)指導(dǎo)文件，調(diào)用并豐富三維數(shù)字化設(shè)計資源，結(jié)合項目特殊要求，完成參數(shù)化模型。復(fù)核計算階段在常規(guī)計算基礎(chǔ)上，根據(jù)模型實際結(jié)構(gòu)尺寸，進行復(fù)核計算。針對特殊結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件，采用CAE計算進行可靠性復(fù)核。對復(fù)核合格后的三維模型，訂制和應(yīng)用工程圖模板，完成二維工程圖。

提升應(yīng)用開發(fā)是發(fā)揮設(shè)計源頭信息富集優(yōu)勢，結(jié)合制造、安裝、運營實際情況，開發(fā)有利于用戶作業(yè)、管理的應(yīng)用服務(wù)。最后對所有校審?fù)瓿?、修改合格后的歸檔圖、應(yīng)用服務(wù)資料一并交付用戶。

2 設(shè)計效果

烏東德導(dǎo)流洞18000kN固定卷揚式啟閉機主要包括起升機構(gòu)、機架及電氣控制系統(tǒng)。其中起升機構(gòu)由開式齒卷筒裝置、小齒輪裝置、減速器、聯(lián)軸器、電動機、工作制動器、應(yīng)急裝置、動滑輪組、定滑輪組、平衡滑輪、鋼絲繩以及高度指示器等部件組成，涉及零部件多，傳動路線復(fù)雜。由于采用了BIM建模技術(shù)，在方案設(shè)計階段即完成了相應(yīng)的投標級詳細程度的三維模型。該模型能直觀形象地表示設(shè)備的傳動原理、設(shè)備布置、總體大致尺寸，為投標方案最終贏得業(yè)主青睞增加了分量。

圖2 方案設(shè)計階段設(shè)備效果

詳細設(shè)計階段是方案設(shè)計階段的深化，主要工作是依據(jù)BIM三維設(shè)計大綱及作業(yè)指導(dǎo)文件，由設(shè)計團隊根據(jù)設(shè)備組成模塊分工合作，以設(shè)計計算為基礎(chǔ)，在CATIA VPM平臺上調(diào)用三維數(shù)字化設(shè)計資源，通過協(xié)同共享完成參數(shù)化整體模型。其中三維設(shè)計大綱根據(jù)啟閉機不同類型對文件代碼、參數(shù)格式、模型渲染顏色、模型組織結(jié)構(gòu)、模型屬性缺省信息、專業(yè)模板分級、資源庫建設(shè)管理方式及權(quán)限設(shè)置、設(shè)備零部件和模板入庫規(guī)則、協(xié)同發(fā)布文件要求、三維校審方法及流程等進行了規(guī)范，并逐步形成了三維數(shù)字化設(shè)計資源庫。

圖3 三維設(shè)計資源庫

圖4 詳細設(shè)計模型

復(fù)核計算根據(jù)模型實際結(jié)構(gòu)尺寸，以現(xiàn)行規(guī)范及招標文件為依據(jù)，進行產(chǎn)品各部位結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞壽命等復(fù)核計算。結(jié)合設(shè)備特點對深梁結(jié)構(gòu)主梁、厚板U形吊耳結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵零部件以CATIA模型為基礎(chǔ)，采用CAD/CAE參數(shù)化集成分析技術(shù)復(fù)核，為產(chǎn)品快速優(yōu)化提供有力計算支撐，提高了設(shè)計方案整體可靠性。

圖5 厚板U形吊耳結(jié)構(gòu)有限元分析

對復(fù)核合格后的三維模型定稿鎖定，將工程圖模板關(guān)聯(lián)三維模型，更新二維工程圖，完成設(shè)備全套工程圖。需要注意的是CATIA V5工程圖模塊中的圖形表達方式與我國機械制圖規(guī)定以及水利水電行業(yè)表達習(xí)慣存在差別，通過二次開發(fā)CATIA工程圖擴展工具解決了上述問題，并對CATIA工程圖模塊的焊縫表達、材料表自動生成等功能進行了強化。

圖6 工程詳圖示例

3 提升應(yīng)用

傳統(tǒng)設(shè)計往往止于工程圖的完成，基于BIM技術(shù)的設(shè)計由于掌握了模型和嵌入在模型中的豐富信息，除了完成碰撞檢測、工程量統(tǒng)計、效果圖渲染等操作，還可以結(jié)合制造、安裝、運維實際情況，尋找客戶需求和痛點，開發(fā)有利于用戶作業(yè)、管理的應(yīng)用和服務(wù)，在優(yōu)化設(shè)計供給的同時為設(shè)計方案加分增值。

烏東德導(dǎo)流洞18000kN固定卷揚式啟閉機設(shè)計團隊在BIM技術(shù)提升應(yīng)用方面的嘗試包括：設(shè)備日常潤滑點分布圖、運維人員行走通道導(dǎo)引及凈空間分布圖、運輸方案分塊圖、設(shè)備安裝（檢測）基準系、虛擬裝配（拆卸）、外購成套零部件三維電子信息卡等。此外在豐富產(chǎn)品展示文檔格式類型，實現(xiàn)電子產(chǎn)品輕量化，便利產(chǎn)品信息異地交流共享方面取得一些有益經(jīng)驗。

圖7 設(shè)備整體渲染效果圖

圖8 運維人員設(shè)備日常潤滑點分布圖

圖9 行走通道（消防）導(dǎo)引及凈空間分布圖

圖10 安裝（檢測）基準系

圖11 運輸安裝分塊圖

圖12 虛擬裝配動畫截屏

圖13 模型輕量化效果對比

4 結(jié)語

以CATIA為基礎(chǔ)平臺，遵照規(guī)范化的作業(yè)指導(dǎo)文件調(diào)用設(shè)計資源庫，在設(shè)計團隊內(nèi)實現(xiàn)分模塊協(xié)同，建立了賦屬性的參數(shù)化模型。融合CAD/CAE技術(shù)對關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)進行了分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠計算支撐。調(diào)用資源庫中的圖紙模板，綜合運用二次開發(fā)的工程圖擴展工具，完成了烏東德導(dǎo)流洞18000kN固定卷揚式啟閉機正向設(shè)計全套工程圖。在此基礎(chǔ)上結(jié)合用戶實際需求，發(fā)揮設(shè)計前端引領(lǐng)作用，開發(fā)出一系列制造、安裝、運維環(huán)節(jié)服務(wù)。

住建部《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中指出，著力增強BIM技術(shù)集成應(yīng)用能力，深度融合新興信息技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)管理信息系統(tǒng)一體化，為今后BIM技術(shù)應(yīng)用發(fā)展指明了方向。BIM技術(shù)在設(shè)計行業(yè)發(fā)展相對緩慢的現(xiàn)狀與BIM應(yīng)用過程中的“頭重腳輕”不無關(guān)系：BIM應(yīng)用項目對前期資源庫建設(shè)的依賴，對方案設(shè)計階段資源配置要求高，使設(shè)計資源重心前移，而后期模型利用率低。故此須舍近利、圖長遠，一方面潛心資源庫建設(shè)與優(yōu)化，提升BIM技術(shù)手段對客戶需求的快速響應(yīng)能力；另一方面以用戶需求為導(dǎo)向，向價值曲線高端延伸，深度發(fā)掘信息模型在設(shè)備運維管理中的價值效能，打造滿足用戶各個階段需求的應(yīng)用模式，優(yōu)化服務(wù)供給，提升共同價值。進而通過技術(shù)革新的累積帶動組織創(chuàng)新，助力傳統(tǒng)設(shè)計企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。