張 偉

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710001）

0 引言

水利工程的實(shí)際設(shè)計(jì)工作較為繁瑣，體現(xiàn)在二維圖紙中的信息較為復(fù)雜，需要經(jīng)驗(yàn)極為豐富的從業(yè)人員經(jīng)大量工作后方能獲得具體形態(tài)，且項(xiàng)目的產(chǎn)品信息修改困難、設(shè)計(jì)協(xié)同困難、設(shè)計(jì)周期及產(chǎn)品質(zhì)量不可控。通過BIM 技術(shù)的使用可以實(shí)現(xiàn)工程的信息化查詢和設(shè)計(jì)的協(xié)同修改，運(yùn)用BIM 技術(shù)的節(jié)點(diǎn)控制，對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行施工放樣，可優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，提高工程質(zhì)量，盡可能的減少返工，進(jìn)而縮短工期，從而保證施工交底效果并完善后期的運(yùn)維管理。再者，對(duì)于地形條件比較復(fù)雜的水利工程來說，開挖、回填量巨大，土方量的計(jì)算的精準(zhǔn)度就與工程的最終造價(jià)有著密切的關(guān)聯(lián)。運(yùn)用BIM 對(duì)工程進(jìn)行全部子項(xiàng)建模，實(shí)現(xiàn)全元素的信息化查詢和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制[1]，同時(shí)，精確完成土方的開挖、回填量計(jì)算，完成信息化工程管理，以達(dá)到方便后期運(yùn)維管理的目的。

1 采用BIM 技術(shù)原因

1.1 方便結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于項(xiàng)目大多地處山谷地帶，地質(zhì)條件較為特殊，因此常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算無法滿足設(shè)計(jì)周期要求，因而利用BIM 軟件功能，完成結(jié)構(gòu)地基布置及配筋計(jì)算[2]，可大大減少設(shè)計(jì)時(shí)間。

1.2 方便設(shè)備管路檢查

項(xiàng)目中包含各專業(yè)的管路布置（采暖熱力管網(wǎng)、給水排水管網(wǎng)、雨水收集措施、消防管網(wǎng)、鍋爐燃油管網(wǎng)、生活熱水管網(wǎng)及太陽能熱水管網(wǎng)等)，廠區(qū)及各單體中有大量管道交叉位置，利用BIM 軟件空間特性，完成各管道專業(yè)的碰撞檢查，可大大優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1.3 滿足綠色建筑分析及模擬要求

為滿足綠色建筑要求，進(jìn)行一系列綠色建筑分析及模擬，采用BIM 技術(shù)對(duì)該部分工作具有決定性的作用，如對(duì)空調(diào)房間進(jìn)行的室內(nèi)氣流組織模擬分析、建筑物的采光及日照分析、庫(kù)區(qū)總體規(guī)劃的熱島及噪聲分析等。

1.4 指導(dǎo)施工，保證施工的正確性與設(shè)計(jì)信息的完整性

利用BIM 軟件骨架化的模式進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以實(shí)際的施工順序作為其設(shè)計(jì)順序，可以做到“畫一步做一步”，切實(shí)的指導(dǎo)施工流程，利用Navisworks 系列軟件完成4D 施工流程的模擬，發(fā)現(xiàn)并解決施工難點(diǎn)，大大減小施工難度，縮短施工時(shí)間。

1.5 滿足運(yùn)營(yíng)管理需要

通過BIM 技術(shù)指導(dǎo)施工完成后，輸出composer 末端信息查詢系統(tǒng)，強(qiáng)化BIM 思維，將為業(yè)主提供更為科學(xué)先進(jìn)的管理技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)。

2 BIM 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

BIM 技術(shù)除應(yīng)用到全設(shè)計(jì)階段外，更可以輔助完善整個(gè)項(xiàng)目的各個(gè)階段：設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備安裝和運(yùn)營(yíng)管理。對(duì)施工及安裝方來說，BIM 的可視化功能，同時(shí)增加4D 信息，進(jìn)行多時(shí)間段的虛擬施工，可以優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)。

自啟動(dòng)BIM 計(jì)劃以來，一直致力于在水利工程中推廣BIM技術(shù)，先后完成了引漢濟(jì)渭三河口水利樞紐BIM 設(shè)計(jì)、陜西省延安南溝門水庫(kù)管理站BIM 設(shè)計(jì)、延安黃河引水工程BIM 設(shè)計(jì)、陜西省涇河?xùn)|莊水利工程BIM 設(shè)計(jì)等。

2.1 引漢濟(jì)渭三河口水利樞紐工程

在該項(xiàng)目前期策劃中，將BIM 技術(shù)使用該項(xiàng)工程的具體勘察設(shè)計(jì)工作中，并且由于CATIA 良好的建模能力和數(shù)據(jù)管理能力，最終確定該軟件為該項(xiàng)目的BIM 操作平臺(tái)。通過VPM平臺(tái)完成各專業(yè)的協(xié)同工作，利用多種設(shè)計(jì)軟件完成各專業(yè)（勘察測(cè)繪、土方開挖、場(chǎng)地規(guī)劃和道路建設(shè)）的三維建模任務(wù)（見圖1）等、設(shè)計(jì)和分析等工作，提高設(shè)計(jì)效率，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，精確模型細(xì)節(jié)，使工程的實(shí)際展現(xiàn)更為直觀?；贐IM 理念的解決方案幫助該項(xiàng)目的參與人員，在多方面可以利用形成的BIM 模型，以數(shù)字化的方式進(jìn)行分析計(jì)算[3]。該應(yīng)用使參建各方共享成文信息，避免了相關(guān)方的矛盾，減少了人力、資本等不必要的浪費(fèi)。

圖1 三河口電站廠房土建BIM 模型

在該項(xiàng)目中，BIM 技術(shù)輔助完成了綠色建筑的分析工作。由于項(xiàng)目所在地地處深山之中，多數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)無法獲得，因而無法進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)計(jì)算與模擬[4]。通過BIM 模型，利用Simulation CFD 等分析軟件進(jìn)行模型分析使的綠色建筑的參數(shù)分析有了可能，并獲得了較好的效果，見圖2。

圖2 三河口電站副廠房中控室空調(diào)系統(tǒng)氣流組織模擬

2.2 陜西省延安南溝門水庫(kù)管理站工程

在南溝門管理站BIM 設(shè)計(jì)的過程中，建筑專業(yè)利用Autodesk Revit Architecture 完成綜合樓的BIM 模型，同時(shí)利用CATIA 軟件完成附屬?gòu)S房的BIM 模型；利用CATIA 軟件平臺(tái)，機(jī)電專業(yè)（包括采暖、通風(fēng)、空調(diào)、動(dòng)力、給水排水、電氣、消防等）建立完備的機(jī)電設(shè)備模板庫(kù)，最終完成整個(gè)廠區(qū)的BIM設(shè)計(jì)工作。利用Autodesk Navisworks 軟件完成漫游視頻文件的制作。最后利用VR 技術(shù)完成漫游視頻的虛擬現(xiàn)實(shí)展現(xiàn)，使得整體設(shè)計(jì)在移動(dòng)端完美的表達(dá)了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念，見圖3～圖6。

作為BIM 技術(shù)與綠色建筑技術(shù)結(jié)合較為成功的一個(gè)案例，該項(xiàng)目于2015 年7 月經(jīng)過陜西省綠色建筑專家委員會(huì)評(píng)審?fù)ㄟ^，達(dá)到“一星”綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)，其模型渲染效果圖見圖7。

圖3 走廊漫游模擬

圖4 外立面漫游模擬

圖5 鍋爐設(shè)備間漫游模擬

圖6 附屬設(shè)備間漫游模擬

圖7 南溝門管理站廠區(qū)BIM 模型渲染效果圖

2.3 延安黃河引水工程

在延安黃河引水工程延水關(guān)一二級(jí)泵站的設(shè)計(jì)過程中，由于項(xiàng)目所在地區(qū)域跨流域、廠區(qū)高差較大、地質(zhì)條件復(fù)雜，建筑、暖通、給排水等專業(yè)BIM 小組全部采用常規(guī)設(shè)計(jì)流程足以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，動(dòng)力專業(yè)首先利用CATIA 軟件進(jìn)行管道及地溝分布布置，設(shè)置不利檢測(cè)點(diǎn)，然后利用鴻業(yè)管道及管廊軟件對(duì)布置進(jìn)行分析，得出管道水力計(jì)算參數(shù)及溝壁受力分析數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)獲得各檢測(cè)點(diǎn)參數(shù)，參數(shù)達(dá)到規(guī)范要求后得出最終布置方案（見圖8～圖9）。而這種處理問題的能力是常規(guī)設(shè)計(jì)所不具備的。

圖8 延水關(guān)一二級(jí)站BIM 模型渲染效果圖

圖9 延水關(guān)一二級(jí)站熱力管溝BIM 模型布置圖

2.4 陜西省涇河?xùn)|莊水利工程

涇河?xùn)|莊水利工程BIM 設(shè)計(jì)中，本次設(shè)計(jì)范圍包含地下引水發(fā)電系統(tǒng)BIM 設(shè)計(jì)和地上110kV 及GIS 樓BIM 設(shè)計(jì)。在該次設(shè)計(jì)任務(wù)中，包含以下主要目標(biāo)：利用BIM 技術(shù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，分各階段選擇適宜的技術(shù)措施；總結(jié)提煉水利行業(yè)“節(jié)能建筑”設(shè)計(jì)理念，研究適合于我省水利行業(yè)的節(jié)能技術(shù)措施并加以推廣[5]；作為我省水利行業(yè)的頭號(hào)重點(diǎn)項(xiàng)目，推動(dòng)使用并促進(jìn)BIM 技術(shù)的發(fā)展，并依托BIM 設(shè)計(jì)流程展示實(shí)際施工過程，以解決實(shí)際施工過程中遇到的問題。

項(xiàng)目中通過參數(shù)化墻體的模板（見圖10）建立，完成了墻體的節(jié)能計(jì)算的數(shù)據(jù)化處理，從各種保溫材料的可視化處理，到保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度等數(shù)據(jù)的添加。為今后做建筑的整體性節(jié)能計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。墻體結(jié)構(gòu)中各層的材料，厚度，導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的添加，方便節(jié)能計(jì)算。熱阻θ＝L/（λS）式中：λ 是導(dǎo)熱系數(shù)，L 是材料厚度或長(zhǎng)度，S 是傳熱面積。物體對(duì)熱流傳導(dǎo)的阻礙能力，與傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)度成正比，與通過的截面積成反比，與材料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。EXCEL 表格數(shù)據(jù)處理輔助模板的使用，使得通過軟件完成保溫經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算成為可能，見圖11。

圖10 GIS 樓墻體參數(shù)化模板

圖11 GIS 樓墻體保溫計(jì)算輔助工具

表1 BIM 設(shè)計(jì)項(xiàng)目信息統(tǒng)計(jì)表

3 技術(shù)創(chuàng)新分析與統(tǒng)計(jì)

在以上各水利水電工程中，全部采用了BIM 設(shè)計(jì)流程完成了實(shí)際的建模工作。在設(shè)計(jì)思維上，同樣完成了傳統(tǒng)二維思維向三維設(shè)計(jì)思路的轉(zhuǎn)變。各項(xiàng)目中相應(yīng)參數(shù)及應(yīng)用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

4 結(jié)語

水利工程施工及設(shè)備安裝條件復(fù)雜，且相關(guān)方信息重復(fù)利用率較低，通過使用BIM 技術(shù)設(shè)立水利專業(yè)的BIM 模型能有效利用既有條件完成信息的共享工作。同時(shí)，利用BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，更加精確計(jì)算土方的開挖、回填量，同時(shí)完成地質(zhì)模型的建立，為方案的進(jìn)一步確定奠定了良好的基礎(chǔ)。但是現(xiàn)階段由于軟件的推廣及應(yīng)用尚處于開始階段，針對(duì)于水利水電工程的BIM 參數(shù)化模板較少，因此在構(gòu)建相應(yīng)的BIM 模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，完善水利工程專用的參數(shù)化模板庫(kù)，并大力提高模板庫(kù)中模板的重復(fù)利用率。

通過上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，BIM 技術(shù)在大中型水利水電工程中的使用在行業(yè)內(nèi)還比較缺少，因此，BIM 技術(shù)在水利水電行業(yè)中的推廣需進(jìn)一步開展。同樣的，BIM 技術(shù)在方案決策階段，可以提供精確、參數(shù)化的設(shè)計(jì)模型，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化施工流程，減少資源浪費(fèi)有著巨大的實(shí)際意義。同時(shí)，BIM模型中工程量的提取和工程施工模擬，方便了工程的經(jīng)評(píng)有效控制和施工進(jìn)度管理，同時(shí)也將顯著提高水利水電工程的信息化程度。