解凌飛，李 德

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430064)

0 引 言

水利水電工程項目都需要針對特定的地形、水文、地質(zhì)等方面的特點進(jìn)行幾乎全新的設(shè)計，通常情況下水電工程項目的設(shè)計和建造過程非常復(fù)雜，涉及部門和專業(yè)眾多，生產(chǎn)組織機(jī)構(gòu)龐大，協(xié)調(diào)困難，很難達(dá)到計劃的精確管理。以常規(guī)的水電工程設(shè)計流程為例，在不同深度的設(shè)計階段，都需要水工、地質(zhì)、水文、水能、機(jī)電、金結(jié)、施工、土建甚至概預(yù)算等諸多專業(yè)間的往返提資和變更確認(rèn)。其中任何一個專業(yè)數(shù)據(jù)精度和方案變更都會影響到相關(guān)的其他各專業(yè)，而傳統(tǒng)的基于文件形式的資料互提系統(tǒng)容易出現(xiàn)差錯和遺漏或設(shè)計變更通知不及時的情況，從而直接影響整個水電工程的設(shè)計質(zhì)量和進(jìn)度。其次，現(xiàn)行的生產(chǎn)組織形式在跨區(qū)域、跨部門、多專業(yè)的協(xié)作情況下效率偏低，項目設(shè)總需要通過各科室、專業(yè)負(fù)責(zé)人才能了解和掌握整個工程設(shè)計進(jìn)度和運行的大體情況，不能根據(jù)項目情況變化及時做出調(diào)整和安排。特別是，由于方案設(shè)計數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一關(guān)聯(lián)和管理，進(jìn)行多方案優(yōu)化比選時工作量大而煩瑣、重復(fù)勞動多、耗時長且校核難度大。

從某種意義上講，傳統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)和流程在一定程度上制約了企業(yè)在水電業(yè)務(wù)上的發(fā)展。因此，近年來水利水電工程中三維設(shè)計也得到越來越多的認(rèn)可和重視[1]，而BIM的出現(xiàn)使得工程項目中各專業(yè)之間的三維協(xié)同設(shè)計成為可能[2]。

本文以歐特克三維設(shè)計平臺為例，簡要論述了基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計的優(yōu)點、平臺選擇、BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同設(shè)計模式、校審流程，并對水利水電工程各專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計的要點進(jìn)行概括說明。文中的三維協(xié)同設(shè)計方法已經(jīng)成功運用到螺山泵站、鄂北調(diào)水、碾盤山水利水電樞紐等多個工程中，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計實施模式

1.1 BIM與協(xié)同設(shè)計

BIM(Building Information Modeling)是建筑信息模型的總稱，它是通過計算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字信息化等關(guān)鍵技術(shù)建立起來的，包含了建筑工程全部信息數(shù)據(jù)的三維建筑模型。它具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性八大特點。

三維協(xié)同設(shè)計準(zhǔn)確地說應(yīng)該是基于BIM三維模型設(shè)計的協(xié)同效應(yīng)。根據(jù)BIM三維模型的特點，協(xié)同平臺下各專業(yè)可從唯一的BIM三維模型中獲取項目信息，從而保證了項目信息的連續(xù)性和成果的可積累性。BIM三維模型為設(shè)計的可視化、精準(zhǔn)性提供基礎(chǔ)平臺，而協(xié)同效應(yīng)則帶來高效率、高質(zhì)量。三維協(xié)同設(shè)計的出現(xiàn)為工程設(shè)計尤其是數(shù)字化工廠設(shè)計帶來了新的設(shè)計方法和手段，對實現(xiàn)建筑的智能化也提供了基礎(chǔ)條件。

1.2 三維協(xié)同設(shè)計的優(yōu)點

三維協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)了單點效率向整體效率的過渡，解決了溝通瓶頸和信息孤島，實現(xiàn)了設(shè)計效率和質(zhì)量相互促進(jìn)提高的良性循環(huán)。

首先，三維協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)了傳統(tǒng)的專業(yè)間的配合從串行向并行的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了各專業(yè)間的協(xié)同和配合的實時同步，設(shè)計人員可以把大量耗費在傳統(tǒng)設(shè)計流程下各專業(yè)間往返協(xié)調(diào)、會簽等工作上的時間花在更高層次的設(shè)計優(yōu)化和設(shè)計創(chuàng)新上，從而提高設(shè)計水平和產(chǎn)品質(zhì)量。

其次，協(xié)同設(shè)計環(huán)境中，資料和設(shè)計數(shù)據(jù)具有唯一性和可追溯性，保證了各專業(yè)設(shè)計所需“原始數(shù)據(jù)”的及時有效，也保持了各設(shè)計階段設(shè)計成果的連續(xù)性和可積累性，從而大大降低了設(shè)計的錯誤率，減少了設(shè)計修改的工作量，提高了設(shè)計效率。

此外，三維模型設(shè)計成果信息豐富多樣但相對于二維剖面而言卻簡單明了，提高了專業(yè)配合的溝通效率和溝通質(zhì)量，無形中進(jìn)一步提高了設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。

1.3 三維協(xié)同設(shè)計平臺的選擇

與機(jī)械行業(yè)和一般意義上的土木工程設(shè)計不同，水電行業(yè)的三維設(shè)計具有其獨特性，簡單地說有如下幾點：

(1)涉及專業(yè)較多，需要多專業(yè)協(xié)同設(shè)計、并行設(shè)計，專業(yè)之間接口復(fù)雜，往返提資管理復(fù)雜；

(2)水電工程三維設(shè)計中涉及大量的企業(yè)知識的積累和重用；

(3)與地質(zhì)專業(yè)息息相關(guān)，地質(zhì)專業(yè)的精度和效率直接影響到整個三維協(xié)同設(shè)計的質(zhì)量和效率；

(4)水電工程具有唯一性，除機(jī)電和金結(jié)專業(yè)外，其他專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，絕大多數(shù)情況下難以標(biāo)準(zhǔn)化套圖。

上述水電工程的特殊性對三維協(xié)同設(shè)計基礎(chǔ)平臺提出了較高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：必須與水電行業(yè)設(shè)計技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展相一致；必須具有良好的協(xié)同能力；必須能覆蓋水電工程所有專業(yè)，支持專業(yè)模塊的定制與開發(fā)；必須具有良好的數(shù)據(jù)兼容性；必須支持設(shè)計經(jīng)驗和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的積累、重用和保護(hù)；必須具備易用性、普及性和可開發(fā)性。

目前國內(nèi)水利水電行業(yè)采用的BIM三維協(xié)同平臺主要有歐特克、Bentley、達(dá)索系統(tǒng)等，這些軟件的 BIM技術(shù)解決方案各有特色。隨著信息化的發(fā)展，沒有一款軟件可以解決各專業(yè)設(shè)計中的所有問題，上述協(xié)同平臺均是由不同功能的軟件構(gòu)成，而設(shè)計人員在協(xié)同平臺搭建的軟件環(huán)境下并行工作。

1.4 BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

清華大學(xué)軟件學(xué)院BIM課題組參照美國NBIMS標(biāo)準(zhǔn)提出了中國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)-CBIMS標(biāo)準(zhǔn)框架體系。目前為止，國家級的BIM標(biāo)準(zhǔn)共發(fā)布實施了四部：《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[3]，《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》[4]，《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》[5]，《建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》[6]。陸續(xù)發(fā)布的國標(biāo)還將有《制造工業(yè)工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)》。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)框架，我們可以把BIM標(biāo)準(zhǔn)體系分為三層[7]，第一層是作為最高標(biāo)準(zhǔn)的《建筑工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，其次是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑工程信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)》，第三層為執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，即《建筑工程設(shè)計信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》、《制造工業(yè)工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》。

在《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法》中規(guī)定，以國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，指導(dǎo)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實施。中國BIM標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)覆蓋這4個層次，形成一個相互聯(lián)系、相互融合卻又不失層次性的一個系統(tǒng)框架體系。建筑、市政、交通、鐵路等行業(yè)BIM應(yīng)用起步較早，已經(jīng)不同程序形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實施指南。為促進(jìn)水利水電行業(yè)BIM應(yīng)用，2016年10月中國水利水電勘測設(shè)計協(xié)會在北京成立中國水利水電BIM設(shè)計聯(lián)盟，目前已經(jīng)發(fā)布了《水利水電BIM 標(biāo)準(zhǔn)體系》[8]，BIM分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)、實施指南等陸續(xù)在編制中。

1.5 BIM三維協(xié)同設(shè)計模式

以歐特克三維設(shè)計為例，該平臺上BIM三維協(xié)同設(shè)計由協(xié)同管理平臺和設(shè)計平臺組成(圖1)。三維協(xié)同管理平臺(Vault)負(fù)責(zé)協(xié)同設(shè)計的流程組織、角色分配、權(quán)限管理、模型和文檔的管理與維護(hù)、數(shù)據(jù)安全性等方面的協(xié)同和管理。三維設(shè)計平臺由滿足各專業(yè)三維設(shè)計需求的軟件客戶端組成。其中Civil 3D負(fù)責(zé)三維地質(zhì)建模、土石方工程設(shè)計等；Inentor負(fù)責(zé)水工、機(jī)電金等復(fù)雜模型設(shè)計；Revit負(fù)責(zé)建筑、結(jié)構(gòu)和管路的設(shè)計；NavisWorks負(fù)責(zé)模型整合、瀏覽、校審、碰撞檢測、施工模擬、動畫制作；Infraworks負(fù)責(zé)早期規(guī)劃設(shè)計、方案比選、大場景模型可視化?；诮y(tǒng)一平臺架構(gòu)的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，簡化了協(xié)同流程，減少了數(shù)據(jù)入口，能有效避免差錯和重復(fù)勞動，提高了設(shè)計效率。

基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計平臺要建立一套完整成熟的三維協(xié)同工作流程。首先，基于項目劃分角色、權(quán)限、行為、關(guān)系及節(jié)點，明確各參與方及相互關(guān)系；其次，進(jìn)行各方協(xié)同工作總策劃，明確各方工作界面、信息溝通、建設(shè)階段、專項應(yīng)用等具體工作；再次，協(xié)調(diào)各方組織關(guān)系，嚴(yán)格依據(jù)各方協(xié)同工作策劃開展工作，加強文件及工程變更等信息管理，規(guī)范變更程序；最后，依據(jù)工程項目策劃階段制定項目數(shù)字化交付規(guī)定，開展數(shù)據(jù)整理、文件歸檔及數(shù)據(jù)交付工作[9]。圖1為基于歐特克平臺的水利水電行業(yè)各專業(yè)間的三維協(xié)同設(shè)計流程。

圖1 水利水電行業(yè)三維協(xié)同設(shè)計流程Fig.1 3-D collaborative design process for water resources and hydropower industry

水利水電工程設(shè)計一般都經(jīng)過科研設(shè)計、初步設(shè)計、施工設(shè)計幾個階段。在這些過程中，外部相關(guān)專業(yè)提出的資料數(shù)據(jù)變化是難免的。在傳統(tǒng)的CAD制圖條件下，這種數(shù)據(jù)變化，可能需要重新布置和繪制結(jié)構(gòu)相關(guān)圖紙，但在三維協(xié)同設(shè)計條件下，無論外部專業(yè)數(shù)據(jù)參數(shù)如何變化，只要重新設(shè)定相關(guān)參數(shù)，可實現(xiàn)三維模型自動更新，相關(guān)二維圖紙也自動更新，這大大提高了工作效率。

1.6 三維協(xié)同設(shè)計下的校審流程

BIM模型是各專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計的產(chǎn)物，最終成果是虛擬的三維數(shù)字化模型，而現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、提交成果的模式、貫標(biāo)體系等都是建立在二維設(shè)計的基礎(chǔ)上的，在這些體系尚未進(jìn)行大幅改革之前，三維模型必然要以二維方式輸出呈現(xiàn)。傳統(tǒng)二維設(shè)計校審模式是結(jié)合貫標(biāo)體系的要求，對設(shè)計成果進(jìn)行審查與驗證，校審對象是計算書、設(shè)計報告和二維設(shè)計圖紙等內(nèi)容。對于BIM 三維模型的整體化設(shè)計方式，需要調(diào)整校審模式才能適應(yīng)這一變化[10]。

與傳統(tǒng)校審內(nèi)容不同的是，面向的對象是三維模型，只要模型本身正確，在出圖、標(biāo)注、工程量統(tǒng)計、計算分析、各專業(yè)間碰撞沖突等方面就具有內(nèi)在邏輯的一致性，這將減輕大量煩瑣的傳統(tǒng)復(fù)核工作，從而能將精力和工作重心轉(zhuǎn)移到對BIM模型的建立、完善與驗證上。BIM 校審的重點內(nèi)容是三維模型的完整性、合理性，以及專業(yè)內(nèi)部和專業(yè)之間是否存在相互沖突碰撞的問題。

根據(jù)三維協(xié)同設(shè)計的特點，單專業(yè)的設(shè)計成果不需要改變原有的質(zhì)量校審方法。當(dāng)各專業(yè)設(shè)計工作達(dá)到一定程度時，對于協(xié)同平臺上的多專業(yè)整合模型進(jìn)行集中校審，并將通過校審修改的最終整體模型作為各專業(yè)出圖的依據(jù)，各專業(yè)出圖后再進(jìn)行圖紙的校核即可，無須審查和其他專業(yè)會簽。

2 基于BIM技術(shù)的水利水電工程三維協(xié)同設(shè)計

2.1 測繪、地質(zhì)專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計

2.1.1 三維地形曲面制作。

測繪專業(yè)將無人機(jī)正射影像生成的具有地理影像信息的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D生成地形曲面，并上傳至Vault協(xié)同平臺。創(chuàng)建的三維地形曲面滿足了下游專業(yè)在渠道設(shè)計、土方開挖、力學(xué)計算、可視化創(chuàng)建等工作上對曲面精度的要求。在InfraWorks中添加生成的地形曲面、配準(zhǔn)衛(wèi)星影像及原地面地物要素創(chuàng)建原始三維實景，然后再添加設(shè)計開挖曲面，水工、機(jī)電金及建筑景觀專業(yè)三維模型，創(chuàng)建設(shè)計三維場景，用于項目的站址分析、初步概念設(shè)計、效果展示、方案比選以及后期的施工及運維管理。

2.1.2 BIM+GIS應(yīng)用

結(jié)合GIS系統(tǒng)在模型管理、三維分析以及系統(tǒng)開發(fā)等方面的應(yīng)用優(yōu)勢，可以將Inventor、Revit模型以及InfraWorks場景模型導(dǎo)入到GIS系統(tǒng)中，應(yīng)用BIM +GIS技術(shù)開發(fā)出數(shù)字移交平臺。這就把BIM模型和各類施工、建設(shè)管理和運維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)了BIM模型與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水文監(jiān)測系統(tǒng)、防洪調(diào)度系統(tǒng)等的信息共享。BIM +GIS打通了設(shè)計、施工、運維的全生命周期流程，提高了工程信息化質(zhì)量，節(jié)省了工程投資，保障了工程工期，在具有大場景特點的水利水電項目中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.1.3 地質(zhì)三維建模

地質(zhì)專業(yè)可以通過移動終端進(jìn)行地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)的測量、收集、整理，再把采集到的地質(zhì)信息直接導(dǎo)入Civil 3D中，并根據(jù)測繪專業(yè)生成的地形曲面，通過地質(zhì)數(shù)據(jù)管理庫自動建立各地層三維曲面和地質(zhì)體模型，實現(xiàn)了下序?qū)I(yè)設(shè)計人員直觀、快速、準(zhǔn)確地了解項目工程區(qū)域地質(zhì)情況。該三維地質(zhì)模型基于Civil 3D平臺，可自動生成地質(zhì)分析成果與報告報表，也可方便、快捷的完成地質(zhì)體剖切出圖(圖2)，最后通過Vault平臺與下序各專業(yè)進(jìn)行協(xié)同。

圖2 地質(zhì)三維實體及二維剖面出圖Fig.2 Geological three-dimensional entity and two-dimensional profile mapping

2.2 水工專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計

水工專業(yè)承擔(dān)主體建筑物的設(shè)計，也是其他設(shè)計專業(yè)的基礎(chǔ)，BIM三維協(xié)同設(shè)計的主要任務(wù)有樞紐布置、基礎(chǔ)開挖、建立三維實體模型、結(jié)構(gòu)分析、與其他專業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同、二維出圖(結(jié)構(gòu)圖和鋼筋圖)。

2.2.1 水工三維模型及工程量統(tǒng)計

水工專業(yè)建模方式多種多樣，有些結(jié)構(gòu)具有獨特性，有些結(jié)構(gòu)具有一定的共性，因此水工結(jié)構(gòu)建模時要注意對結(jié)構(gòu)的劃分，并對具有共性的結(jié)構(gòu)運用參數(shù)化草圖和族庫模板進(jìn)行設(shè)計，模板建完后可以通過修改參數(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速修改，并且可在類似工程中重復(fù)運用，可大為減少重復(fù)建模所花費的時間。

BIM模型所見即所得，且自帶屬性信息，方便查詢。Inventor、Revit建立的三維實體模型可通過特性查詢實體體積。利用Civil 3D的放坡和道路裝配功能，可實現(xiàn)基礎(chǔ)開挖、回填以及渠道、道路等的設(shè)計工作，進(jìn)而可以快速求出基礎(chǔ)開挖、回填方量。

2.2.2 二維工程圖

從可研到技施階段均要出大量的二維結(jié)構(gòu)圖，傳統(tǒng)CAD繪制的二維圖之間缺少關(guān)聯(lián)，易出錯，且專業(yè)間的干涉不易查找，方案變更時可能要重新繪圖。而參數(shù)化的BIM模型可直接剖切生成具有邏輯關(guān)聯(lián)二維圖，三維模型修改后二維圖也相應(yīng)更新，有效提高了設(shè)計效率，保證了設(shè)計質(zhì)量。

Inventor和Revit中有工程圖設(shè)計模塊，通過“樣式和標(biāo)準(zhǔn)編輯器”可以方便的定制符合設(shè)計要求的工程圖樣式，這樣就能快速、便捷的生成符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖。在BIM所出的二維剖面圖的基礎(chǔ)上增加三維軸側(cè)圖(圖3)，使圖紙表達(dá)更加直觀，工程人員更容易理解設(shè)計人員的意圖。

圖3 基于BIM的三維建模及二維出圖Fig.3 Three-dimensional modeling and two-dimensional drawing based on BIM 說明：①本圖尺寸除樁號、標(biāo)高以米計外，余均以厘米計；高程系統(tǒng)為黃海高程。②設(shè)計荷載等級：公路-Ⅱ級。③設(shè)計洪水位30.36 m，梁底控制高程為31.50 m。④橋面：預(yù)制梁架設(shè)完畢后現(xiàn)澆8 cm厚C50混凝土整平層，并在其上涂一層防水劑，最后施工C40混凝土橋面鋪裝。⑤附屬設(shè)施：橋臺處設(shè)置80型伸縮縫，橋面排水采用橫向排水方式，鑄鐵泄水管。預(yù)埋在人行道板中。本圖欄桿僅為示意。⑥下部構(gòu)造：橋臺為避免開挖量過大采用輕型橋臺，橋墩采用圓形截面雙柱式墩，墩柱直徑110 cm，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑120 cm。

2.2.3 樞紐整合布置

水電站前期設(shè)計主要是對各種方案進(jìn)行比較，比如壩線比較、正常蓄水位比較、裝機(jī)容量比較、機(jī)組臺數(shù)比較、樞紐布置比較、壩型比較等。BIM三維協(xié)同設(shè)計能高效、真實地把這些方案歸集在一起，并且以盡可能直觀的方式來體現(xiàn)。在三維設(shè)計中最能體現(xiàn)樞紐布置設(shè)計精髓的就是骨架的搭建。樞紐整合之前，先由牽頭專業(yè)沿樞紐軸線建立包含地理坐標(biāo)信息的整體骨架，該骨架作為各專業(yè)三維設(shè)計整合的基礎(chǔ)。同樣，各專業(yè)為了方便建模也可以建立子骨架。各專業(yè)BIM模型設(shè)計完成后，由牽頭專業(yè)負(fù)責(zé)把各專業(yè)的三維模型與整體骨架裝配約束在一起，再與地質(zhì)三維模型一起導(dǎo)入Navisworks進(jìn)行樞紐整合、瀏覽、校審、碰撞檢測、虛擬漫游(圖4)。整合模型是一種輕量化的模型，它包含所有的BIM模型信息以及Navisworks特有的數(shù)據(jù)，如審閱、標(biāo)注、測量等。

圖4 水利水電工程樞紐整合圖Fig.4 Consolidation chart of water conservancy and hydropower project hub

由于采用參數(shù)化設(shè)計，當(dāng)各專業(yè)的三維模型的控制長度發(fā)生變化時，整合后的建筑物將根據(jù)整體骨架自動更新，而不需像常規(guī)二維設(shè)計那樣進(jìn)行索資、提資，有時還由于通知不及時而忘了根據(jù)新提資進(jìn)行布置和修改，避免耗費大量的時間在資料流通的環(huán)節(jié)上，極大地節(jié)約了設(shè)計時間和提高了工作效率。

2.2.4 數(shù)值計算仿真

目前主流的BIM軟件均與ANSYS、ABAQUS等大型有限元軟件實現(xiàn)了無縫對接。采用Inventor軟件進(jìn)行三維設(shè)計建模，然后一鍵導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行劃分有限元網(wǎng)格和計算分析(圖5)，計算結(jié)果和模型數(shù)據(jù)再導(dǎo)入《水工三維配筋軟件》進(jìn)行配筋，配筋結(jié)果可以直接轉(zhuǎn)化為二維CAD圖紙。通過三維設(shè)計的方式，一次建模，由一套模型數(shù)據(jù)完成設(shè)計、分析和配筋的所有工作。這就實現(xiàn)了水電三維協(xié)同設(shè)計和三維鋼筋圖設(shè)計有機(jī)結(jié)合起來，避免了另起爐灶在其他軟件中進(jìn)行有限元計算費時費力的問題，極大簡化了設(shè)計流程，體現(xiàn)了高效、集約的設(shè)計思路[11]。

圖5 Inventor模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行有限元計算Fig.5 Inventor model is imported into ANSYS Workbench for finite element calculation

2.2.5 三維鋼筋圖

對水工設(shè)計來說，施工圖階段工作細(xì)、任務(wù)重，尤其是鋼筋制圖是一項十分費時費力的工作，幾乎占設(shè)計總時間的60%以上。采用《水工三維配筋軟件》可以導(dǎo)入BIM軟件生成的.sat格式文件，用戶通過在三維結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建鋼筋模型，經(jīng)過切取剖面，自動生成鋼筋詳圖和信息表(圖6)，滿足施工詳圖階段鋼筋圖的供圖。當(dāng)模型結(jié)構(gòu)發(fā)生了修改時，不影響原來已布設(shè)的鋼筋，只需修改因結(jié)構(gòu)變動而需改變的鋼筋。在對二維圖作了編輯調(diào)整后，若因設(shè)計修改而需要在三維中修改鋼筋，原二維圖已作過的編輯調(diào)整位置可以被記錄，避免了重復(fù)勞動，使整個軟件性能達(dá)到了工程實用化水平。

圖6 某泵房底板三維配筋及二維出圖Fig.6 Three-dimensional reinforcement and two-Dimensional drawing of the bottom plate of a pumping house

在統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計平臺和唯一的數(shù)據(jù)源下，設(shè)計人員可方便而準(zhǔn)確的調(diào)用各專業(yè)設(shè)計完成的三維模型進(jìn)行三維數(shù)值分析或配筋設(shè)計，同時數(shù)值分析的成果亦可反饋至數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)三維配筋設(shè)計或三維模型的修正，實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了水利水電設(shè)計中三維模型設(shè)計、三維數(shù)值分析、三維配筋設(shè)計環(huán)節(jié)的高度集成和有機(jī)結(jié)合。

2.2.6 虛擬展示

利用BIM技術(shù)把場地周邊的房屋建筑信息和場地信息全部提取，在InfraWorks中真實還原一個完整的周邊建設(shè)場地模型。然后將整合后的整體樞紐導(dǎo)入InfraWorks與場地模型整合于一體，可實現(xiàn)建設(shè)方案的樞紐布置和多方案比選分析(圖7)。結(jié)合VR技術(shù)，可以突破空間限制，三維可視化瀏覽工程布置情況，并能實現(xiàn)不同天氣的場景切換，瀏覽模式多樣。逼真展現(xiàn)工程的完建場景，通過人機(jī)交互進(jìn)行場景漫游，使觀看者有如身臨其境，提高參與方對工程整體的認(rèn)識。

圖7 某泵站樞紐整體效果Fig.7 Overall effect of a pumping station hub

2.3 水機(jī)、金結(jié)、電氣專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計

2.3.1 專業(yè)模板庫的積累

機(jī)電金專業(yè)的三維設(shè)計主要是在三維空間狀態(tài)下布置已經(jīng)定型、成熟的機(jī)電設(shè)備、管路零件以及其他部件。機(jī)電專業(yè)的特殊性決定了它不需要每一次都對設(shè)備進(jìn)行三維建模，而是在項目中通過總結(jié)和歸類，把不同類型、型號和功能的設(shè)備都建模錄入到機(jī)電設(shè)備庫中(圖8)，在今后的設(shè)計使用過程中，只需根據(jù)設(shè)備的參數(shù)就可以方便的調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備模型并進(jìn)行布置。機(jī)電金設(shè)備的參數(shù)化建模與入庫在Revit軟件的族庫模塊中完成，對模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，創(chuàng)建與模型參數(shù)相關(guān)聯(lián)的設(shè)計表格，定義零件類型、屬性、編碼等信息。Revit軟件可以自動提取模型的屬性參數(shù)，并以表格的形式顯示圖元信息，從而自動創(chuàng)建、輸出各類構(gòu)件、材質(zhì)統(tǒng)計明細(xì)表。對于模型的任何修改，明細(xì)表將會自動更新。

圖8 機(jī)電金專業(yè)模板庫建立Fig.8 Establishment of professional template library of mechanical and electrical funds

2.3.2 與水工專業(yè)的協(xié)同

水機(jī)、電氣、金結(jié)專業(yè)三維建模主要在Revit軟件中實現(xiàn)，與水工專業(yè)的協(xié)同主要通過數(shù)據(jù)傳遞和骨架約束。當(dāng)水工專業(yè)三維模型、專業(yè)骨架確定以后，生成adsk文件并鏈接到Revit中生成中心文件，并將生成的中心文件放置在Vault協(xié)同管理平臺中。機(jī)電金專業(yè)將其副本下載到本地生成本地文件并進(jìn)行設(shè)備及管線布置，最后通過與中心文件同步，水機(jī)、電氣專業(yè)可以在布置管線設(shè)備時看到其他專業(yè)實時進(jìn)度，在設(shè)計中最大程度避免線路碰撞，從而達(dá)到整體的協(xié)同，大幅提高了工作效率。

2.3.3 碰撞檢測及校審

牽頭專業(yè)通過Navisworks軟件的碰撞檢測功能(圖9)，可以檢查專業(yè)與專業(yè)間及專業(yè)內(nèi)部的空間碰撞與干涉情況，從而趁早解決與水工、建筑等土建專業(yè)的沖突，實現(xiàn)精確預(yù)留預(yù)埋，使布置更優(yōu)，減少返工。碰撞檢測功能可對硬碰撞、最小間隙檢查和凈空進(jìn)行設(shè)置，碰撞結(jié)果可生成檢測報告。通過檢測結(jié)果可以快速找出碰撞部位，相關(guān)專業(yè)點擊碰撞部位后可返回Revit中進(jìn)行修改更新。

圖9 Navisworks中碰撞檢測Fig.9 Collision detection in Navisworks

通過Navisworks的審閱菜單，校審人員可進(jìn)行三維模型瀏覽、尺寸測量和碰撞結(jié)果預(yù)覽，對問題部位進(jìn)行紅線批注、標(biāo)注、注釋，校審結(jié)果可實時反饋給設(shè)計人員。

2.4 施工專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計

2.4.1 施工三維設(shè)計

施工專業(yè)在協(xié)同設(shè)計平臺上引用測繪、地質(zhì)、水工等專業(yè)的BIM模型，在Civil 3D中可以實現(xiàn)施工導(dǎo)流建筑物、施工道路、邊坡開挖、土方平衡、料場開采、生產(chǎn)加工系統(tǒng)以及施工布置等相關(guān)設(shè)計[12]。Civil 3D自帶的部件編輯器功能可以實現(xiàn)復(fù)雜模型創(chuàng)建，通過標(biāo)簽、樣式定義可生成符合設(shè)計要求的二維剖面圖。通過BIM的可視化和協(xié)同功能，在InfraWorks和Navisworks中可對地形、地貌、各專業(yè)模型、渣場、料場、道路、施工機(jī)械等匯總生成可視化的施工總布置，并進(jìn)行三維漫游、4D施工模擬，進(jìn)而實現(xiàn)了可視化的施工監(jiān)督，方便各參建方了解施工過程中的技術(shù)工藝、工程造價、工程關(guān)鍵技術(shù)、工程重點環(huán)節(jié)等，優(yōu)化了施工管理效率，提高了施工質(zhì)量。

2.4.2 施工過程4D模擬

將各專業(yè)建立的BIM模型按施工控制節(jié)點進(jìn)行劃分并導(dǎo)入NavisWorks中，可以實現(xiàn)包含時間參數(shù)的4D施工過程和工藝模擬(圖10)。根據(jù)任務(wù)分解關(guān)系，自動生成甘特圖和4D施工過程動畫。通過4D模擬可以充分展示設(shè)計意圖，了解施工全貌和整體布局，掌握工程的施工過程，減少因技術(shù)錯誤和溝通不暢帶來的協(xié)調(diào)問題。也可以定義機(jī)械設(shè)備和施工人員的各種動作，模擬多種施工方案的可操作性，及時發(fā)現(xiàn)施工中可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)而選擇最優(yōu)的施工方案，增強施工的安全性，減少返工現(xiàn)象。針對比較復(fù)雜的施工工藝、工程構(gòu)件或難以二維表達(dá)的施工部位，利用4D施工模擬進(jìn)行三維交底，從而保證施工質(zhì)量[13]。

圖10 某水利樞紐4D施工模擬Fig.10 4D construction simulation of a water conservancy project

NavisWorks中通過BIM三維模型和進(jìn)度控制技術(shù)的信息錄入，可以自行統(tǒng)計匯總，實現(xiàn)快速精確的成本核算、預(yù)算工程量動態(tài)查詢與統(tǒng)計、限額領(lǐng)料與進(jìn)度款支付自動管理等功能，從而達(dá)到以施工預(yù)算控制人力資源和物資消耗、造價信息實時跟蹤等目的。

3 結(jié) 語

本文依托歐特克三維設(shè)計平臺，討論了基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計實施模式，并對水利水電行業(yè)主要專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計要點進(jìn)行了歸納總結(jié)，為水利水電行業(yè)中三維協(xié)同設(shè)計的推廣提供借鑒。

(1)在基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計架構(gòu)內(nèi)，通過不懈的探索和大膽的創(chuàng)新，可實現(xiàn)水利水電各專業(yè)三維模型設(shè)計、三維數(shù)值分析、三維配筋設(shè)計、4D施工模擬及虛擬展示等環(huán)節(jié)的高度集成和有機(jī)結(jié)合。在統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計平臺和唯一的數(shù)據(jù)源下，運用BIM技術(shù)可以高效地完成設(shè)計、施工、運維全生命周期管理，可實現(xiàn)三維技術(shù)(包括三維設(shè)計、分析及虛擬現(xiàn)實技術(shù))向水利水電業(yè)務(wù)各層面、各專業(yè)、各環(huán)節(jié)的滲透，極大地提高了水電工程設(shè)計進(jìn)度和質(zhì)量水平。

(2)基于BIM的三維協(xié)同是一種設(shè)計方法，更是一種“文化”，不僅需要先進(jìn)的協(xié)同設(shè)計管理軟件和設(shè)計方法，還需要與協(xié)同設(shè)計相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)管理體系、生產(chǎn)管理流程、技術(shù)支撐標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)設(shè)計手冊等企業(yè)管理環(huán)境的支持，以及強有力的、可持續(xù)創(chuàng)新的實施應(yīng)用團(tuán)隊。

(3)BIM應(yīng)用一方面要進(jìn)行全專業(yè)間的三維協(xié)同設(shè)計，另一方面要深度挖掘BIM內(nèi)在隱含的信息。將BIM與互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、3D打印、VR/AR/MR技術(shù)以及3DGIS等結(jié)合在一起，使BIM技術(shù)平臺有了更為廣闊的市場。

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