杜九博，李玉瑩，常倩倩，唐 芳，王曉蕾

(山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013)

BIM技術在我國基礎設施行業(yè)蓬勃發(fā)展，在水利工程項目中的應用也越來越多。但對于許多概念性的BIM技術是否已經(jīng)成熟應用，工程實踐中仍存在質疑，認為現(xiàn)階段的BIM技術主要用途仍停留于三維展示階段，投入太多的人力物力來研究BIM技術是否為時尚早、得不償失。對于已經(jīng)深入開展BIM設計的單位來說，如何最大限度地挖掘和利用BIM設計成果，提高設計產品的附加價值，是一個值得探討的課題。本文以西藏湘河水利樞紐BIM設計中的模型應用為例，介紹了我院在BIM模型應用上的探索。

1 工程概況和BIM建模

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程位于西藏自治區(qū)日喀則市，樞紐壩址位于南木林縣達那鄉(xiāng)甲措藏布和拉布藏布干流交匯處下游約1.1km，距南木林縣城約15km。該工程是國家“十三五”時期172項重大水利工程之一，也是西藏自治區(qū)“十三五”重點工程之一。工程任務以灌溉、供水、改善自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境為主，兼顧發(fā)電。工程規(guī)模為大(2)型，總庫容1.16億m3，設計灌溉面積12.49萬畝，電站裝機4萬kW，工程概算投資27.01億元。湘河水利樞紐工程由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、洞式溢洪道、導流泄洪洞、引水發(fā)電洞、電站、魚道等組成。

本項目以我院的三維協(xié)同設計平臺為基礎，采用ProjectWise軟件對各專業(yè)及其參與人員進行協(xié)同工作。在同一項目環(huán)境、同一BIM標準下，參與人員采用系列設計軟件完成本專業(yè)的設計建模、二維出圖，涉及的專業(yè)包括：測量、地質、水工、建筑、結構、道路、金屬結構、電氣等。將各專業(yè)的模型通過參考的方式完成模型總裝，工程總體布置如圖1所示。

圖1 工程總體布置圖

2 模型應用

2.1 模型的基礎應用

目前，大部分設計單位BIM模型的基礎應用主要包括各專業(yè)碰撞檢查、優(yōu)化設計方案、提取二維圖紙、工程量統(tǒng)計、可視化效果展示等，屬于BIM設計最基本的功能，本文不再展開介紹。

2.2 模型的深度應用

2.2.1多建筑物基坑聯(lián)合開挖

湘河水利樞紐工程左岸進水建筑物包括溢洪道控制段、泄洪洞進水塔、電站引水系統(tǒng)進水塔，以及相應的三條進水渠，三座建筑物距離較近，基坑較深且深度不一，基坑開挖存在重疊，三維建模時需要聯(lián)合考慮開挖工程之間的聯(lián)系，開挖面空間變化明顯，開挖建模非常復雜。該開挖工程首先基于GeoStation建立了樞紐區(qū)的整體三維地質模型、基于MapStation建立了樞紐區(qū)的整體三維地形模型，運用Microstation做好樞紐建筑物與地形、地質模型的空間定位，然后以三座進水建筑物基坑底面為基準，自下而上進行開挖邊坡三維模型的建立。建模過程隨時關注地質情況的變化，在微風化、弱風化、強風化、覆蓋層的界面變化處，需要及時調整開挖坡度的變化，以保證不同地層中的開挖坡度滿足設計要求。采用Microstation軟件可以實時、清楚地觀察每級邊坡所處的地層情況、與周圍建筑物基坑的銜接情況，在開挖效果上可以避免不滿足地勘和設計要求的邊坡出現(xiàn)，保證了邊坡開挖的可靠性。將開挖面與各巖土層的界面縫合，形成在各巖層中的開挖體，然后提出體積信息以得到精確的土石方開挖工程量，工程量的精度是傳統(tǒng)設計手段很難達到的。

溢洪道、泄洪洞、電站進水塔基坑臨時邊坡在永久建筑物完工后，需要進行回填處理，初步方案采用埋石混凝土回填，方量大、投資高；BIM設計過程中優(yōu)化為鋼筋混凝土空箱方案，如圖2所示。充分利用BIM技術在方案比選中的優(yōu)勢，對兩個方案進行了快速建模和工程量統(tǒng)計，對比結果顯示，鋼筋混凝土空箱方案可以節(jié)約三分之一的投資。

圖2 回填處理方案比選

2.2.2仿真計算

在BIM模型的基礎上，與有限元MIDAS GTS軟件銜接進行仿真分析。該聯(lián)合應用一方面可以充分利用BIM設計模型，避免在分析軟件中重復建模，節(jié)省工作時間，提高工作效率；另一方面，同一模型在不同設計階段的應用，實現(xiàn)設計建模人員與結構分析人員的協(xié)同工作，且在交互過程中模型信息不會改變，避免了各自建模造成的數(shù)據(jù)或模型不一致的問題。在湘河水利樞紐項目中，該聯(lián)合應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)大壩三維應力分析

將湘河水利樞紐大壩的BIM設計模型導入MIDAS GTS軟件進行了模擬分析，計算采用非線性鄧肯-張計算參數(shù)，經(jīng)分析可知，竣工期壩體及覆蓋層Z方向應力水平較低，壩體堆石抗剪強度尚存在較大的安全儲備。主應力最大值發(fā)生在防滲墻底部與基巖交接處，屬于局部應力集中，其余防滲墻應力均在C30抗壓強度設計值以內，防滲墻整體應力水平均在允許范圍內，計算結果符合實際情況，大壩應力分析結果如圖3所示。

圖3 大壩應力分析云圖

(2)隧洞應力與變形分析

導流泄洪洞總長827.20m，布置于左岸山體內發(fā)電洞左側，洞身段為6m×8m的城門洞形，坡降i=1∶30，洞身段長363m，Ⅲ、Ⅳ類圍巖長度分別為243.25m、109.95m，隧洞襯砌采用60cm厚的鋼筋混凝土。設計中，將隧洞BIM模型成功導入MIDAS GTS，并結合隧洞自身的施工工藝，將隧洞開挖、支護、錨桿施工等工序分為多個部分，分步加入不同的施工階段進行仿真模擬，可以得到不同施工階段的結構變形、應力應變計算結果，實現(xiàn)了BIM模型和數(shù)值仿真的有機結合，導入的BIM模型如圖4所示，錨桿內力分析云圖如圖5所示。

圖4 導入的三維BIM模型

圖5 錨桿內力分析云圖

(3)高邊坡開挖前后穩(wěn)定計算

高邊坡三維BIM模型導入MIDAS GTS進行邊坡穩(wěn)定計算，結合實際地形、地質和開挖情況，計算三維邊坡在開挖前后的穩(wěn)定性。溢洪道左岸永久邊坡高達120m，地質情況多變，其三維開挖和穩(wěn)定性計算非常重要。本工程基于三維地質模型和三維地形模型，采用Microstation構建邊坡開挖的三維模型，然后將耦合地形、地質模型的三維邊坡模型導入MIDAS GTS巖土分析軟件中，進行邊坡穩(wěn)定性計算，得到原始邊坡和開挖邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，進而為邊坡處理提供科學依據(jù)。原始邊坡BIM模型如圖6所示，原始邊坡的穩(wěn)定分析云圖如圖7所示。

圖6 原始邊坡BIM模型

圖7 原始邊坡穩(wěn)定分析云圖

2.2.3施工模擬

首先利用項目管理工具軟件將本項目的施工組織方案形成施工進度數(shù)據(jù)，然后將項目的BIM模型和施工進度數(shù)據(jù)導入Synchro 4D 施工模擬軟件，將模型與施工進度進行鏈接，利用三維動畫模擬演示工程施工的關鍵流程和技術要點，以直觀的視覺效果向施工單位、業(yè)主和專家展示施工組織設計方案。后期，還可以導入本項目的造價信息，形成模型、時間、投資于一體的5D施工組織方案。該成果不僅可以用于指導施工，還可以與實際施工進度實時進行比較，及時把握施工進度和偏差。施工進度計劃表(部分)如圖8所示。

圖8 施工進度計劃表(部分)

2.2.4VR虛擬現(xiàn)實

本項目引入VR技術，將BIM設計模型導入LumenRT軟件，實現(xiàn)對項目的沉浸式瀏覽。設計、施工、監(jiān)理、業(yè)主等各方參與人員都可以通過頭戴設備對整個項目，尤其是水電站、導流洞等復雜建筑物的內部結構和設備進行查看，1∶1的仿真體驗環(huán)境，可完整的展示建筑物的尺寸、比例和細部結構等，預先確認空間布局的合理性。VR應用場景如圖9所示。

圖9 VR應用場景

3 結語

BIM技術改變了傳統(tǒng)設計、分析、展示、施工模擬、工程管理等各專業(yè)間的界線，通過信息的傳遞大大提高了工作效率和可靠性，避免了不必要的重復工作和低級錯誤。本文介紹了我院在西藏湘河水利樞紐項目BIM設計上的一點經(jīng)驗，最大限度地挖掘BIM設計模型的利用價值，可為同類工程的BIM應用提供借鑒。目前水利行業(yè)能熟練應用BIM技術的人員較少，BIM技術與工作流程、工作方法融合還不成熟，構件庫、典型工程庫、BIM技術標準還不完善。隨著水利行業(yè)的技術發(fā)展，BIM技術能為絕大多數(shù)設計、施工人員所掌握，其實用價值也會被更多發(fā)掘，為水利行業(yè)發(fā)展做出更大的貢獻。