郭學(xué)洋 王豪 李玲 鄭濤平

摘要：烏東德水電站地下廠房空間狹窄，機(jī)電設(shè)計(jì)要求高，設(shè)備、管道及線路復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大。以3DE（3DExperience）為基礎(chǔ)平臺(tái)，靈活應(yīng)用BIM技術(shù)，建立機(jī)電資源庫，搭建項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹，通過原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)，對(duì)總裝模型優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了烏東德水電站機(jī)電BIM正向設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：烏東德水電站機(jī)電BIM正向設(shè)計(jì)達(dá)到了機(jī)電設(shè)備三維可視化展示、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢測(cè)、工程圖定制及成套出圖、虛擬施工裝配的效果。研究成果可為其他水電工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)電設(shè)計(jì); BIM; 3DE; 地下廠房; 烏東德水電站

中圖法分類號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.005

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）01 - 0023 - 06

0 引 言

烏東德水電站位于云南省祿勸縣和四川省會(huì)東縣交界，電站裝設(shè)12臺(tái)單機(jī)容量85萬kW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。烏東德水電站是世界上已投產(chǎn)發(fā)電的第七大水電站，是中國實(shí)施“西電東送”戰(zhàn)略的骨干電源，首臺(tái)機(jī)組于2020年6月底投產(chǎn)發(fā)電，2021年6月電站全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。水電站采用地下式廠房，廠內(nèi)機(jī)電設(shè)計(jì)需要充分利用空間，要求布置美觀又便于運(yùn)維。烏東德水電站機(jī)電設(shè)計(jì)條件復(fù)雜，協(xié)調(diào)工作繁瑣，機(jī)電系統(tǒng)由多個(gè)專業(yè)、多個(gè)系統(tǒng)組合而成[1]，管道、線路規(guī)模宏大，連接復(fù)雜，設(shè)計(jì)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(rèn)識(shí)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(shì)[2-4]。隨著BIM技術(shù)集成應(yīng)用能力逐步提升，其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，在水電設(shè)計(jì)行業(yè)也逐漸得到重視[5]。

BIM作為一次工程技術(shù)的變革，在各行業(yè)中仍處于不斷摸索、自行提高的階段[6]?，F(xiàn)階段仍存在許多問題和挑戰(zhàn)。BIM技術(shù)在水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐中主要表現(xiàn)出的問題有以下幾個(gè)方面。

（1） BIM技術(shù)應(yīng)用需要投入大量資源，包括軟硬件技術(shù)條件，如BIM平臺(tái)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等。BIM項(xiàng)目實(shí)施需要既掌握BIM平臺(tái)操作又懂專業(yè)設(shè)計(jì)的工程師。

（2） 與三維技術(shù)應(yīng)用成熟的制造業(yè)不同，二維工程圖仍為水電行業(yè)設(shè)計(jì)成果的主要交付方式。BIM模型直接生成二維圖功能仍不完善，不能完全滿足現(xiàn)行制圖標(biāo)準(zhǔn)要求，電氣專業(yè)接地、照明等系統(tǒng)的圖紙圖面處理工作量較大，效率低下，仍舊采用傳統(tǒng)CAD軟件作為制圖工具。

（3） 與傳統(tǒng)方式相比，BIM技術(shù)需要設(shè)計(jì)工作內(nèi)容在前期更為深化，但作為設(shè)計(jì)條件輸入的具體設(shè)備信息模型前期又難以確定。

（4） ?BIM技術(shù)尚未形成行業(yè)生態(tài)圈，BIM設(shè)計(jì)成果在水電項(xiàng)目建設(shè)過程或全生命周期管理中還遠(yuǎn)未發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值。

因此，本文以烏東德水電站機(jī)電設(shè)計(jì)為例，采用達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systems）的3DE（3DExperience）平臺(tái)，探索和實(shí)踐了BIM技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)烏東德水電站機(jī)電BIM正向設(shè)計(jì)。本文建立了機(jī)電資源庫，搭建項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹，通過原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)，對(duì)總裝模型優(yōu)化調(diào)整，完成BIM模型出圖，達(dá)到了機(jī)電設(shè)備三維可視化展示、渲染效果處理、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢測(cè)、工程圖定制及成套出圖、虛擬施工裝配的效果，為BIM技術(shù)在其他水電工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目應(yīng)用提供了借鑒和參考。

1 機(jī)電資源庫建設(shè)

烏東德水電站機(jī)電設(shè)計(jì)包括水機(jī)、電氣、暖通及廠房等多個(gè)專業(yè)，探索應(yīng)用了3DE平臺(tái)BIM技術(shù)正向協(xié)同設(shè)計(jì)方法。3DE平臺(tái)包含了三維建模、仿真、協(xié)同數(shù)據(jù)管理及信息智能4個(gè)方面的大量模塊，所有應(yīng)用APP按用戶角色配置提供入口。不同模塊之間使用統(tǒng)一的底層數(shù)據(jù)，各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)無需通過中間格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

BIM設(shè)計(jì)軟件的使用使得設(shè)計(jì)模式發(fā)生了根本性的變革，從傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S參數(shù)化設(shè)計(jì)。基于BIM技術(shù)的機(jī)電三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程類似于搭積木，機(jī)電系統(tǒng)模型由設(shè)備、管道、線路等拼接而成。BIM模型構(gòu)件是模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資源，一般以庫的形式組織。模型資源庫可以避免大量的重復(fù)建模工作。BIM模型資源的建設(shè)管理可形成企業(yè)的信息資產(chǎn)，通過在設(shè)計(jì)過程中共享與重復(fù)使用，有效提高設(shè)計(jì)可靠性、效率和質(zhì)量?？紤]ENOVIA系列企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)實(shí)施周期較長，烏東德水電站機(jī)電設(shè)計(jì)項(xiàng)目的基礎(chǔ)3D模型資源主要采用3DE平臺(tái)的CATIA系列APP管理。

1.1 模型庫結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)件庫的創(chuàng)建和擴(kuò)充是BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的重要基礎(chǔ)性工作[7]。由于機(jī)電設(shè)備具有種類繁多、設(shè)備部件多、外形復(fù)雜等特點(diǎn)，機(jī)電模型資源庫需按專業(yè)和設(shè)備類型分為多個(gè)目錄，包括水力機(jī)械圖例庫、水力機(jī)械設(shè)備庫、管道元件庫、電氣圖例庫、電氣設(shè)備庫、電纜庫、暖通設(shè)備庫、風(fēng)管元件庫。以水力機(jī)械設(shè)備庫為例，對(duì)常用設(shè)備歸納分析，確定水力機(jī)械設(shè)備庫的目錄結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 編碼規(guī)則

BIM模型資源標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的核心和首要工作是分類和編碼。為科學(xué)合理應(yīng)用和管理BIM模型資源，模型信息編碼應(yīng)當(dāng)遵循一定的規(guī)則。各企業(yè)或項(xiàng)目實(shí)施團(tuán)隊(duì)可根據(jù)自身具體情況制定規(guī)則。模型構(gòu)件命名考慮的基本原則是：唯一、簡(jiǎn)明、規(guī)范、適用。烏東德水電站管道元件彎頭的命名規(guī)則示例見圖2。

1.3 3DE平臺(tái)模型資源庫實(shí)施

完成庫架構(gòu)的建立后，機(jī)電設(shè)備模型作為項(xiàng)目插入到對(duì)應(yīng)庫目錄章節(jié)。設(shè)備模型根據(jù)其復(fù)雜程度，可以采用不同的建模方法，難以用少量參數(shù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜外形設(shè)備模型可不使用參數(shù)化建模。標(biāo)準(zhǔn)件庫建立流程為：① 建立一般元件模型，通過參數(shù)約束模型幾何特征;② 建立設(shè)計(jì)表，設(shè)計(jì)表文件中編寫各參數(shù)數(shù)據(jù)列，將設(shè)計(jì)表數(shù)據(jù)列關(guān)聯(lián)模型參數(shù);③ 應(yīng)用表中數(shù)據(jù)從一般模型衍生系列模型零件并填充至目錄庫。

2 烏東德水電站機(jī)電BIM正向設(shè)計(jì)

2.1 正向設(shè)計(jì)實(shí)施流程

BIM正向設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使設(shè)計(jì)人員可直接在三維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，各專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用三維模型進(jìn)行溝通、方案優(yōu)化、設(shè)計(jì)成果輸出等。烏東德水電站機(jī)電BIM正向設(shè)計(jì)實(shí)施流程為：BIM策劃→合作區(qū)創(chuàng)建→結(jié)構(gòu)樹搭建及任務(wù)分解→多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)→BIM模型應(yīng)用，項(xiàng)目實(shí)施各階段工作主要內(nèi)容如下：

（1） BIM策劃。明確三維設(shè)計(jì)內(nèi)容及BIM成果應(yīng)用要求。

（2） 合作區(qū)創(chuàng)建。在3DE平臺(tái)創(chuàng)建合作區(qū)，給設(shè)計(jì)人員分派角色、權(quán)限。配置合作區(qū)機(jī)電設(shè)計(jì)資源。

（3） 結(jié)構(gòu)樹搭建及任務(wù)分解。結(jié)構(gòu)樹分層方法有多種，烏東德水電站機(jī)電三維設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹按專業(yè)劃分一級(jí)節(jié)點(diǎn)，按系統(tǒng)劃分二級(jí)節(jié)點(diǎn)。按系統(tǒng)分派工作任務(wù)。這種劃分方法更便于工作任務(wù)分解及專業(yè)間協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)人員可以從結(jié)構(gòu)樹中直接選擇目標(biāo)產(chǎn)品或零件，不用考慮其空間位置。當(dāng)需要考慮空間區(qū)域內(nèi)多專業(yè)模型零件時(shí)可直接在三維模型上應(yīng)用空間過濾器。烏東德水電站機(jī)電設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹見圖3。

（4） 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。各專業(yè)設(shè)計(jì)人員在分派的各自節(jié)點(diǎn)下進(jìn)行設(shè)備模型創(chuàng)建和方案布置。設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行專業(yè)間協(xié)調(diào)優(yōu)化，審核或會(huì)簽人員利用Design Review應(yīng)用對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行批注說明，設(shè)計(jì)人員查看、修改。多專業(yè)基于同一套數(shù)據(jù)模型并行開展設(shè)計(jì)工作。

（5） BIM模型應(yīng)用。三維設(shè)計(jì)完成后，利用BIM模型進(jìn)行設(shè)計(jì)方案VR體驗(yàn)、可視化交底、工程量統(tǒng)計(jì)、二維出圖等。

2.2 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

3DE平臺(tái)以單一數(shù)據(jù)源和基于流程的應(yīng)用為核心，原理圖驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)二維與三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可同步管理，保證數(shù)據(jù)流的一致性與準(zhǔn)確性，提高復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。機(jī)電系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)有兩種方法：① 通過二維邏輯原理圖到三維設(shè)備的映射;② 直接進(jìn)行三維設(shè)備的布放、管道、電纜通道的創(chuàng)建等[1]。考慮烏東德水電站大型工程的設(shè)計(jì)工期及BIM應(yīng)用要求，對(duì)于各專業(yè)各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法根據(jù)實(shí)際情況區(qū)別對(duì)待。在烏東德水電站合作區(qū)配置完成二維原理圖設(shè)計(jì)資源后，直接調(diào)用庫中設(shè)備元件圖例完成2D原理圖設(shè)計(jì)。烏東德水電站右岸電站8號(hào)公用電系統(tǒng)接線原理圖設(shè)計(jì)見圖4。

2.3 設(shè)備布置及管路連接

各設(shè)計(jì)人員分別根據(jù)各自的專業(yè)設(shè)計(jì)角色使用Assembly design，Piping &Tubing 3D design，Electrical 3D design，HVAC 3D design等應(yīng)用進(jìn)行機(jī)電設(shè)備布置。設(shè)備布放流程為：進(jìn)入管路設(shè)計(jì)模塊→初選放置位置→選擇庫和設(shè)備模型→調(diào)整設(shè)備位置;管道布置流程為：進(jìn)入管路設(shè)計(jì)模塊→選擇管道規(guī)格→布置管道→放置管道附件。烏東德水電站透平油系統(tǒng)設(shè)備和管路布置示例見圖5。

2.4 電纜橋架及電纜敷設(shè)

水電站電氣設(shè)備眾多，系統(tǒng)復(fù)雜，電纜敷設(shè)量較大。在前期使用Electrical sys design 應(yīng)用完成電氣原理圖設(shè)計(jì)后可直接驅(qū)動(dòng)物理模型設(shè)計(jì)。電氣系統(tǒng)三維物理設(shè)計(jì)流程見圖6。烏東德水電站右岸電站8號(hào)公用電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)實(shí)例見圖7。

3 設(shè)計(jì)效果

在3DE平臺(tái)下，通過多專業(yè)實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)，完成了烏東德水電站機(jī)電工程三維設(shè)計(jì)任務(wù)。烏東德水電站機(jī)電設(shè)計(jì)BIM技術(shù)應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)需要各個(gè)專業(yè)間通過二維圖紙進(jìn)行相互參照。由于二維制圖用時(shí)較長，專業(yè)間設(shè)計(jì)方案溝通滯后，通常會(huì)發(fā)生由于圖紙交換版本不同等原因造成的各專業(yè)之間的不協(xié)調(diào)引起設(shè)計(jì)變更。烏東德水電站機(jī)電多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了并行協(xié)同的工作方式，多個(gè)專業(yè)在同一個(gè)數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上開展各自的工作，提高了設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)過程中參考周圍相關(guān)環(huán)境，直接避免或解決沖突碰撞。通過全專業(yè)模型的“三維校審”，碰撞檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)隱藏的問題，在實(shí)際施工之前消除錯(cuò)誤碰撞，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。以往現(xiàn)場(chǎng)施工過程中的管線干涉碰撞問題在烏東德水電站發(fā)生率顯著降低。

3.2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

將大量管道在有限的空間內(nèi)順暢排布一直是傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的難題。烏東德水電站地下廠房相對(duì)緊湊，機(jī)電設(shè)備管線布置尤其復(fù)雜，應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)機(jī)電各專業(yè)管線三維空間布置統(tǒng)一優(yōu)化，使得布置美觀又節(jié)約空間。烏東德水電站水輪機(jī)層下游側(cè)通道是所有縱貫全廠管道、電纜的通道，同時(shí)也是設(shè)備安裝、運(yùn)輸與運(yùn)維人員通道。通過綜合優(yōu)化排布電纜橋架和油、氣、水管線，使得該通道凈空由2.0 m提高到2.4 m，實(shí)現(xiàn)了業(yè)主對(duì)美麗機(jī)電的需求（圖8）。

3.3 三維可視化表達(dá)

應(yīng)用三維模型動(dòng)態(tài)展示功能對(duì)烏東德水電站機(jī)電設(shè)計(jì)進(jìn)行交底，無需專門制作PPT。將設(shè)計(jì)方案的實(shí)際效果進(jìn)行360°展示、剖切，形象化的直觀表達(dá)可讓人迅速了解工程特點(diǎn)，理解系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握設(shè)備布置。烏東德水電站地下電站機(jī)電模型見圖9，電站總體模型剖視效果見圖10。

3.4 設(shè)計(jì)成果VR體驗(yàn)

烏東德水電站項(xiàng)目工地部署配置了整套三維設(shè)計(jì)軟硬件環(huán)境，包括一套VR體驗(yàn)設(shè)備。將VR技術(shù)融入于傳統(tǒng)的水利水電工程領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了參建各方對(duì)設(shè)計(jì)方案的全知、全感、全體驗(yàn)，達(dá)到業(yè)主、施工、監(jiān)理對(duì)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確理解，避免了由于方案理解不清晰、溝通不順利等因素導(dǎo)致的反復(fù)修改、工期拖延、成本增加等問題。

3.5 工程量精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)

烏東德水電站機(jī)電三維模型根據(jù)實(shí)際設(shè)備尺寸建模，為精確統(tǒng)計(jì)工程量打下了基礎(chǔ)。使用軟件計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)量、長度、質(zhì)量等信息，省去了人工算量的過程，解決了機(jī)電設(shè)備、元件、材料明細(xì)統(tǒng)計(jì)過程繁瑣的難題[2]。使用軟件自動(dòng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)電纜長度，較傳統(tǒng)方法節(jié)約了2.2%的工程量。管道系統(tǒng)以精確的模型為基礎(chǔ)，扣除法蘭、彎頭、閥門的結(jié)構(gòu)長度，也避免了不必要的過量采購問題。

3.6 二維工程圖生成

目前BIM技術(shù)在水電工程的應(yīng)用尚處于普及階段，圖紙仍是重要的設(shè)計(jì)成果輸出形式。在可行性研究階段，圖紙的目的為輔助表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，應(yīng)用BIM模型生成圖紙可以滿足交付要求。施工階段，圖紙的目的為指導(dǎo)施工。復(fù)雜管線布置圖采用BIM模型生成二維視圖，并輔以三維布置軸測(cè)圖。這種出圖方式降低了對(duì)讀圖者的要求，顯著提高了參建各方識(shí)圖效率。

3.7 模擬工程變更方案

應(yīng)用BIM模型，對(duì)實(shí)際施工過程中由于偏差等原因造成的變更進(jìn)行方案模擬，以便于決策。施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量曾發(fā)現(xiàn)烏東德水電站6號(hào)機(jī)技術(shù)供水四通閥接口埋管出口偏差較大，四通閥無法按設(shè)計(jì)方案安裝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)，調(diào)整修改模型，對(duì)偏差補(bǔ)救方案進(jìn)行模擬，提出并比較了不同處理方案的效果。

4 結(jié) 語

通過將BIM技術(shù)應(yīng)用在烏東德水電站機(jī)電設(shè)計(jì)中，探索了基于BIM的設(shè)計(jì)方法，積累了水電工程機(jī)電三維協(xié)同設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和BIM模型資源，實(shí)現(xiàn)了水電工程從方案原理到三維布置再到二維施工圖的機(jī)電正向設(shè)計(jì)流程。三維設(shè)計(jì)成果直觀形象，利于快速準(zhǔn)確理解設(shè)計(jì)方案，使參建各方溝通更為順暢。烏東德水電站機(jī)電設(shè)備安裝布局合理，便于運(yùn)行維護(hù)，管線布置有效利用空間，排列有序，層次分明，觀感良好，體現(xiàn)出了工業(yè)之美，同時(shí)還利用精準(zhǔn)的材料統(tǒng)計(jì)節(jié)約了建設(shè)成本。

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（編輯：江 文）

Application of BIM technology in E&M design of

Wudongde Hydropower Station

GUO Xueyang， WANG Hao， LI Ling， ZHENG Taoping

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract：The underground powerhouse of Wudongde Hydropower Station has features of narrow space， high E&M ?design requirements， complex equipment， pipelines and lines， so， the design was difficult. Taking 3DE as fundamental platform and flexibly using BIM technology， we realized the forward design of E&M for Wudongde Hydropower Station through establishing E&M repository and project structure tree， ?driving three-dimensional design through schematic diagram， and optimizing and adjusting final assembly model in the design process.The results showed that the forward design of E&M for Wudongde Hydropower Station could achieve these properties of three-dimensional visual display of E&M equipment， engineering quantity statistics， collision detection， engineering drawing customization， complete set of drawings and virtual construction assembly. The design could provide reference for the application of BIM technology in other hydropower engineering design projects.

Key words： E&M design; BIM; 3DE; underground powerhouse; Wudongde Hydropower Station