趙春龍，王正中，李 崗，鄒今春，翟 超，范 媛

(1.中國電建集團(tuán) 西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)寒區(qū)水工程安全研究中心，陜西 楊凌 712100）

水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備擔(dān)負(fù)著控制水位、宣泄洪水、保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行等任務(wù)。這些設(shè)備作為工程后期主要運(yùn)維對象,具有多樣性、活動性、復(fù)雜性、分散性等特點(diǎn)。同一工程參與主體較多,包含規(guī)劃、建設(shè)、設(shè)計(jì)、制造、監(jiān)造、安裝等單位,工程中金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、采購、安裝、調(diào)試、運(yùn)維等各階段的信息資源量大,工程參與主體之間存在“信息孤島”,信息化和數(shù)字化水平有待進(jìn)一步提高。

近年來,BIM技術(shù)受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注與研究[1-3］,從最早被應(yīng)用于單一的建筑行業(yè)逐漸被推廣應(yīng)用于水利水電、地上或地下軌道交通、航空機(jī)械電子等眾多專業(yè)領(lǐng)域。BIM技術(shù)主要為工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段提供全生命周期數(shù)字信息和三維模型,支持跨專業(yè)的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同作業(yè),其具有可視化、數(shù)字化、集約化等優(yōu)點(diǎn),可以減少設(shè)計(jì)和制造等階段的失誤,提高工程設(shè)備管理和生產(chǎn)效率[4-6］?；诖?BIM在水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐年增多,通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備三維建模、二維出圖以及三維有限元計(jì)算。相關(guān)設(shè)計(jì)人員利用其參數(shù)化建模功能實(shí)現(xiàn)了鋼閘門模型的工程分析和優(yōu)化[7-8］,也有設(shè)計(jì)者在卷揚(yáng)式啟閉機(jī)三維設(shè)計(jì)[9］、大型船閘金屬結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)[10］等方面進(jìn)行了探索。但以上金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備BIM技術(shù)應(yīng)用主要集中在單一設(shè)備的三維參數(shù)化建模和二維制圖,目前缺少BIM技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備全過程管理的系統(tǒng)研究與應(yīng)用。

本文針對水利水電工程中各類金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備,基于Catia協(xié)同設(shè)計(jì)平臺,從模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和移交、虛擬運(yùn)維、設(shè)備信息跟蹤等方面結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行了BIM的深化應(yīng)用,并對水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備全生命周期管理進(jìn)行了展望,以期為水利水電工程BIM技術(shù)研究與應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)

1.1 三維模型資源庫管理

1.1.1 模板分級標(biāo)準(zhǔn)

水利水電工程中主要金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包括鋼閘門、攔污柵、卷揚(yáng)式及液壓式啟閉機(jī)、清污機(jī)、升船機(jī)、壓力鋼管等。根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備功能、施工設(shè)計(jì)出圖需求、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)程度、模型裝配級別和圖紙拆分習(xí)慣將金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)模板劃分為四級,有助于模板庫管理和模塊化設(shè)計(jì)。一級至三級模板大多為裝配文檔形式；四級模板為零件文檔形式,為最底層模板,該模板集合了參數(shù)化設(shè)計(jì)和知識工程的內(nèi)容。底層模板可被直接調(diào)用升級成更高級別模板,模板級別越低,其典型性、通用性、參數(shù)化及復(fù)用程度越高；高級別模板有助于各設(shè)計(jì)階段方案的快速生成。金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)模板分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)模板分級標(biāo)準(zhǔn)

1.1.2 資源庫的規(guī)劃

資源庫用于存貯和分類批量特征對象,提供相關(guān)信息的查詢和調(diào)用服務(wù)[11］。采用Catia設(shè)計(jì)平臺中目錄編輯器對所有模板進(jìn)行管理以形成資源庫,按照上述模板分級標(biāo)準(zhǔn)建立資源庫目錄,分別將三維模型文件、參數(shù)表等和資源庫目錄鏈接。

Catia平臺中知識工程模板主要分為特征類模板和文檔類模板。特征類模板(UDF、超級副本)是零件模板的一種,將零件內(nèi)部的某些幾何特征的創(chuàng)建結(jié)果或部分創(chuàng)建過程記錄下來,供調(diào)用該類模板時快速復(fù)制。文檔類模板是將某一零件或部件的整個設(shè)計(jì)過程記錄下來,以獨(dú)立的文件格式進(jìn)行存儲,該模板的創(chuàng)建流程見圖1。

圖1 文檔類模板創(chuàng)建流程

零件模板可以通過全部或部分調(diào)用特征類模板來創(chuàng)建,即通過特征類模板的實(shí)例化操作創(chuàng)建零件模板的幾何特征。部分常用零件模板可依賴于已有骨架模板,先將骨架模板實(shí)例化,再進(jìn)行實(shí)體創(chuàng)建和特征類模板實(shí)例化。

1.2 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備模型數(shù)據(jù)庫

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備中鋼閘門形式眾多,對閘門各構(gòu)件進(jìn)行分類,分析門葉及埋件的構(gòu)造規(guī)律,將復(fù)雜的整體門葉結(jié)構(gòu)層次化、模塊化、構(gòu)件化,提煉出具有通用性的各級骨架模板、構(gòu)件模板及其特征設(shè)計(jì)參數(shù)。在Catia平臺建立平面鋼閘門單節(jié)門葉三維參數(shù)化模型庫,基于知識工程融入設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn),定制相應(yīng)二維施工圖紙,通過系列化參數(shù)模板快速完成整套平面鋼閘門的設(shè)計(jì)工作。鋼閘門各級別模板建立步驟見圖2。

圖2 鋼閘門各級別模板建立步驟

啟閉機(jī)主要有固定式卷揚(yáng)機(jī)、臺車式啟閉機(jī)、橋式啟閉機(jī)、單向或雙向門式啟閉機(jī)、液壓式啟閉機(jī)等。啟閉機(jī)主要包含起升、行走、回轉(zhuǎn)、液壓等機(jī)構(gòu),以及主體車架和門架結(jié)構(gòu),整體屬于非標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計(jì),但其中很多系列化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品主要從外購件廠家直接采購,例如電動機(jī)、減速器、制動器等。不同品牌產(chǎn)品的樣本參數(shù)會存在一定差別,雖然這類零件庫可以從廠家直接獲得,但其通用性較差,不具備參數(shù)化驅(qū)動能力,因而不利于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。根據(jù)不同品牌產(chǎn)品的安裝參數(shù)和外形參數(shù)建立產(chǎn)品參數(shù)化模板,形成參數(shù)化設(shè)計(jì)表和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫,通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,更新產(chǎn)品參數(shù)時只需對設(shè)計(jì)表數(shù)據(jù)進(jìn)行更新即可。啟閉機(jī)模板與鋼閘門模板建立思路相同,啟閉機(jī)各級別模板建立步驟見圖3。

圖3 啟閉機(jī)各級別模板建立步驟

2 金屬結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)化建模

以平面鋼閘門參數(shù)化建模為例,閘門單節(jié)門葉是由鋼板組成的焊接件,其面板、邊梁、主梁、次梁、縱隔板的布置具有一定規(guī)律性,梁格布置中心線組成的軸網(wǎng)是單節(jié)門葉模型的骨架,見圖4。骨架文件中的參數(shù)集合包含閘門主要控制參數(shù),通過修改參數(shù)可以快速改變閘門的結(jié)構(gòu)布置和總體尺寸。通過調(diào)用單節(jié)門葉骨架和構(gòu)件模板可以快速完成單節(jié)門葉建模,按照模板說明書輸入?yún)⒖荚?調(diào)用模板目錄的相應(yīng)條目。單節(jié)門葉建模完成后,即可與閘門附件進(jìn)行裝配,再向上一級裝配成為專業(yè)總布置模型,從而依次完成二級和一級模板的構(gòu)建。

圖4 平面鋼閘門骨架

2.2 金屬結(jié)構(gòu)CAD/CAE一體化

水利水電金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備尤其是啟閉機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行工況復(fù)雜,設(shè)計(jì)過程中需要考慮不同荷載組合下門機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)、動力學(xué)以及抗傾覆穩(wěn)定性[12-13］。CAD/CAE一體化技術(shù)可讓設(shè)計(jì)者進(jìn)一步了解設(shè)備機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài),利用三維模型設(shè)計(jì)已有的、基于實(shí)體零件建立的CAD模型進(jìn)行后續(xù)有限元分析時,按照從CAD到CAE的模型參數(shù)轉(zhuǎn)換思路,對大多數(shù)鋼板焊接件進(jìn)行高效快速建模和有限元網(wǎng)格劃分,將實(shí)體模型轉(zhuǎn)為曲面模型,可以大大減少計(jì)算機(jī)求解自由度所用的數(shù)據(jù)量,節(jié)省計(jì)算成本并提高計(jì)算效率。同時,CAD/CAE模型關(guān)聯(lián)可以實(shí)時為三維設(shè)計(jì)產(chǎn)品提供仿真環(huán)境,提高產(chǎn)品的安全性和可靠性?；⌒伍l門CAD/CAE一體化仿真見圖5。

圖5 弧形閘門CAD/CAE一體化仿真

2.3 金屬結(jié)構(gòu)出圖工具開發(fā)

在應(yīng)用國外軟件開發(fā)金屬結(jié)構(gòu)出圖工具時,會出現(xiàn)出圖工具中部分功能無法完全滿足應(yīng)用需要、不符合中國制圖標(biāo)準(zhǔn)、使用效率低等問題[14］。針對以上問題,重點(diǎn)對出圖工具中材料表統(tǒng)計(jì)、件號標(biāo)注、中心線投影、焊縫標(biāo)注參數(shù)輸入、視圖拼接、板件放樣等功能進(jìn)行專業(yè)化定制和二次開發(fā),材料表統(tǒng)計(jì)功能開發(fā)流程見圖6。

圖6 材料表統(tǒng)計(jì)功能開發(fā)流程

件號標(biāo)注完成后更新材料表即可完成件號與材料表的自動對應(yīng),見圖7。

圖7 材料表自動生成

2.4 工程圖紙表達(dá)

由于BIM信息模型具有高度可視化和信息化的特點(diǎn),隨著BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用,圖紙內(nèi)容和表達(dá)方式不斷豐富,二維平面制圖標(biāo)準(zhǔn)已不能完全滿足三維出圖的要求,因此需要對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備制定統(tǒng)一的三維圖紙表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在方案設(shè)計(jì)階段和招標(biāo)設(shè)計(jì)階段對工程布置中設(shè)備空間占位及功能進(jìn)行描述,由于這兩個階段金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的圖紙信息量較少,表達(dá)方式多樣,對模型數(shù)據(jù)完整性和精細(xì)化程度的要求不一,因此采取模型空間三維標(biāo)注(見圖8(a))和模型三視圖標(biāo)注(見圖8(b))來實(shí)現(xiàn)。在施工階段通過圖紙表達(dá)可為設(shè)備制造和安裝提供直觀信息數(shù)據(jù),在當(dāng)下水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備自動化制造水平還不夠高的情況下,施工階段傳統(tǒng)二維工程圖紙依然是主要的表達(dá)方式(見圖8(c))。

圖8 不同階段圖紙表達(dá)方式

3 BIM技術(shù)深化應(yīng)用

3.1 基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)與碰撞檢查

在水利水電工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)中,存在工程規(guī)模大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、參與專業(yè)眾多的特點(diǎn),需大量專業(yè)人員進(jìn)行溝通配合。協(xié)同設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程,除具備單獨(dú)設(shè)計(jì)功能外,還應(yīng)具備信息共享管理功能。以VPM為數(shù)據(jù)管理平臺,項(xiàng)目立項(xiàng)后,對各專業(yè)人員分配節(jié)點(diǎn)權(quán)限和設(shè)計(jì)角色,在同一空間下同時展示各專業(yè)成果,從而能夠?qū)崟r把握項(xiàng)目進(jìn)度。通過BIM技術(shù)可使各專業(yè)三維設(shè)計(jì)共享同一關(guān)鍵控制圖元或參數(shù),設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時查看相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)情況,更加方便地引用或參考相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。以里底水電站工程為例,其溢流壩段金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)與其他專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)成果見圖9,在協(xié)同設(shè)計(jì)中采用自頂向下的縱向關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)模式,即上游專業(yè)對控制元素進(jìn)行發(fā)布,下游專業(yè)引用已發(fā)布元素進(jìn)行設(shè)計(jì),通過修改主要特征數(shù)據(jù)文件對專業(yè)間的模型數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)單向式驅(qū)動。

圖9 里底水電站溢流壩段各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)的碰撞檢查可以非常直觀地將不同專業(yè)間不統(tǒng)一、沖突的位置顯示出來,對設(shè)計(jì)方案及時查漏補(bǔ)缺,減少各專業(yè)的反復(fù)協(xié)調(diào)工作并在工程前期降低錯誤出現(xiàn)概率,為工程質(zhì)量提供有力保障。以犍為航電樞紐工程為例,該項(xiàng)目為河床式水電站,閘壩式擋水建筑物,(3)級船閘(單級)通航1000 t級船舶；壩頂設(shè)一臺泄水閘雙向門機(jī),沿壩軸線共軌運(yùn)行,大車運(yùn)行距離約870 m,小車沿上下游運(yùn)行距離約8 m；泄水閘共28孔,泄水閘雙向門機(jī)下游為泄水閘工作閘門啟閉機(jī)排架房,房頂部設(shè)計(jì)為景觀建筑。在金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)與建筑專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)過程中通過模型碰撞檢查發(fā)現(xiàn),在下游極限運(yùn)行狀態(tài)時,雙向門機(jī)小車機(jī)房與壩頂景觀建筑干涉,設(shè)計(jì)過程中及時調(diào)整了機(jī)房高度以進(jìn)行避讓,其BIM模型碰撞檢查見圖10。

圖10 犍為航電樞紐工程BIM模型碰撞檢查

3.2 基于BIM技術(shù)的裝配及運(yùn)動仿真

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中具有多種運(yùn)行狀態(tài)和使用工況,采用Catia DMU電子樣機(jī)可以對設(shè)備進(jìn)行真實(shí)模擬和驗(yàn)證。其中:運(yùn)動仿真模塊能夠?qū)υO(shè)備機(jī)構(gòu)自由度進(jìn)行模擬,例如,閘門的啟閉操作、啟閉機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)以及整個機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的聯(lián)動；裝配模塊可以對具有裝配體特征的設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬裝配仿真,記錄裝配路徑和序列,清晰再現(xiàn)設(shè)備的整個裝配過程,并且能夠?qū)υO(shè)備分段分塊運(yùn)輸提供依據(jù),用于指導(dǎo)工廠制造和現(xiàn)場安裝設(shè)備。圖11展示了烏東德水電站18000 kN導(dǎo)流洞固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)虛擬和工廠實(shí)物裝配流程。

圖11 烏東德水電站18000 kN導(dǎo)流洞固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的虛擬制造仿真

3.3 基于BIM技術(shù)的虛擬運(yùn)維仿真

人機(jī)工程學(xué)是一門多學(xué)科的交叉學(xué)科,研究的核心問題是不同作業(yè)中人、機(jī)器及環(huán)境三者間的協(xié)調(diào),目的是指導(dǎo)工作器具、工作方式和工作環(huán)境的設(shè)計(jì)和改造,使作業(yè)效率、安全、健康、舒適等方面的程度得以提升。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備同常規(guī)產(chǎn)品一樣都有人機(jī)交互特性,為方便運(yùn)維人員操作使用、檢修維護(hù)設(shè)備,利用人機(jī)工程進(jìn)行檢修通道引導(dǎo)、安全操作培訓(xùn)和檢修維護(hù)提示(見圖12),設(shè)計(jì)方將上述人機(jī)工程仿真數(shù)據(jù)一并移交運(yùn)營單位。此外,通過人機(jī)工程模擬可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行虛擬體驗(yàn)和優(yōu)化,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更符合實(shí)際需求。

圖12 人機(jī)工程及虛擬運(yùn)維

3.4 基于BIM技術(shù)的設(shè)備信息跟蹤

基于BIM的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備全過程跟蹤管理涵蓋從采購計(jì)劃、招標(biāo)、制造、安裝到試運(yùn)行階段的各項(xiàng)工作。將BIM模型以及設(shè)備跟蹤信息與流程管理相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向深度融合,即根據(jù)設(shè)備跟蹤信息確定其在流程管理中所處的階段,再自動推送進(jìn)行下一階段流程操作,為設(shè)備的流程化管理提供依據(jù),也可以根據(jù)流程階段的要求對BIM模型信息不斷完善。

基于BIM技術(shù)的設(shè)備信息跟蹤管理以工程三維模型為信息載體,以數(shù)據(jù)信息對象編碼為紐帶,建立模型與動態(tài)信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。圖13為基于二維碼識別技術(shù)的金屬結(jié)構(gòu)啟閉機(jī)設(shè)備信息跟蹤示意,通過對數(shù)據(jù)信息、組織結(jié)構(gòu)或KKS編碼進(jìn)行統(tǒng)一定義,構(gòu)建數(shù)據(jù)全面、組織有序、服務(wù)于設(shè)備流程跟蹤管理的系統(tǒng),為運(yùn)維移交提供全過程信息的模型數(shù)據(jù)。

圖13 基于二維碼識別技術(shù)的啟閉機(jī)信息跟蹤示意

4 結(jié)語及展望

4.1 結(jié)語

基于主流三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺,開展了數(shù)字化設(shè)計(jì)、軟件二次開發(fā)和BIM技術(shù)的深化應(yīng)用,運(yùn)用知識工程將專業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和專家知識賦予參數(shù)化模型中,實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)積累和知識更新；采用數(shù)字化裝配技術(shù)在設(shè)計(jì)階段完成啟閉機(jī)和閘門的虛擬裝配；采用機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真有效減少了產(chǎn)品在制造工程中的裝配干涉和運(yùn)行過程中的動態(tài)干涉；采用人機(jī)工程仿真實(shí)現(xiàn)了沉浸式虛擬產(chǎn)品體驗(yàn)和虛擬運(yùn)維,提高產(chǎn)品的人性化設(shè)計(jì)水平。

4.2 展 望

為解決產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用和需求,水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備有必要建立一套全新的管理模式,形成水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)全生命周期管理平臺,提升金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備全過程管理能力和效率,并對水利水電工程安全運(yùn)行提供智能化決策依據(jù)。具體分為以下4個研究方向:①結(jié)合三維專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)集成CAD/CAE/CAM環(huán)境,完成對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)、分析、制造和資源管理,形成各類設(shè)備、相關(guān)裝配部件、產(chǎn)品的基礎(chǔ)信息資源庫。②基于三維在線可視化交互技術(shù)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)信息文檔交付平臺,支持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、二維圖紙、三維模型、制造安裝過程等信息的在線查看瀏覽,同時建立參建各方在線溝通、技術(shù)交底、工期跟蹤等平臺。③探索基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的金屬結(jié)構(gòu)移動設(shè)備管理模式,解決在制造生產(chǎn)、出廠檢驗(yàn)、運(yùn)輸安裝、調(diào)試運(yùn)營等各階段中設(shè)備身份識別易混亂的問題。④基于在線監(jiān)測系統(tǒng)和人機(jī)工程學(xué)虛擬運(yùn)維系統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運(yùn)維安全決策平臺,支持工程各部位金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測、虛擬操作培訓(xùn)、運(yùn)行操作警示和安全報警等,提升水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備優(yōu)化管理、安全運(yùn)行、巡視檢修方面的可視化、智能化水平,真正實(shí)現(xiàn)“無人值班、少人值守”。