解凌飛，李 德，楊 麗，鄭慧娟，陳 雷

（1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430064；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；3.湖北省水利水電科技推廣中心，武漢 430070）

0 引 言

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程位于湖北省荊門市的鐘祥市境內(nèi)，上距丹江口水利樞紐壩址261 km，下距鐘祥市區(qū)10 km。該工程是國務(wù)院批復(fù)的《長江流域綜合規(guī)劃》中推薦的漢江梯級開發(fā)方案中的重要組成部分，也是國務(wù)院確定的172 項節(jié)水供水重大水利工程之一。工程的開發(fā)任務(wù)為以發(fā)電、航運為主，兼顧灌溉、供水，為南水北調(diào)中線引江濟(jì)漢工程良性運行創(chuàng)造條件。樞紐為Ⅱ等大（2）型工程，航道標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ級，船閘設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)1 000 t級。壩址控制流域面積14.03 萬km2，平均流量為1 550 m3/s，電站裝機180 MW。樞紐從左至右依次布置左岸連接土壩、泄水閘、電站廠房、混凝土連接壩（含魚道）、船閘及右岸混凝土連接壩，軸線總長1 200.0 m［1］。

本工程設(shè)計主要存在以下難點：①工程規(guī)模大，結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜多樣，設(shè)備種類繁多，質(zhì)量要求高、工期控制嚴(yán)。②工程功能復(fù)雜，協(xié)作方多，管理協(xié)調(diào)難度大。③項目作業(yè)交叉面廣，工序穿插復(fù)雜，設(shè)計流程與專業(yè)協(xié)調(diào)繁雜多變。

為解決上述難點，項目組從可研階段就開始采用BIM 技術(shù)開展全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計［2］，挖掘BIM 技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用價值［3］，探索BIM 技術(shù)與其他新技術(shù)的融合［4］，為本工程的BIM 技術(shù)應(yīng)用提供了合理的方案，促進(jìn)BIM 技術(shù)在水利水電行業(yè)的應(yīng)用推廣。

1 BIM設(shè)計流程及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

1.1 BIM設(shè)計流程

項目以歐特克BIM 系列三維設(shè)計軟件為主，輔以相關(guān)專業(yè)軟件及自主開發(fā)軟件，在Vault 數(shù)據(jù)管理平臺下通過協(xié)同設(shè)計、碰撞檢測、數(shù)值仿真、施工模擬、二次開發(fā)實現(xiàn)了多專業(yè)基于同一BIM 模型的三維協(xié)同設(shè)計流程（圖1）。在Civil 3D 中實現(xiàn)三維地質(zhì)建模，以及邊坡、渠道、土石壩、堤防、道路等設(shè)計；在Inventor 中進(jìn)行水工、水機、電氣、金結(jié)等復(fù)雜模型、設(shè)備和造型設(shè)計；在Revit 中進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)和管路（暖通、給排水）的設(shè)計；在Navisworks 中進(jìn)行模型整合、瀏覽、校審、碰撞檢測、施工模擬、動畫制作；在Infraworks（AIW）中進(jìn)行早期規(guī)劃設(shè)計、方案比選、大場景模型可視化。

圖1 項目BIM設(shè)計流程圖

測繪、地質(zhì)、水工、水機、電氣、金結(jié)、建筑、施工等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計主要通過數(shù)據(jù)傳遞和軸網(wǎng)定位約束。水工專業(yè)按項目單位工程的相對位置關(guān)系建立項目整體軸網(wǎng)定位文件，并將其鏈接到Revit 中生成中心文件，再將生成的中心文件放置在Vault 協(xié)同管理平臺中。各專業(yè)將中心文件副本下載到本地生成本地文件并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備及管線布置。本地文件與中心文件同步后，設(shè)計人員可以實時看到其他專業(yè)進(jìn)度（圖2），在設(shè)計過程中最大程度地避免錯、漏、碰等問題，從而達(dá)到整體的協(xié)同，大幅提高了工作效率［5］。

圖2 碾盤山電站廠房協(xié)同設(shè)計完成效果

1.2 BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

為推進(jìn)BIM 技術(shù)的發(fā)展，規(guī)范及流程化各設(shè)計階段中的BIM應(yīng)用行為，提高BIM模型應(yīng)用的效率和效益，根據(jù)已發(fā)布的國家［6-8］、行業(yè)、地方BIM 標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程需求，制定了碾盤山水利水電樞紐工程項目級BIM 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。主要包括模型創(chuàng)建和管理規(guī)定、BIM 設(shè)計資源建設(shè)、BIM 協(xié)同設(shè)計、BIM 應(yīng)用流程、BIM模型審核及交付等內(nèi)容。

該項目級BIM 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不僅描述和約定了項目BIM 成果交付的要求，而且描述和約定了達(dá)成這些成果所必須的過程要求。這些過程要求包括了各專業(yè)自身工作的內(nèi)容要求和深度，相互之間協(xié)調(diào)配合的工作內(nèi)容要求，針對各專業(yè)間的信息交換和專業(yè)上下序BIM 應(yīng)用的設(shè)計流程，同時也包含了針對這些過程要求的檢查，從而保證了所有BIM 數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范，推動企業(yè)BIM應(yīng)用向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展［9-11］。

2 BIM技術(shù)綜合應(yīng)用

2.1 BIM設(shè)計及出圖

廠房和船閘等復(fù)雜模型難以全面參數(shù)化，采取的建模方式是控制整體外形尺寸，采用自底向上、孔洞挖除的建模方式。而對擋土墻、泄水閘、設(shè)備、管路等結(jié)構(gòu)相對簡單、適用范圍廣、變化有規(guī)律的模型，可運用參數(shù)化草圖、族庫、部件庫等進(jìn)行參數(shù)化模板設(shè)計［12］，通過模板參數(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速修改并在類似工程中重復(fù)應(yīng)用，大幅減少重復(fù)建模所花費的時間，便于多方案快速比選（圖3）。對碾盤山工程常用建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備的尺寸、型號、材質(zhì)、插入點、可見性、連接件等進(jìn)行參數(shù)化族定制，實現(xiàn)了快速設(shè)計、布置和修改。目前各專業(yè)已搭建了擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、通航建筑物和廠房等五個類目的模板庫，并成功運用到了多個工程中。

圖3 碾盤山水利水電站樞紐工程方案比選

根據(jù)定制好的出圖模板剖切BIM 模型，生成具有邏輯關(guān)聯(lián)二維圖（圖4），并附三維軸側(cè)圖，使傳統(tǒng)的二維圖紙表達(dá)更加清晰明了。BIM 模型修改后二維圖也實時更新，有效提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。

圖4 碾盤山泄水閘剖面圖

2.2 碰撞檢查

電站廠房內(nèi)油、氣、水、電等線路縱橫交錯，專業(yè)涵蓋多，施工單位交叉作業(yè)密集，這大大增加了機電管線設(shè)計的復(fù)雜性。利用BIM 軟件平臺的碰撞檢測功能，實現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與暖通、機電安裝以及設(shè)備等不同專業(yè)圖紙之間的碰撞，同時加快了各專業(yè)管理人員對圖紙問題的解決效率。

項目在Revit 中完成數(shù)據(jù)整合之后導(dǎo)入Navisworks，并利用Clash Detective功能進(jìn)行碰撞檢查，進(jìn)一步確認(rèn)專業(yè)模型間有無碰撞，并及時在設(shè)計階段對碰撞點討論解決。設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)電氣橋架與水工結(jié)構(gòu)相碰撞（圖5），發(fā)現(xiàn)問題后電氣設(shè)計師與水工專業(yè)及時聯(lián)系，經(jīng)過討論，電氣專業(yè)將橋架高度下調(diào)，碰撞得到解決。碰撞檢查功能還可對最小間隙和凈空尺寸進(jìn)行檢查，碰撞結(jié)果可生成檢測報告。通過檢測結(jié)果快速找出碰撞部位，相關(guān)專業(yè)點擊碰撞部位后可返回設(shè)計軟件中進(jìn)行修改更新。

圖5 碰撞檢查協(xié)同修改

2.3 金結(jié)設(shè)備運行模擬

傳統(tǒng)設(shè)計中，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運行過程軌跡很難表達(dá)，啟閉設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)件的運行過程與土建及管線等有無碰撞或干涉難以有效反映。BIM 設(shè)計中，可以通過軟件對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運行進(jìn)行模擬演示，能直觀、有效的檢查碰撞問題（圖6）。另外，部分復(fù)雜閘門的聯(lián)合調(diào)度也難以通過傳統(tǒng)手段清晰表達(dá)，而BIM 模擬演示動畫可以完整的表現(xiàn)出各類設(shè)備之間的配合運行，從而為管理單位的運行調(diào)度提供指導(dǎo)。

圖6 設(shè)備的運行進(jìn)行模擬圖

2.4 仿真計算分析

在碾盤山水電站工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，水工專業(yè)需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定計算和結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算。由于水工建筑物體積較大，形狀不規(guī)則，且與地基相互作用，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法需要進(jìn)行一些假定和簡化，計算過程人工干預(yù)較多、十分復(fù)雜，計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)實際受力存在較大的差異，要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計十分困難。而以建好的BIM 模型為基礎(chǔ)，采用有限元數(shù)值分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析已經(jīng)成為解決此類的普遍方法，可以使三維設(shè)計過程更為精確和高效。

本工程電站廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在可研和初設(shè)階段實現(xiàn)了BIM模型與ANSYS有限元軟件的無縫對接［13］，完成了結(jié)構(gòu)和溫控方案有限元計算仿真分析（圖7），數(shù)值計算的成果歸納整理后用于三維配筋設(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)的高度集成和有機結(jié)合，在確保設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)上，顯著提高了生產(chǎn)效率。

圖7 廠房有限元計算結(jié)果

在三維協(xié)同設(shè)計的過程中，還對廠房流道和魚道水力學(xué)性能、泄水閘泄洪過程、廠房上部建筑通風(fēng)進(jìn)行了流體力學(xué)仿真計算，快速的實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計（圖8）。將廠房上部建筑模型導(dǎo)入Pathfinder中進(jìn)行緊急疏散仿真模擬，準(zhǔn)確地得到了建筑內(nèi)部人員的疏散全過程，為緊急情況下建筑內(nèi)的人員疏散提供了參考（圖9）。

圖8 結(jié)構(gòu)流體力學(xué)仿真計算分析

圖9 發(fā)電廠房緊急疏散仿真模擬

2.5 4D施工模擬

施工總進(jìn)度是整個項目在時間上的布置，為業(yè)主的資金籌措、施工單位的材料準(zhǔn)備以及設(shè)計單位的供圖計劃提供重要依據(jù)。需綜合考慮防洪度汛、物資供應(yīng)、特殊季節(jié)施工等各個因素。以Excel 文件為媒介，可將P6 平臺與Navisworks 進(jìn)行聯(lián)動，在P6 平臺上進(jìn)行施工進(jìn)度編排及后續(xù)調(diào)整時，可直接聯(lián)動到Navisworks 的Timeliner 控件，進(jìn)行施工進(jìn)度4D 施工模擬的生成與即時調(diào)整（圖10），并將構(gòu)成工程實體的建筑物與對應(yīng)的人、材、機等進(jìn)行聯(lián)動，可以協(xié)助進(jìn)行資源消耗量分析，為資源配置計劃提供依據(jù)。

圖10 4D施工總進(jìn)度模擬

Navisworks 中通過BIM 三維模型和進(jìn)度控制技術(shù)的信息錄入，還可以自行統(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。

2.6 三維技術(shù)交底

對項目造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)部位通過二維圖紙難以表現(xiàn)的部位，通過三維圖片或者三維動畫進(jìn)行交底，使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)清楚、直觀地呈現(xiàn)出來，能有效避免設(shè)計、施工過程中的質(zhì)量問題。

以碾盤山水電站項目圍堰土工膜結(jié)構(gòu)為例，其縱向圍堰的土工膜為豎向布置，橫向圍堰的土工膜按1∶3的坡度斜向布置，在橫向圍堰與縱向圍堰銜接部位的結(jié)構(gòu)連接很難用二維平面圖紙表達(dá)，為施工現(xiàn)場技術(shù)交底帶來一定障礙。通過BIM 模型（圖11），在項目施工現(xiàn)場向項目部、施工單位展開設(shè)計交底，改變了傳統(tǒng)的二維設(shè)計圖紙交底模式，增強了施工團(tuán)隊對設(shè)計的理解和認(rèn)識，同時為施工單位土工布下料的尺寸和形狀提供數(shù)據(jù)支撐。

圖11 橫向圍堰與縱向圍堰連接施工圖

3 BIM技術(shù)拓展應(yīng)用

3.1 無人機正直攝影測量技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合

無人機平臺搭載不同遙感設(shè)備可進(jìn)行不同類型的攝影測量作業(yè)，主要有正直攝影測量、傾斜攝影測量和三維激光掃描測量等。碾盤山項目采用一架成都縱橫大鵬系列CW-10C 固定翼無人機搭配Sony-A7RⅡ數(shù)碼相機進(jìn)行了正直攝影測量作業(yè)，航測成圖比例尺1∶1 000，地面分辨率0.08 m，航向重疊度70%，旁向重疊度65%，拍照間距127 m，相對航高620 m，航線間距222.7 m。通過兩個架次的飛行完成外業(yè)航攝，均勻布測17 個像控點，共計拍攝像片519 張，航攝數(shù)據(jù)通過內(nèi)業(yè)空三加密生成了三維立體模型，最后按1∶1 000 比例尺生產(chǎn)了測區(qū)數(shù)字正射影像，如圖12（c）。

通過無人機獲取的施工現(xiàn)場正射影像，不僅帶有坐標(biāo)信息，還帶有高程信息，結(jié)合BIM 模型對項目進(jìn)行了動態(tài)平面布置、場地轉(zhuǎn)換模擬，輔助規(guī)劃場平布置，并實時有效地核驗現(xiàn)場施工進(jìn)度、建筑物放樣位置、關(guān)鍵部位高程等關(guān)鍵信息，為施工現(xiàn)場動態(tài)管理和有效監(jiān)督提供了幫助（圖12）。

圖12 正直攝影測量技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合

3.2 基于Dynamo可視化編程平臺的二次開發(fā)研究

碾盤山泄水閘采用樁基基礎(chǔ)，樁基平面布置和長短隨著地層結(jié)構(gòu)的變化而變化，樁的根數(shù)和總長不易統(tǒng)計。項目組采用Dynamo可視化編程平臺在Revit中實現(xiàn)了泄水閘樁體的快速布置（圖13）。利用自適應(yīng)樁的自適應(yīng)點實現(xiàn)了樁端與開挖基礎(chǔ)面、持力層面的自動對齊，樁體頂部延伸長度、底部延伸長度、樁徑和材質(zhì)等均進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。一次批量生成全部基礎(chǔ)樁，調(diào)整參數(shù)實時改變?nèi)繕兜奶匦?，自動統(tǒng)計樁體工程量，顯著提高了設(shè)計效率。編制完成的Dynamo 群樁建模程序也可應(yīng)用于其他工程項目中，通過調(diào)整樁基參數(shù)實時更改模型，從而避免機械式的重復(fù)勞動，達(dá)到高效準(zhǔn)確的目的。

圖13 泄水閘樁基礎(chǔ)帶閘室渲染

基于Dynamo 可視化編程平臺還開發(fā)了混凝土結(jié)構(gòu)三維快速配筋工具，通過調(diào)用結(jié)構(gòu)模型，輸入配筋參數(shù)便可快速自動地創(chuàng)建出三維鋼筋（圖14），還可方便的進(jìn)行鋼筋量統(tǒng)計、出二維鋼筋圖，極大地提高了配筋效率。尤其對于水工鋼筋圖在校審后經(jīng)常會進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整和鋼筋調(diào)整的狀況，能快速修改，不易出現(xiàn)因人為因素導(dǎo)致的錯誤，減少了設(shè)校審人員的工作量，提高了配筋設(shè)計效率。此外，采用三維配筋手段可視化程度高，對于畫鋼筋圖的新手和對結(jié)構(gòu)認(rèn)識不太深刻的人員，三維配筋能幫助他們更快的熟悉結(jié)構(gòu)，提高出圖效率。

圖14 碾盤山泄水閘閘底板配筋

3.3 WEB端BIM+GIS管理平臺

為了整合碾盤山設(shè)計階段所產(chǎn)生的各類BIM 設(shè)計數(shù)據(jù)和成果，為設(shè)計匯報、信息查詢、設(shè)計交底和工程管理等提供便利，項目組在BIM+GIS 應(yīng)用的基礎(chǔ)上開發(fā)了交互式的WEB 端管理平臺［14-18］（圖15）。平臺采用B/S體系典型的三層架構(gòu)實現(xiàn)WEB 應(yīng)用，便于引入開源組件和技術(shù)框架。前端結(jié)合Skyline TerraExplorer Pro 二次開發(fā)，采用Layui 框架，實現(xiàn)頁面布局、UI設(shè)計和前后端交互；后端以開源ThinkPHP 6.0 框架為基礎(chǔ)，以嚴(yán)密的MVC分層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)代碼的層次化、可復(fù)用和高擴(kuò)展性；數(shù)據(jù)庫層采用Skyline GIS 平臺和PostGIS 地理信息數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，兼有GIS平臺和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫兩者的優(yōu)點。

圖15 碾盤山WEB端BIM+GIS管理平臺

WEB 端BIM+GIS 管理平臺主要功能模塊有：BIM+GIS 場景模塊，負(fù)責(zé)項目的動態(tài)演示、數(shù)據(jù)分析、查詢、量算、場景導(dǎo)航等；項目規(guī)劃管理模塊，負(fù)責(zé)對項目相關(guān)數(shù)據(jù)的管理和集中展示；項目設(shè)計管理模塊，負(fù)責(zé)對項目設(shè)計過程中涉及的BIM 模型、文檔、圖紙及其他數(shù)據(jù)的管理和集中展示；視頻動畫管理，負(fù)責(zé)對其他模塊中涉及的視頻資料、演示動畫、可視化成果的管理和集中展示。該平臺為BIM 設(shè)計和工程管理提供工程信息、BIM 模型信息、三維GIS信息、三維可視化等數(shù)據(jù)信息服務(wù)，提高了工程的設(shè)計、建設(shè)和管理水平，可為水利水電工程BIM+GIS技術(shù)拓展應(yīng)用提供借鑒。

4 結(jié) 語

（1）在碾盤山水利水電樞紐設(shè)計過程中，項目組進(jìn)行了技術(shù)方案比選、專業(yè)協(xié)同設(shè)計、參數(shù)化建模、碰撞檢測、仿真模擬、三維技術(shù)交底、BIM+GIS、拓展開發(fā)等多方面的BIM 技術(shù)綜合應(yīng)用。在BIM 技術(shù)的助力下，各專業(yè)高質(zhì)高效地完成了設(shè)計工作，工程年內(nèi)即將發(fā)電，產(chǎn)生了明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）目前，工程正基于BIM+GIS 技術(shù)開展數(shù)字孿生建設(shè)，實現(xiàn)運維階段防洪興利智能預(yù)報調(diào)度、工程安全智能分析預(yù)警、生產(chǎn)運營智慧綜合管理、庫區(qū)智慧巡查監(jiān)管、綜合決策支持、視頻會商等業(yè)務(wù)應(yīng)用。