王 寧，李 麗 君，周 自 清，殷 俊

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著國家和行業(yè)相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)范的不斷落地與完善，三維設(shè)計與BIM技術(shù)已成為水利工程勘測設(shè)計的重要技術(shù)手段，在不少在建的大中型水利工程中得到普遍應(yīng)用。水利工程三維設(shè)計與BIM技術(shù)應(yīng)用已從設(shè)計單個階段、單個專業(yè)的應(yīng)用往全階段、全過程、全專業(yè)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變。多專業(yè)協(xié)同設(shè)計成為現(xiàn)階段水利工程三維設(shè)計發(fā)展的主要趨勢。

與建筑工程相比，水利工程一般具有體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及專業(yè)眾多、施工周期長、現(xiàn)場環(huán)境因素影響較大等特點。因此水利工程三維設(shè)計過程更加復(fù)雜，對于三維設(shè)計軟件的要求更高。目前水利工程三維設(shè)計平臺主要有“ABC”三大軟件平臺，即Autodesk Revit、Bentley MicroStation、達索的CATIA(3DE)。限于軟件技術(shù)局限性，單一軟件平臺很難滿足水利工程全過程三維設(shè)計應(yīng)用需要，因此多軟件協(xié)作成為目前較為常見的技術(shù)方式。

作為一個典型的大型水利樞紐，烏東德水電站在設(shè)計階段即采用了多平臺協(xié)同的三維設(shè)計方式。其中大壩主體與附屬主要水工構(gòu)筑物采用CATIA軟件進行三維設(shè)計，而項目配套的管理房及集控樓采用了Revit軟件進行設(shè)計。由于設(shè)計方案中該集控樓位于大壩右壩肩K25溶洞，為三維設(shè)計帶來了技術(shù)難題。鑒于烏東德水電站集控樓的地形特殊性及本身的復(fù)雜構(gòu)造，本文采用了以SketchUp、Revit等多種軟件相結(jié)合的設(shè)計方式，通過三維方式解決洞壁地形、復(fù)雜的建筑外形及內(nèi)部布局問題，并最終完成集控樓三維設(shè)計出圖工作。

1 K25溶洞集控樓項目介紹

1.1 烏東德水電站與K25溶洞概況

烏東德水電站壩址位于四川省會東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段，是金沙江下游河段4個梯級(烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩)中的第一個梯級電站，為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成[1]。緊鄰大壩右壩肩處存在天然巖溶斜井K25溶洞[2]，該溶洞有“形態(tài)不規(guī)則、大跨度、高邊墻、小夾角”的工程特點。文獻[2]中提出采用“上部封閉、中部攔擋、下部置換”的處理方案，斜井內(nèi)充填物開挖前，對頂部位進行了修型、錨固處理，以防止下部充填物開挖時頂部掉塊?；诖髩沃黧w水工結(jié)構(gòu)受力及安全需要，溶洞下部采用混凝土回填，至標高988 m處與大壩壩頂齊平。溶洞內(nèi)部形成一個長為62.8 m、寬為32 m、最高點達24.8 m的空間。經(jīng)過方案論證，將烏東德樞紐的集控中心布置在該溶洞中[3]。這種溶洞中布置建筑物的方式為建筑設(shè)計工作帶來了挑戰(zhàn)，也為集控樓順利出圖提出了更高的技術(shù)要求。

1.2 項目特點及難點

1.2.1地形獨特

根據(jù)文獻分析對比，利用壩肩的天然溶洞來布置集控樓尚屬國內(nèi)外水電站工程首例[3]，因此沒有太多可參考案例對比指導(dǎo)該項目設(shè)計。跟普通的建筑工程相比，該項目最大特點在于建筑物在地形(即溶洞洞壁)之內(nèi)，而不是在地形之上。為精確地表達洞壁與建筑物空間位置關(guān)系，決定采用三維設(shè)計方式進行集控樓建筑設(shè)計。

1.2.2建筑外形獨特

集控樓外部采用特殊異形曲面造型，美觀大方。為還原方案設(shè)計的意圖，通過Rhino軟件精確地創(chuàng)建了集控樓外觀模型，如何在施工圖設(shè)計階段準確利用Rhino模型的三維形體數(shù)據(jù)出施工圖也成為項目設(shè)計的技術(shù)難點。

1.2.3建筑內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜

項目涉及的集控樓方案采用地上1層、地下3層共4層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置大廳、中控室、值班室、計算機房、會議室、通訊設(shè)備間及通風排煙機房、配電室等輔助設(shè)備用房[3]。集控樓內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，各類管線系統(tǒng)空間布局密布，也對工程設(shè)計手段提出了更高的要求，采用三維設(shè)計方式更能直觀地表達這種復(fù)雜的空間布局。

1.3 項目三維設(shè)計技術(shù)特點

1.3.1全過程三維正向設(shè)計

項目建筑設(shè)計采用全過程三維協(xié)同設(shè)計方式完成施工圖設(shè)計并提交圖紙成果，設(shè)計涵蓋了概念方案設(shè)計到施工圖設(shè)計階段。在概念方案階段，采用SketchUp軟件創(chuàng)建建筑物的基本外形及場地布局；在初步設(shè)計階段，利用Rhino軟件精確創(chuàng)建建筑物外部異形幕墻形體，并導(dǎo)入到Revit中，與建筑、結(jié)構(gòu)Revit模型進行整合；在施工圖設(shè)計階段，對Revit模型進行平立剖出圖，并添加必要的尺寸標注及文字注釋，經(jīng)過校審后，最終生成正式施工圖紙。

1.3.2多軟件數(shù)據(jù)融合探索

該項目建筑設(shè)計是一次多種軟件間協(xié)同、多數(shù)據(jù)融合的成功探索。從方案設(shè)計到施工圖設(shè)計，運用到SketchUp、Rhino、Revit、3DMAX等多種軟件。設(shè)計數(shù)據(jù)傳遞盡可能無損地在各個軟件中進行傳遞。最大限度保留概念方案設(shè)計意圖。此外，根據(jù)項目施工管理階段要求，將Revit格式BIM模型導(dǎo)入3DE三維設(shè)計平臺，將歐特克與CATIA雙平臺模型進行整合，為后期施工階段建設(shè)管理提供重要的數(shù)據(jù)支撐[4-5]。

1.3.3溶洞內(nèi)壁與回填地形處理

為精確表達溶洞內(nèi)壁與集控樓的空間位置關(guān)系，采用了Rhino軟件進行了洞壁建模，并將洞壁模型導(dǎo)入Revit中與集控樓主體模型進行整合，從而確保在復(fù)雜地理環(huán)境中集控樓布局。通過Revit體量建模表示混凝土回填地形，也對于集控樓出圖與工程量統(tǒng)計起到重要參考作用。

2 K25溶洞集控樓三維設(shè)計

2.1 三維設(shè)計總體技術(shù)流程

項目從概念方案設(shè)計到施工圖出圖的主要設(shè)計工作均采用了三維設(shè)計軟件進行三維設(shè)計，其主要工作步驟如圖1所示。

圖1 三維設(shè)計總體工作流程

2.2 方案設(shè)計

溶洞集控樓造型設(shè)計靈感來源于大壩開閘泄洪時水流飛泄的自然形態(tài)[3]。在方案創(chuàng)作階段，通過SketchUp創(chuàng)建建筑形體，推敲設(shè)計方案。在設(shè)計方案確定后，再利用Rhino創(chuàng)建精確的建筑外部異形曲面形體(見圖2)。

圖2 項目方案設(shè)計及建筑外形處理技術(shù)流程

SketchUp和Rhino是建筑設(shè)計中常用的建筑方案的造型設(shè)計軟件[6-7]。這兩種軟件功能特點鮮明：SketchUp功能簡潔、易于上手，可快速創(chuàng)建形體，無需進行復(fù)雜的三維建模，可以應(yīng)用在建筑、規(guī)劃、園林、景觀、室內(nèi)以及工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域，不過設(shè)計精度有限，特別是復(fù)雜曲面造型形體建模；Rhino則具備諸如掃掠、放樣、旋轉(zhuǎn)、布爾運算、拉伸、控制點調(diào)節(jié)等各種不受約束的自由造型三維建模工具，可以根據(jù)想象構(gòu)建任何造型而不受復(fù)雜度及尺寸的限制，適合創(chuàng)建異形化的建筑構(gòu)件。

2.3 施工圖設(shè)計

2.3.1建筑模型創(chuàng)建

K25溶洞集控樓主體是一個4層的混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物，在集控樓建筑主體三維設(shè)計中采用常規(guī)的建筑設(shè)計方式：即在Revit軟件中通過標高軸網(wǎng)定位，并利用墻、板、柱等構(gòu)件完成建筑主體BIM模型創(chuàng)建；并根據(jù)需要對各樓層進行房間分隔與功能劃分。在反復(fù)優(yōu)化修改之后，得到可出施工圖深度的BIM模型，并為施工出圖做準備。

圖3是集控樓主體建筑BIM模型，展示出建筑內(nèi)部各層空間的布置情況。

圖3 集控樓建筑布局

2.3.2結(jié)構(gòu)計算模型的導(dǎo)入

在該項目結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計中，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)的特殊性(結(jié)構(gòu)設(shè)計模型要與結(jié)構(gòu)分析計算關(guān)聯(lián))以及Revit軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計的局限性(即本身不具備結(jié)構(gòu)分析計算功能)，課題組并未采用在Revit軟件中直接進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件建模的方式，而是先利用盈建科YJK軟件進行結(jié)構(gòu)分析計算，然后通過探索者插件將YJK結(jié)構(gòu)分析計算模型導(dǎo)入到Revit軟件中，再修改完善結(jié)構(gòu)模型并提交建筑和機電專業(yè)作為設(shè)計參考。結(jié)構(gòu)計算模型導(dǎo)入流程如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)三維設(shè)計技術(shù)流程

2.3.3地形處理(溶洞內(nèi)壁處理)

該項目溶洞集控樓處于地形(溶洞洞壁)之內(nèi)，因此跟常規(guī)的建筑物所處的地形有明顯的區(qū)別。為了準確表達這種空間位置關(guān)系，課題組利用Rhino軟件對等高線地形(DWG格式)進行放樣生成準確的地形曲面，并通過SAT格式導(dǎo)入到Revit軟件中(流程如圖5所示)。這樣可使得地形、建筑物整合在同一個BIM模型中，以便于后期建筑設(shè)計出圖及空間位置表達。

圖5 地形(溶洞洞壁)三維設(shè)計處理流程

2.3.4混凝土回填表示

K25溶洞集控樓所處地面(高程988 m)以下的部分采用混凝土回填方式施工，而集控樓地下3層空間為回填后保留的不填充區(qū)域。由于Revit軟件中難以通過常規(guī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件表示這類內(nèi)部中空的空間布置，課題組利用Revit內(nèi)建模型表示混凝土回填區(qū)域，通過Revit內(nèi)建模型的在位編輯功能(放樣、拉伸及空心形狀剪切等，如圖6(a)所示)完成混凝土回填區(qū)域模型的創(chuàng)建(如圖6(b)所示)，然后將回填區(qū)域模型與建筑、結(jié)構(gòu)模型進行整合。這樣不僅能夠準確反映集控樓地下部分的空間布局，有利于內(nèi)部空間優(yōu)化布置，也為后期出施工圖提供參考。

圖6 混凝土回填區(qū)域三維設(shè)計建模

2.3.5BIM模型的整合

在Revit中，分別完成幕墻、建筑、結(jié)構(gòu)、基坑、巖壁及邊坡構(gòu)件建模后，利用Revit模型鏈接功能[8]，將上述各個模型構(gòu)件鏈接進主體模型，完成模型的拼接與整合工作，如圖7所示。這里要注意各個模型構(gòu)件需采用統(tǒng)一的定位參照。定位參照一般將主體建筑物的A軸與1軸交點處定為項目原點，各專業(yè)均以該定位位置為準，建模后不得再修改移動定位基準。除此之外在模型鏈接過程中還需注意項目北與正北朝向，確保各個模型構(gòu)件按同一基準定位和同一項目朝向進行整合。

圖7 集控樓模型整合

2.3.6模型出圖

在完成各專業(yè)深化設(shè)計工作后，在Revit軟件進行各專業(yè)模型整合，利用Revit的出圖功能完成項目的施工圖設(shè)計工作[9-10]，步驟如下：

(1)選用本單位訂制視圖樣板文件，該樣板文件中包括圖框、尺寸標注樣式、線型、字體、工程量表、圖案填充等預(yù)定義樣式。

(2)基于Revit的出圖功能，由模型的平面、立面、剖面視圖，添加必要的尺寸標注及文字注釋，完成平、立、剖出圖及場地布置圖紙。

本文采用了鴻業(yè)BIMSpace建筑插件實現(xiàn)樓梯大樣圖及立面圖快速出圖。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

水利工程三維設(shè)計與BIM技術(shù)全過程全生命周期應(yīng)用已成為水利設(shè)計行業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。在大型水利水電工程三維設(shè)計工作中，往往存在多平臺協(xié)同設(shè)計、數(shù)據(jù)整合的情況。本文以烏東德水電站K25溶洞集控樓工程設(shè)計為例，介紹了如何通過多種軟件實現(xiàn)三維正向設(shè)計出圖。該項目的三維設(shè)計工作主要技術(shù)特點包括：

(1)采用三維正向設(shè)計模式。K25溶洞集控樓采用了從方案設(shè)計到施工圖設(shè)計全過程三維設(shè)計模式，主要設(shè)計圖紙從BIM模型中生成。

(2)解決了異形建筑造型建模與出圖問題。在方案設(shè)計階段，利用Rhino精確地對異形曲面外立面幕墻建模，并導(dǎo)入Revit中進行幕墻分割，最大限度保證了設(shè)計意圖的實現(xiàn)。

(3)溶洞內(nèi)壁的模型生成與剖切。鑒于K25溶洞集控樓建筑主體在溶洞之中，利用Rhino放樣生成洞壁曲面并導(dǎo)入Revit，為建筑方案布置做參考。

(4)混凝土回填模型。K25溶洞集控樓地下部分混凝土回填部分建筑布局復(fù)雜，本文通過Revit內(nèi)建模型方式對該區(qū)域精準建模，為地下建筑設(shè)計提供了重要參考。

3.2 展 望

水利工程三維設(shè)計已從初期的三維參數(shù)化建模發(fā)展為以BIM技術(shù)為核心的三維協(xié)同設(shè)計。目前單一軟件平臺進行水利工程三維設(shè)計的技術(shù)已相對成熟，而且行業(yè)中對于主流的設(shè)計平臺的技術(shù)成果較豐富。然而由于水利工程的復(fù)雜性，單一平臺往往難以覆蓋水利工程全專業(yè)設(shè)計需求。因此多平臺協(xié)同成為目前水利工程三維設(shè)計技術(shù)研究熱點。本文圍繞烏東德水電站K25溶洞集控樓項目探討多平臺協(xié)同的水利工程三維設(shè)計技術(shù)應(yīng)用，不僅為類似項目設(shè)計提供參考，同時也為水利工程多設(shè)計平臺軟件間工作協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同提供了一條思路。