兩河口水電站數字化設計與應用

敖 翔， 王 蕊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

兩河口水電站數字化設計與應用

敖 翔， 王 蕊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

近十年來BIM技術在國內建筑、市政等領域獲得了快速發展，但是由于水電工程周期長、范圍廣、體量大、專業多、關聯方多等特點，BIM的應用難度比一般的建筑、市政工程更大。本文以兩河口水電站數字化設計與應用為例，簡述了BIM技術在水電工程生命周期里，以模型為核心，將多方數據有效組織、管理、流轉、利用起來，為工程服務的工作思路和成果。

兩河口水電站；BIM；三維協同設計；標準體系；管理體系

0 前 言

BIM(Building Information Modeling——建筑信息模型)，是一個建設項目物理和功能特性的數字表達；是一個共享的知識資源；是一個分享有關這個設施的信息，為該設施從建設到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據的過程；在項目的不同階段，不同利益相關方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協同作業。

近十年來，BIM技術在國內建筑、市政等領域獲得了快速發展。2014年9月，北京市頒發了《民用建筑信息模型設計標準》(DB 11/T 1063-2014)；2016年8月，住建部印發了《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》。“十三五”期間，我國將全面提高建筑業信息化水平，著力增強BIM、大數據、智能化、移動通訊、云計算、物聯網等信息技術集成應用能力，建筑業數字化、網絡化、智能化取得突破性進展，初步建成一體化行業監管和服務平臺，數據資源利用水平和信息服務能力明顯提升，形成一批具有較強信息技術創新能力和信息化應用達到國際先進水平的建筑企業，及具有關鍵自主知識產權的建筑業信息技術企業[1-2]。

水電工程由于周期長、范圍廣、體量大、專業多、關聯方多等特點，BIM在其中的應用難度比一般的建筑、市政工程更大。兩河口水電站數字化設計與應用以模型為核心，將水電工程生命周期里的多方數據有效組織、管理、流轉、利用起來為工程服務，取得了較好的效果。

1 成都院數字化設計概述

1.1 數字化設計平臺

成都院建立了以達索PLM為基礎平臺,以CATIA/GOCAD/REVIT等為工具的技術體系。水工以CATIA為主、地質以GOCAD為主、機電廠房以REVIT為主，各專業采用便于集成的專業工具創建信息模型，在協同平臺上進行綜合集成，形成工程數據中心，為工程設計應用和全生命周期管理提供數據支撐，平臺基本架構如圖1所示。

1.2 數字化設計標準體系

成都院依托實際工程，從設計、施工、運維三方面對三維數字化設計方法、流程、質量保證等各方面進行深入研究，逐步形成了一套適合水利水電行業的數字化標準體系。三維數字化標準體系如圖2所示。

其中設計技術標準主要包括：協同設計環境管理技術標準、通用三維設計技術標準、專業三維設計技術標準、多專業協同設計技術標準、工程BIM與數字移交系統建設技術標準等。

(1)三維協同設計應用技術標準：涵蓋三維設計資源、三維設計流程、三維設計行為、三維設計交付、管理流程和質量控制等；

(2)企業級作業流程標準：包括樞紐布置設計流程和廠房綜合布置流程；

(3)專業級作業指導書：包括測繪、地質、拱壩、堆石壩、重力壩、引水及泄水建筑物、廠房及尾水建筑物、水機、通風、金結、電氣、施工、建筑、監測等專業作業指導書300余項。

圖1 成都院數字化協同設計平臺系統架構

圖2 成都院三維數字化標準體系

通過逐步健全的標準體系，成都院數字化設計逐步實現作業流程標準化、設計表達規范化、企業知識固態化、信息歸集多元化。并且，通過工程數據的不斷匯集，逐漸形成了企業級的工程數據中心(PDM)，為工程生命周期管理提供數據支撐。

1.3 數字化設計管理體系

水電工程數字化是傳統行業的技術創新，同時也是流程創新、模式創新。數字化設計涉及到流程再造、部門責任分工、項目運行管理模式的改變等問題，還涉及到專業利益和項目整體利益、短期利益和長期利益的問題。為了更好地推動數字化設計的發展，成都院逐步建立了配套的數字化設計管理體系，主要包括以下幾個方面：

(1)人力資源保障體系：成都院三維數字化設計工作由院級領導主管，生產管理主要涉及到勘測設計管理部、數字工程與信息技術中心、項目部和相關專業單位。生產組織上以項目為核心，以專業為主體。工作組織體系如圖3所示。

圖3 成都院三維設計工作組織體系結構

專業單位負責需求與應用；數字工程與信息技術中心負責軟件開發和維護；勘測設計管理部負責三維設計生產任務的管理；科技質量部負責技術研發管理。

(2)政策、制度管理體系：獎罰并重，一方面通過設置三維設計專項產值基金對開展三維設計的生產項目進行獎勵；另一方面規定具有三維生產任務的項目必須拿出一定比例的生產產值作為項目年度三維設計專項產值，對于完成情況不好的項目予以扣罰。

(3)科研、競賽保障體系：通過定期舉辦院級BIM大賽、青年科技基金項目等活動推動技術交流與進步。

(4)技術保障體系：設置數字工程與信息技術中心，為每個三維設計項目配置三維設計助理，負責數字化設計解決方案的研究，負責各項數字化設計任務的推進與考核。

2 兩河口項目數字化設計及應用

2.1 項目概況

兩河口水電站位于四川省甘孜藏族自治州雅江縣境內的雅礱江干流上，為我國大型水電能源基地雅礱江干流中、下游的控制性水庫電站工程。壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段，距成都約536 km。

兩河口水電站壩址控制流域面積6.57萬 km2，水庫正常蓄水位2 865 m，相應庫容107.67億m3，調節庫容65.6億m3，具有多年調節能力。電站裝機容量300萬kW，多年平均年發電量為110.0億kW·h。

工程為一等大(1)型工程，以發電為主，兼顧防洪，樞紐建筑物由土質心墻堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、發電廠房、引水及尾水建筑物等組成。心墻堆石壩最大壩高295.0 m，發電廠房為地下式，廠內安裝6臺混流式水輪發電機組[3]。

2.2 數字化設計

兩河口水電站數字化設計工作自2004年開展以來，歷經預可研、可研、招標、技施四個階段，測繪、地質、壩工、水道、廠房、施工、交通、機電等多專業參與，形成了一套從三維設計、三維校審到設計分析一體化、工程算量、工程出圖、施工仿真、數字移交等系列應用。

(1)工作組織：為了更好地服務工程，2015年7月項目部成立了“兩河口BIM技術中心”(見圖4)并組建數字交付部，交付部下設地質、壩工、水道、廠房、建筑、施工、機電等專業負責人，負責項目三維數字化工作。

項目部通過編制年度計劃、定期考核、總結等措施，持續完善三維數字化工作流程，保障三維數字化產品的質量，詳細工作流程如圖5所示。

圖4 兩河口設計樓及兩河口BIM技術中心

圖5 兩河口項目三維數字化設計任務流程

(2)多專業協同設計：兩河口項目基于CATIAamp;VPM協同設計平臺，實現地質、水工、施工、機電等多專業參與的樞紐布置和施工總布置三維協同設計。成都院的三維設計采用自頂向下的工作分解與自底向上的協同設計思想，具體實現方法如下：

①項目結構樹定義：項目部制定年度三維設計工作目標，各專業根據項目目標，分專業、部位、結構逐級對計劃進行拆解，形成年度三維設計任務表，最后在VPM協同設計平臺上搭建與工作計劃對應的GCO及模型結構樹，實現自頂向下的工作分解模式。三層任務分解與對應關系如圖6所示。

②骨架控制：項目協同設計過程中，通過三級骨架實現自頂向下的模型驅動。基于骨架元素的發布、引用機制，實現專業與專業之間、專業內部之間以及結構之間的參數級協同設計。三級骨架包括項目骨架、專業骨架和結構骨架，如圖7所示。

圖6 兩河口項目任務分解表、GCO、模型結構樹

圖7 三級骨架搭建、骨架元素發布和引用

③參數化設計：各專業處室普遍采用參數化設計思路，實現模型的快速修改和復用，如圖8所示。參數化的模型還能固化設計標準、傳承設計經驗，逐步積累，形成企業知識庫，成為企業的核心競爭力。

(3)主要成果：兩河口項目根據計劃，目前已完成樞紐布置模型(見圖9)、施工總布置模型(見圖10)及廠房-機電布置模型(見圖11)，完成近300條三維設計任務，實現了三維設計、三維校審、設計分析一體化、工程算量、工程出圖、施工仿真、數字移交、項目全生命周期管理等系列應用。

(4)三維出圖：兩河口項目2016年1月1日～11月30日期間，地質、水工、施工、機電等專業共交付270張三維圖紙用于指導工程現場施工。由于三維圖紙具有優秀的設計成果表達能力，在施工現場取得了良好效果，如圖12、13所示。

圖8 表孔檢修閘門參數化設計

圖9 兩河口水電站樞紐布置模型

圖10 兩河口水電站施工總布置模型

圖11 廠房-機電綜合布置模型

圖12 引水進口結構和3號補氣洞開挖支護示意

圖13 兩河口機電出圖

2.3 數字移交

項目部以設計模型為基礎，按照不同的功能需求對模型進行再次加工，賦予模型一定屬性及信息，形成特定用途的數字移交產品，用于生產管理，既延伸了設計企業的生產線，又為項目提供了信息增值服務，受到了業主的一致好評。

目前，根據勘測設計合同，項目部按月提交最新的項目三維設計模型、用于反映現場各標段施工進度的施工面貌模型(如圖14所示)，以及方便業主進行進度、質量管理的工程分標模型、年度計劃模型等共22套。

圖14 引水發電標、開挖Ⅱ標施工面貌數字移交產品

2.4 施工仿真

兩河口項目大壩填筑工程量大，料場分散，料源性狀復雜，利用基于CATIA的三維精確模型、采用離散系統仿真原理[4]，全參數化驅動的動態分層分塊、圖形化仿真建模、進度仿真核心算法、2D+3D可視化查詢、統計分析報表及與其他數字化系統的接口等功能模塊。具備場內交通模擬、大壩填筑過程模擬和土石方調運過程模擬功能，能根據大壩填筑工藝、外部環境、供料、填筑設備、料性匹配、道路布置等條件，分析場內道路的運輸強度、排隊概率、路口擁堵程度，用于場內交通布置優化和方案論證；分析大壩填筑進度、填筑機械配置及利用率、料物供應強度，用于工期規劃、土石壩調運計劃優化、施工資源計劃等。

適應性：可應用于直心墻堆石壩、斜心墻堆石壩、面板堆石壩等所有當地材料壩類型，可為業主、監理提供進度控制工具，論證進度計劃的合理性，輔助進度決策，為設計、承包商提供工期規劃、制定進度計劃、分析制約因素的工具，為土石壩穩定與沉降分析、施工定額計算等科研工作提供詳細進度計劃。

技術特點：數字化、自動計算、快捷、準確、直觀。

系統優勢：具有成熟、通用的核心仿真算法，直觀、高效的可視化仿真模塊，能充分發揮設計院的優勢，實現與設計的無縫銜接。在瀑布溝、雙江口、兩河口等大型土石壩工程的設計或實施中應用、驗證和優化，除一般仿真系統的優勢外，更具有高可靠度、科學、高效和對現場的有效指導等特色(見圖15)。

技術先進性和推廣價值：對當地材料壩工程的場內交通和填筑進度分析具有通用性，在當地材料壩的建設中具有廣闊的推廣應用價值。

圖15 兩河口水電站施工仿真系統

2.5 計劃管理

以項目三維設計模型為基礎，采集如單元工程開工、完工時間、單元工程量和投資等信息，按分項/分部工程將相應單元工程的進度信息整合，形成分項/分部工程實際進度信息和進度形象，可應用于以下三方面：

(1)按分項/分部工程進行以單元工程為基礎的工程進度仿真分析。

(2)將里程碑、年、月進度目標輸入系統，與實際進度形象進行對比分析，對比各目標工期滯后/提前天數、對比主要工程量計劃/實際完成量、對比分析與預警關鍵線路、預測分析目標保證率，提供輔助決策分析。

(3)通過可視化平臺，直觀展示工程實際形象面貌，查看已發生或計劃的施工過程情況，如圖16所示。

圖16 進度仿真及計劃管理

采集和處理施工過程測量數據，輔助生成施工單元三維模型，并利用系統三維空間算量功能計算單元工程量(主要是填挖的方量，如有單元工程內的材料構成信息，可分解計算其他工程量；對于規則的單元工程，可直接利用設計單元三維模型進行空間量算，計算單元工程量)，以方便項目業主快速復核施工單位申報的工程量；

以單元工程為基礎，將單元工程涉及工程量支付項目按工程量清單進行分解，然后進行工程量分類匯總，計算實際完成工程量所占合同工程量比例，輔助進行工程量與工程形象對比；

集成已建的工程管理信息系統中的概算分解數據、工程量計量和合同支付信息等，形成項目概算和合同、單元工程等的關聯，系統可實時出具概算的執行情況、合同的投資完成情況并分類分項對比分析，提供生成投資統計報表和結算預警等輔助功能(見圖17)。

圖17輔助計量及投資輔助控制

2.6 施工信息集成

兩河口項目以工程區域基礎地理信息和樞紐工程三維數字化模型為基礎，集成工程建設信息，實現以下功能：

(1)根據工程建設管理面對的不同層級空間對象和管理實際需要，如單位工程、分部工程、分項工程、單元工程等，數字化采集和管理各空間對象的質量、進度、投資、工程量等工程建設管理數據和關鍵工序的實時監控數據(支持用戶根據空間對象層級及類型，主要是單元工程類型，定義具體空間對象關聯的數據)。

(2)進行數據挖掘分析利用，為工程建設精細化管理提供決策信息支持和關鍵施工過程實時監控預警。

(3)按照統一制定的空間對象及其數據編碼規則實現數據與空間對象關聯管理。

(4)實現在三維可視化與信息集成展示平臺上對管理的空間對象進行其建設管理數據及實時監控數據的可視化查詢展示，以及具有時間軸屬性數據的動態過程三維演示(見圖18、19)。

圖18 施工計劃管理

圖19 施工質量監控及預警

3 結論與展望

兩河口水電站數字化設計與應用是BIM技術在水電工程建設領域的一項深入應用。一方面，延伸了傳統水電工程設計企業的服務周期，創新了企業的產品和服務，為企業創造了更多的價值；另一方面，新方法、新技術的使用為設計、施工、監理、業主、政府等工程建設各方提供了一個信息流轉平臺，在一定程度上優化了項目資源配置，改變了項目生產組織模式，提高了項目整體收益。

目前BIM技術仍處于高速發展期，互聯網+工程的時代終將到來，水電工程行業應緊跟時代潮流，夯實各項標準，逐步規范各方數據，縱向打通全過程，橫向融入全角色，逐步實現覆蓋工程生命周期全領域的BIM應用。

[1] DB 11/T 1063-2014,民用建筑信息模型設計標準[S].2014.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.2016-2020年建筑業信息化發展綱要[Z].2016.

[3] 余挺,金偉,等.四川省雅礱江兩河口水電站可行性研究報告(工程布置及建筑物)[R].成都:中國水電工程顧問集團成都勘測設計研究院,2013.

[4] 張志偉,馮奕,尹習雙.水電工程信息模型創建方法研究[J].四川水力發電, 2016(1): 74-77.

2017- 01- 06

敖翔(1980-)，男，湖北十堰人，碩士，工程師，從事水電工程三維設計、BIM技術研發與應用。

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1003-9805(2017)04-0023-09