三維BIM技術在孟底溝水電站可研設計中的應用與思考

摘 要：作為高山峽谷地區的大型水電工程，孟底溝水電站布置有高拱壩、大型地下洞室群及復雜場內交通等建筑物，具有牽扯面廣、投資大、專業性強等特性，本文將從三維BIM技術在項目可研設計中的應用過程著手，并結合實際應用成效，淺談BIM技術在水電工程設計中的作用和發展方向。

關鍵詞：BIM；孟底溝水電站；可研設計；

孟底溝水電站是雅礱江中游七級開發方案中的第五個梯級，上游與楞古梯級銜接，下游與楊房溝梯級銜接。電站樞紐區位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣與涼山彝族自治州木里藏族自治縣交界的雅礱江干流上，采用壩式開發。本工程為一等工程，工程規模為大（1）型，電站壩址位于孟底溝溝口下游約0.3km處，樞紐布置格局為：混凝土拱壩+壩身5個表孔和4個中孔（全壩身泄洪）+下游水墊塘二道壩+左岸地下引水發電系統+右岸2條導流洞。

作為高山峽谷地區的大型水電工程，孟底溝水電站布置有高拱壩、大型地下洞室群和復雜場內交通等建筑物，具有牽扯面廣、投資大、專業性強等特性。其中，全壩身泄洪高拱壩結構布置困難、大型地下洞室群空間交錯復雜、機電設備多且管線密集、建筑結構形式復雜多樣尤為突出，傳統的二維圖紙設計方法，已無法直觀的從圖紙上展示設計的實際效果，可能造成各專業之間結構布置錯漏碰缺、工程量漏記或重計、投資浪費等現象出現。隨著基于BIM技術的三維協同設計技術在水電工程設計中的廣泛應用，為有效的解決上述問題提供了機遇，通過基于BIM技術的Catia、Revit等三維設計軟件，建立各專業協同工作平臺，設計人員通過正向三維模型建立，為下游各專業提供含有BIM信息的布置條件圖，既增加專業溝通，實現了工程信息的緊密連接，又通過三維出圖，提高了工作效率。

1 孟底溝項目三維BIM設計概述

1.1 項目三維BIM設計生產管理

在項目可行性研究設計階段，專門成立了孟底溝項目三維數字化工作小組，使三維協同工作開展目的明確、緊扣生產需要，科學有序。

1.2 項目三維BIM設計原則與目標

孟底溝項目部組織了可行性研究設計階段三維工作策劃會，明確了總體目標、工作分工、工作方式、模型邊界、設計精度、進度要求等，要求做到正向設計、科學優化、成效顯著

2 BIM在孟底溝水電站可研設計中的應用

孟底溝工程在可研階段，結合設計工作需要，及時開展三維設計工作，在緊張的設計進度要求下，大力推動了孟底溝項目的設計工作，加強了專業協同設計、極大程度上減少了設計過程中的“錯、漏、碰、缺”。下面列出了孟底溝工程關于三維地質模型、樞紐布置、參數化設計、工程量、負責空間關系檢查等11個方面的三維設計主要工作內容。

2.1 壩區復雜地形地質模型建立

復雜的地形地質條件，采用傳統的二維分析難度大，周期長，且難以全面、完整、準確地判斷、分析、表達復雜的客觀地質條件。

如何準確反映孟底溝水電站樞紐區風化、卸荷等地質信息，反映斷層、蝕變帶、巖脈等極為復雜的空間關系，是本工程地形地質模型建立的重點和難點。通過空間關系的梳理、建模過程中的復核檢查，孟底溝三維地形地質模型全面、準確地反映了樞紐區工程地質條件。

2.2 綜合地形地質條件和工程建筑物特點進行樞紐建筑物的布置設計

（1）水工建筑物

充分結合實際地形、地質條件，以“盡量避開不利地質構造，并有利于樞紐整體布置”的條件，開展樞紐建筑物的布置設計。在對高拱壩、三大地下洞室進行三維布置設計過程中，結合模型中展示的建筑物與主要斷層及結構面的空間關系，可快速復核相對位置關系并及時調整其空間布置。

大壩、水墊塘和二道壩與主要地質構造模型關系圖 地下廠房三大洞室與主要地質構造模型關系圖

（2）導流建筑物

在對施工導流建筑物進行三維設計過程中，結合實際地形地貌和大壩樞紐建筑物的布置，可快速調整導流建筑物的空間布置，并對多方案導流建筑物布置進行快速的比選，以達到施工導流建筑物布置最優化。

（3）工程樞紐建筑物三維協同建模

在地形地質模型的基礎上，結合拱壩、引水發電系統、施工導流及場內交通等樞紐建筑物布置條件，通過三維協同建模，較直觀的展示了孟底溝水電站可研階段設計成果。

2.3 高拱壩復雜結構參數化建模

對大壩、壩身孔口、開挖等復雜結構采用了參數化建模，便于模型后期應用靈活、修改調整便利。

（1）高拱壩體形參數化建模

利用《統一二次曲線拱壩壩體自動建模方法研究與程序開發》成果實現可視化的拱壩體形設計。以體形設計成果為基礎，實現將拱壩設計成果導入CATIA，在CATIA平臺上實現拱壩的三維自動化建模。將體形設計和自動化建模功能封裝、集成為一個便捷、友好、易操作的模塊。

（2）壩肩高邊坡開挖參數化設計

孟底溝拱壩、纜機平臺和下游水墊塘開挖工程設計，通過建立udf模板、編制工具程序，實現了全參數化、自動化開挖建模，以及相關剖面圖紙和參數的提取。

（3）壩身復雜孔口群參數化設計

大壩壩身孔口設計難點在于空間結構復雜，參數關聯性強，本次孟底溝壩身孔口通過大量參數及關系建立，完成壩身孔口的參數化模型，可以進行模型的參數化修改調整，提高后期壩身孔口設計效率。

2.4 大壩基礎處理三維設計

針對孟底溝壩區對拱壩主要的不利地質構造，結合其空間實際展布，開展壩基淺表混凝土置換塊、基礎深部洞井網格等處理措施三維設計。通過三維模型可以檢查基礎處理與地質構造之間空間關系的正確性，并可以對基礎處理設計進行可視化快速調整。

2.5 工程量提取

傳統的工程量計算主要采用“斷面法”，剖面多，計算量大，且隨剖面數量多少，計算結果差異較大。孟底溝可研階段，對工程土建投資影響較大的大體積混凝土、開挖支護等采用三維模型計提相關數據，以滿足可研階段工程量計算精度要求，避免了因計算誤差造成后期工程量的調整。endprint

2.6 不同專業工作接口三維協同設計

樞紐建筑物三維模型直觀、空間關系明朗，有助于正確理解工程設計成果，是專業內部之間、不同專業之間過程中“設計交底”的利器。孟底溝水電站可研設計工作，充分利用三維建模的優點，高效的推動各專業設計工作。

2.7 復雜空間關系檢查和修正

孟底溝水電站地下廠房洞室群和大部分主要場內交通位于左岸山體，空間關系復雜，采用三維模型設計，避免了建筑物空間關系的“錯、漏、碰、缺”問題。本次建模過程中，在排風洞與第一層排水廊道三維設計時，發現洞室間存在碰撞，后將第一層排水廊道抬高，使兩洞室空間錯開，及時解決了問題。

2.8 圍堰分區

通過本次孟底溝水電站施工導流建筑物的三維設計，還實現了對上下游圍堰進行材料分區建模，直觀方便的了解圍堰各部位的建筑材料構成，通過與地形面的運算后，還能夠快速計算出填筑圍堰的各建筑材料的表面積和體積，方便指導實際水電工程的施工。

2.9 三維出圖

Catia、Revit軟件提供了高效、直觀和交互的工程繪圖系統，其功能滿足二維設計和工程繪圖的需求。這兩款軟件均可以從3D零件或裝配件自動生成相關聯的2D工程圖紙，包括視圖、尺寸和標注。用戶還可以將圖案與零件材質規范關聯起來并利用標準的修飾特征添加后生成的標注。2D圖紙與3D主模型之間的關聯性使用戶可以進行設計和標注的并行工作，較好的提高了設計出圖工作效率。

3 應用思考

通過BIM技術在孟底溝水電站可研階段設計中的應用，可以看出其對設計質量的提升有較明顯的效果。從建模過程看，有較為清晰的設計思路，才能制作出可行的模型，因此，從模型設計開始，設計思考即開始，建模過程中實時呈現的成果，可以對設計成果有直觀的感受，加上依據模型快速生成投影、剖面等技術，不同于二維設計時時間分配到繪制結構線、標注、尺寸等方面，三維模型設計可以更多的關注如空間位置、相對位置、結構等方面，甚至建筑物的體量也可以實時呈現，可以對主要工程量有更直觀的感受。另外，作為設計的數據源，在經歷不同階段的校審后，模型的精度和準確度是一個逐步提高的過程，后續的生產工作提供了高質量的基礎數據，校審點與傳統的二維圖設計會存在較大的區別，可以減少諸如結構剖面失誤等問題，在設計深度較深，模型準確度較高情況下，一定程度上可以節省制圖和圖紙校核時間。在模型空間展示的直觀效果下，前期的模型數據的數據傳遞更為有效，失誤更少，更方便新的設計人員快速介入項目，而且新人員介入生產任務時，對結構細節的把握更加有效。

工程量的統計可以更加智能，在模型數據質量符合模型質量的基礎上，對模型進行工程量提取可以釋放設計人員的體力以及精力分配，提高工程兩方面的統計效率。

通過數字化設計過程中充分有效的應用參數化建模思路，可以快速有效的歸集設計思路，為后續的設計及模型動態調整降低勞動強度。

設計成果在以模型動態更新的方式移交業主時可以更加直觀，更有說服力。

4 結論

隨著市場競爭的激烈，考慮到項目建設方對工程運營期的可控性等隱性增值服務的需求，早期設計精細程度和深度在加深，設計時間也被壓縮，充分利用BIM三維模型的快速建模以及其他如快速提取工程量、三維出圖等實用功能，來提升設計效率，提高設計成果質量是十分必要的。在分析完善三維模型等數字化設計成果的基礎上，應大力推動BIM在項目全生命周期的擴展應用。

作者簡介：

張順利（1979-），男，河南信陽人，高級工程師，主要從事水工廠房設計工作。endprint