兩河口水電站BIM技術研究與應用

敖 翔，楊晨光，侯東奇

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 工程概況介紹

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫。電站的開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧防洪。電站采用壩式開發(fā)，水庫正常蓄水位高程2865.00m，水庫總庫容107.67億m3，消落深度80m，調節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調節(jié)能力。電站裝機容量3000MW，多年平均年發(fā)電量110億kW·h。［1］

兩河口水電站樞紐建筑物采用攔河礫石土心墻堆石壩（高295m）、左岸地下洞室群（洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流豎井泄洪洞、中后期導流洞）和右岸地下洞室群（地下發(fā)電廠房、引水及尾水建筑物、初期導流洞）的工程樞紐總體布置格局，樞紐布置錯綜復雜。樞紐建筑物主要工程量：土石開挖約2400萬m3、土石填筑約4160萬m3、混凝土約365萬m3。樞紐總體布置如圖1所示。

圖1 樞紐總體布置

300m級高土石壩與左右岸地下洞室群在深切河谷中施工布置難度極大，施工道路總長約120.95km（含隧洞約65.45km），尤其施工道路與左右岸地下洞室群縱橫交錯，空間關系復雜，工程難度大。施工總體布置與場內公路如圖2所示。

圖2 施工總體布置與場內公路

兩河口水電站為藏區(qū)在建最大水電站，籌建準備工程于2005年12月陸續(xù)開工，工程計劃于2020年11月下閘蓄水，2021年8月第一批機組具備發(fā)電條件，2023年12月底基本完工，工程歷時長。

2 BIM應用規(guī)劃

工程全生命周期管理是對建筑物整個生命周期（規(guī)劃、設計、施工、運營、拆除）過程信息的綜合管理。它不是一種技術，也不是一套解決方案，它蘊含著集成化、系統(tǒng)化的信息管理和知識管理的理念，在這一理念下產生很多實現(xiàn)工程全生命周期管理的技術手段和解決方案，而BIM技術就是實現(xiàn)工程全生命周期管理的重要基礎。

兩河口水電站具有地質條件復雜、樞紐工程布置錯綜復雜，施工條件差，施工工期長的特點，結合工程設計、施工、運維等全生命周期的各個階段，對工程BIM技術應用進行了詳細的規(guī)劃，并提出各階段BIM技術的應用程度和主要內容，方便設計人員、施工人員以及業(yè)主可以全面地管控項目。工程全生命周期BIM技術應用總體規(guī)劃見表1。

圖3 數(shù)字化設計解決方案總圖

表1 工程全生命周期BIM技術應用總體規(guī)劃

3 BIM技術體系

成都院數(shù)字化設計總體解決方案以工程生命周期管理為目標，基于統(tǒng)一的協(xié)同平臺，構建基于三維數(shù)字化的企業(yè)最佳實踐資源庫和標準規(guī)范，各專業(yè)采用便于集成的專業(yè)工具創(chuàng)建信息模型，在協(xié)同平臺上進行綜合集成，形成工程數(shù)據(jù)中心，為各項工程設計應用和全生命周期管理提供數(shù)據(jù)支撐，以減少浪費、降低成本、減少返工、縮短工期，提升工程的經(jīng)濟社會價值。利用BIM進行信息管理，能夠有效支持信息在各階段間無損傳遞和實時共享，使項目的各參與方協(xié)同工作，大幅提高信息交流的效率，為分析和決策提供支持，實現(xiàn)建筑全生命期的可預測性和可控制性［2］。數(shù)字化設計總體方案如圖3所示。

水電工程涉及到的數(shù)據(jù)內容可分為：基礎圖形數(shù)據(jù)（由GIS地理信息數(shù)據(jù)和BIM建筑信息模型數(shù)據(jù)組成［3］）、非實時性業(yè)務信息數(shù)據(jù)、非結構化文檔數(shù)據(jù)、監(jiān)測類實時傳輸數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)的組織形式可以分為屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。

針對全生命周期管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息具備多元、異構、龐大的特點，需建立統(tǒng)一的信息模型，以實現(xiàn)空間相關信息模型和業(yè)務的集成，實現(xiàn)系統(tǒng)從空間維度和時間維度的查詢管理，從宏觀和微觀層面管理各類數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)、人員、業(yè)務、應用的統(tǒng)一編碼體系，形成人、數(shù)據(jù)和業(yè)務的組織關系［4］。其中，數(shù)據(jù)由GIS地理信息數(shù)據(jù)、BIM三維模型數(shù)據(jù)、空間標注數(shù)據(jù)、業(yè)務對象數(shù)據(jù)構成，GIS數(shù)據(jù)通過空間編碼與其他內容關聯(lián)、BIM模型數(shù)據(jù)通過模型編碼與其他內容關聯(lián)、標注數(shù)據(jù)通過標注對象編碼與其他內容關聯(lián)、業(yè)務數(shù)據(jù)通過業(yè)務對象與其他內容關聯(lián)。在內容層，通過附加時間屬性和空間屬性實現(xiàn)與對象其他內容關聯(lián)［5］。

人員由組織、角色和權限構成，通過人員編碼與內容關聯(lián)。業(yè)務數(shù)據(jù)是對數(shù)據(jù)內容的提取與組織，根據(jù)業(yè)務需求，通過對象編碼和人員編碼提取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)進度、質量、投資等業(yè)務的呈現(xiàn)，信息模型結構如圖4所示。

圖4 信息模型結構

4 BIM技術應用

針對兩河口水電站的特點，根據(jù)各專業(yè)BIM應用目標，以工程數(shù)據(jù)中心為核心，制定模型分類、編碼規(guī)程、建模精度等標準，集成多源數(shù)據(jù)，開展項目多階段、多專業(yè)BIM設計。

可行性研究設計階段，注重項目總體布置，注重模型輕量化、三維可視化，主要輸出成果為三維方案布置、主要工程量，主要目標是輔助不同設計方案的對比分析與效果展示，以利于方案決策。

測繪專業(yè)以測量數(shù)據(jù)為基礎，結合GIS信息，構造工程區(qū)域的三維場景，其他專業(yè)在此基礎上進行工程地質、樞紐建筑物、施工布置等專業(yè)設計。利用BIM準確與所見即所得的特點，多專業(yè)協(xié)同設計，在同一場景下進行不同設計方案的比選。右岸地下洞室群工程地質三維模型和樞紐建筑三維模型及空間布置如圖5、6所示。

圖5 右岸地下洞室群工程地質三維模型

圖6 樞紐建筑三維模型及空間布置

在招標設計、施工圖設計階段，設計工作全面前移，項目開工建設之前基本完成樞紐布置BIM設計、施工總布置BIM設計和廠房-機電綜合布置BIM設計三大系統(tǒng)，開展項目級多專業(yè)協(xié)同設計的研究與應用。

樞紐布置BIM設計重點在于完成樞紐布置格局優(yōu)化、單體結構詳細設計、三維鋼筋設計、三維設計二維出圖、碰撞檢查、工程量統(tǒng)計等工作；施工總布置BIM設計重點在于施工場地布置、優(yōu)化、施工交通規(guī)劃、導截流建筑物設計、渣場、料場開采設計，物料動態(tài)平衡設計等工作；廠房-機電綜合布置BIM設計重點在于協(xié)調復雜的水機、電氣、通風、通風、供水等設備、線路與廠房土建工程的錯綜復雜關系，提高設計質量，減少設計變更，其模型圖如圖7所示，復雜地下空間布置如圖8所示。

在工程施工階段，BIM工作重點在于全面集成設計、施工、監(jiān)控等過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)管理、外部信息鏈接、系統(tǒng)更新、設計施工管理一體化應用等功能，重點開展了基于施工進度、料源質量的兩河口水電站壩體填筑與料源供需統(tǒng)籌管理的5D-BIM技術研究與應用。

圖7 廠房-機電綜合布置模型

圖8 復雜地下空間布置

兩河口水電站壩體填筑方量約為4000萬m3，具有填筑工程量巨大，料場多且料源差異性大，建設工期長，氣象條件復雜的特點，對工程進度、質量和成本控制影響較大。其中，大壩防滲土料場共5個（分12個料區(qū)），料源分散，質量各不相同，部分料場分區(qū)分層且空間分布相變較大；石料場共2個，料場地質分層復雜，各層料源質量差異明顯。因此，如何在時空關系上將料場開采與壩體填筑進行協(xié)同設計、施工與管理，達到施工階段工程進度、質量和成本的精細化管控是工程的關鍵。

應用5D-BIM技術通過建立料場信息化三維地質模型、大壩結構分區(qū)三維模型，以工程施工進度計劃為載體（4D-BIM），快速進行料場開采與壩體填筑進度、質量、流向等信息的數(shù)據(jù)交互與反饋，達到料源特性（5D-BIM）與壩體填筑參數(shù)對稱信息條件下的料源利用與壩體結構優(yōu)化，提出料場開采與壩體填筑的協(xié)同3M管控（進度Schedule、質量Quantity、成本Cost）解決方案，推進設計施工管理一體化，達到基于5D-BIM的3M管理技術的精細化管理目的。

項目實施過程中主要涉及到以下關鍵技術：

（1）三維原始地形及實時三維地形捕捉

開展基于激光測繪技術、攝影測繪技術及無人機技術，對料場地形及壩體填筑數(shù)據(jù)進行實時、快速、精確的數(shù)據(jù)采集，同時利用三維逆向建模技術開展地形三維建模的研究，提出地形快速測繪及三維模型構建與對比的方法及流程。

（2）料場三維地質模型及實時動態(tài)追蹤

以三維地形和二維數(shù)據(jù)為基礎，研究復雜料場分區(qū)分層地質界面空間關系，形成三維地質表達可視化、分析可視化和過程可視化的工程地質數(shù)字化平臺。過程中以動態(tài)三維地形界面及二維數(shù)據(jù)及時更新為條件，實現(xiàn)三維模型修正過程的動態(tài)追蹤。

（3）料源供需統(tǒng)籌管理動態(tài)跟蹤、預警與預測

開展多個復雜料場使用規(guī)劃，利用三維模型云計算技術，從質量、進度、投資等多方面進行使用規(guī)劃優(yōu)化，提出相應的優(yōu)化評價方法；對料場開采的實時動態(tài)調整，并結合動態(tài)三維模型及施工全過程仿真，采用敏感性分析方法，達到跟蹤、預警與預測的結合與統(tǒng)一。集成壩體填筑料源數(shù)據(jù)庫，為后期的工程驗收、安全鑒定和施工期、運行期安全評價提供強大的信息服務平臺。

（4）料源開采和運輸及心墻填筑可視化仿真

基于數(shù)字大壩（需求側）、數(shù)字料場（供給側）、數(shù)字壩料（土料特性），研究復雜料場筑壩材料的動態(tài)優(yōu)化配置計算模型和方法；在大壩進度仿真4DBIM的基礎上，形成“三維模型+進度+材料特性”的5DBIM土料優(yōu)化方法。

綜合利用物聯(lián)網(wǎng)技術、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等技術，實現(xiàn)料場開采與動態(tài)儲量→料源物理特性→運輸監(jiān)測信息→填筑碾壓監(jiān)測信息→壩料物理特性等全生產流程的智能化監(jiān)測，綜合信息集成、追溯、分析預測和預警，如圖9所示。

圖中分別展示了10月份、11月份兩河口石料場開采過程中有用料界線、分區(qū)填筑界線，并和可研勘探成果得剝離情況作了對比分析。

圖9 基于料場地質三維模型的源供需動態(tài)跟蹤、預警與預測統(tǒng)籌管理

兩河口水電站通過基于施工進度、料源質量的5D-BIM技術，實現(xiàn)壩體填筑與料源供需統(tǒng)籌管理，優(yōu)化利用料源約40萬m3，直接節(jié)約投資約為2000萬元，經(jīng)濟效益顯著。

5 BIM應用展望

BIM技術應用結合大模型、大數(shù)據(jù)、施工信息化、虛擬現(xiàn)實技術，在竣工期和運維期以及流域調度中進行深加工，提供更為全面的信息平臺，推進BIM技術的應用與發(fā)展。

（1）兩河口水電站工程邊坡規(guī)模大，地下洞室群復雜，縱向擴展將工程監(jiān)測模型集成并監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用云圖技術直觀體現(xiàn)工程樞紐的變形，結合三維工程地質模型和建筑物模型，提供工程評價及解決方案，實現(xiàn)智慧工程運維管理。

（2）兩河口水電站提前開展電廠虛擬化技術，為電廠管理人員提供實時觀測和判斷電廠的實際運行狀態(tài)及資源調配的信息平臺，及時掌握電廠各節(jié)點的狀態(tài)信息、通信的網(wǎng)絡狀況，并與電廠調度自動化等管理系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)智慧電廠運維管理。

（3）兩河口水電站庫區(qū)范圍約100km，地質災害風險點多，且隨著工程運行和自然條件變化，通過3D-BIM技術進行工程安全分析和地質災害評估等，實現(xiàn)庫區(qū)地質災害風險評價管理平臺。

（4）兩河口水電站作為雅礱江流域中、下游的“龍頭”水庫，具有多年調節(jié)庫容，對下游電站補償效益顯著，基于3D-BIM技術，外延至流域調度、洪水期蓄泄量平衡與風險分析、達到發(fā)電效益最大化，實現(xiàn)智慧流域調度管理。

6 結語

兩河口項目BIM技術應用密切聯(lián)系工程實際，立足科研創(chuàng)新和技術進步，逐步實現(xiàn)由縱向打通設計全專業(yè)，到橫向打通工程建設全過程的價值創(chuàng)造，形成了全過程日趨成熟的BIM應用技術體系。BIM技術與兩河口工程建設過程的深度融合，提升了項目設計品質、優(yōu)化了施工資源配置，提高了工程建設管理水平，為工程建設創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益與社會效益，BIM技術的應用于發(fā)展必將在今后的工程建設過程中發(fā)揮更大的價值。

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