三維設計促進流域快速規劃多方案比選研究

蔣 藝，文 雯，李 鵬

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

近年來，國家大力號召BIM建設，力爭項目從規劃、預可、可研、招標到施工詳圖及施工運營管理階段全面實現數字化。BIM建設以其標準化、可視化、快速化及協同作業效率高等優點引起越來越多的注意，BIM技術的引入將在水電項目全生命周期建設、管理過程中發揮越來越重要的作用。

對于水電工程的三維設計，現有研究主要集中在預可、可研和施工詳圖階段。例如，文獻［1-2］采用CATIA軟件，對水利水電工程進行三維地質建模，進行可視化分析、二維成圖和模擬開挖；文獻［3］采用集成CAD／CAE分析技術，結合水電工程設計特點，實現了水電樞紐布置方案的三維設計；文獻［4］介紹了三維建模為各專業設計優化提供了條件，大大減少了設備碰撞檢查，提高了設計和理性，進而促進了施工進度和精度。文獻［5］采用REVIT三維軟件進行水電站廠房協同設計，并開發大體積結構三維配筋輔助系統，建立了參數化模型庫和圖元庫，提升設計效率和服務水平。文獻［6-7］針對水電站壓力岔管常規設計方法存在的不足，采用三維設計方法，結合工程實際闡述了Y形三岔管三維建模過程，效率高、更直觀、實用性強。文獻［8］利用三維數字化地形圖及3DMAX等軟件實現工程量自動計算及三維施工模型設計。文獻［9-10］介紹如何采用三維設計軟件快速完成設計，推廣三維數字化移交技術，提高水電站信息管理水平檔次，滿足工程需要。但是，三維設計在水電項目規劃階段尚未涉足。對水工設計的地形開挖，傳統規劃采用二維設計，一般以總平面布置圖和典型斷面的形式給出。由于工程區域較大，梯級方案眾多，建筑結構復雜，往往需要設計人員設計很多典型斷面，利用三維設計進行快速方案比選的研究也較少。

本文依托實際水電工程，以促進流域快速規劃及方案比選為目標，采用Geopak三維協同設計軟件，探索BIM技術在水電規劃階段應用的具體方式及實施流程。研究成果將對國家同類項目水電工程快速規劃產生較好的參考價值。

1 規劃概況

項目流域干流落差4250m，河長65km。最大支流落差 4010m，河長 46km。流域平均海拔1500m、集雨面積逾2000km2、多年平均氣溫16℃、多年平均流量近100m3／s，水力資源理論蘊藏量超過1000MW。

考慮到該河流規劃河段長約100km，各方案內梯級眾多，且外業工作尚未全部完成，設計工作時間極短，而三維協同設計由于變更設計方案便捷，可顯著提高工作效率，本文首次嘗試將三維協同設計與水電規劃工作相結合，充分利用三維協同設計直觀、形象、高效、準確的優點，將三維協同設計在水電規劃的方案擬定、方案設計、方案比選、成果展示的各個工作環節進行深度應用，探索并研究三維協同設計在水電規劃階段深度應用的具體方式及實施流程。

在項目設計任務緊張的情況下，本次規劃干流初擬3種開發方案，如圖1所示；3種開發方案的影響主要在梯級1，梯級1的開發方式分為：梯級1高壩混合式方案、梯級1低壩引水式方案和梯級1高壩壩式方案。干流3種開發方案梯級布置分別為：

方案一（梯級1高壩混合式方案）：梯級1（高壩）（正常蓄水位 2100m）+梯級2（正常蓄水位1690m）；

方案二（梯級1低壩引水式方案）：梯級1（低壩）（正常蓄水位 2000m）+梯級2（正常蓄水位1690m）；

方案三（梯級1高壩壩式方案）：梯級1（高壩）（正常蓄水位 2100m）+梯級 3（正常蓄水位1850m）。

圖1 流域開發方案

2 快速建模

建模采用Geopak三維設計軟件，軟件允許對不同的設計方案進行快速的瀏覽，并能通過功能強大的場地模型工具對設計進行可視化的編輯。軟件最大優勢在于能夠很容易的建立和修改設計。拖放式的編輯功能，可大幅提高工作效率。功能強大的可視化工具，能夠迅速展現設計成果，用于工程項目的快速評估，從而選取最優的設計方案。完善的土木工程軟件包廣泛應用于基礎開挖項目，如建筑場地平整、壩基開挖、水利樞紐開挖組裝等，其出色的內部算法和對計算機運算能力的充分應用，有效地減輕了復雜場地開挖圖設計的負擔，且準確快捷的工程量統計優化了傳統設計方法，極大的提高工作效率。

以方案一為例：梯級1大壩壩型擬采用瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高125.0m，水庫正常蓄水位2100m。梯級2大壩初擬壩型為混凝土閘壩，最大壩高26.0m，水庫正常蓄水位1690m。采用Geopak軟件對兩個梯級規劃階段的壩工、水道、廠房的地形進行全三維開挖設計。首先采用基礎平臺軟件Microstation軟件分別建立壩工、水道、廠房的三維模型，如圖2所示，然后參考至三維地形的真實標高，抽取模型底面，投影到地形進行開挖（結合地質資料進行確定開挖坡比）。同時讀取等高線作為部分開口線，輔助開挖。該方案開挖之后的模型如圖3所示，與二維設計相比，除了更直觀、可視化程度高以外，三維設計可以將各專業各梯級組裝在一起融合在數字地面模型上，并進行碰撞檢查，設計更精確。同時利用軟件功能可以快速精確進行工程量統計，縮短設計時間。

圖3 梯級1高壩混合式方案三維效果圖

從表1可以看出，三維設計在壩工、水道、廠房模型建立、地形開挖出圖以及工程量統計方面的用時都比二維設計大大縮短。統計的工程量和二維設計計算結果相差也在5‰以內，二維設計工程量統計用時較長的原因主要是一般設定并調整每10～20m一個典型剖面，通過計算每個剖面的工程量，乘以間隔距離并累加，得出最終的工程量。這種統計方式不但速度慢，精度也不高，尤其是對地形變化大的區域，典型斷面必須選的足夠多才能保證一定的精度。見表2，其中挖方和填方的工程量，三維與二維相差較大，這主要是地形急劇變化引起的，三維設計應較二維設計準確性更高。

表1 二維、三維設計用時對比表 單位：工日

表2 方案一梯級1電站主要工程量

3 方案比選

方案二，梯級1為引水式開發，壩址位于方案一壩址下游約50m處，攔河大壩初擬壩型為混凝土閘壩，最大壩高26.0m；引水線路布置于右岸，采用隧洞引水，引水線路長13.3km左右；電站廠房布置方案與方案一一致。水庫正常蓄水位2000.00m。梯級2與方案一相同。方案三，梯級1為壩式開發，壩址和樞紐布置與方案一相同；梯級3為引水式開發，壩址位于上游，攔河大壩初擬壩型為混凝土心墻堆石壩+混凝土閘壩，最大壩（閘）高28.0m；引水線路布置于右岸，采用隧洞引水，引水線路長14.6km左右；水庫正常蓄水位1850.00m，利用水頭約為480.0m。

同樣采用Geopak三維軟件進行設計和快速工程量統計，見表3。總體而言，方案一工程量略大，方案三工程量次之，方案二工程量相對較小。

流域干流3個開發方案經濟指標對比：從單位kW投資、單位電度投資、枯水期電量的單位電度投資等指標綜合分析，方案一經濟性相對較優，方案二次之，方案三相對較差。

同時，據統計，整個三維協同設計方案比選所需時間比二維設計所需時間節約了一個月，而且修改設計的優勢更加明顯。

表3 3個開發方案工程量比較成果表

4 結論

依托實際水電工程項目，以促進流域快速規劃及方案比選為目標，采用Geopak三維協同設計軟件，探索BIM技術在水電規劃階段應用的具體方式及實施流程，得出了以下結論：

（1）與二維設計相比，除了更直觀、可視化程度高以外，三維設計可以將各專業各梯級組裝在一起融合在數字地面模型上，并進行碰撞檢查，設計更精確。同時利用軟件功能可以快速精確進行工程量統計，縮短設計時間。

（2）挖方和填方的工程量，三維與二維相差較大，這主要是地形急劇變化引起的，三維設計應較二維設計準確性更高。而Geopak全三維開挖設計是一種新興設計理念，快速高效的進行工程量統計及可視化展示，輔助決策。

（3）采用Geopak三維軟件進行三個開挖方案設計和快速工程量統計，發現方案一工程量略大，方案三工程量次之，方案二工程量相對較小。從單位kW投資、單位電度投資、枯水期電量的單位電度投資等指標綜合分析，方案一經濟性相對較優，方案二次之，方案三相對較差。三維設計進行方案比選及修改所花時間也比二維設計大大縮短。

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