江西省某水電站BIM技術(shù)應(yīng)用研究

王海鵬

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330025)

黨的十八大提出“促進(jìn)工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)村現(xiàn)代化同步發(fā)展”，隨著建筑技術(shù)、信息傳遞技術(shù)的提高，BIM技術(shù)成為建筑界探索的新技術(shù)，在房建、道排、水務(wù)、城市軌道、路橋等多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，同時(shí)貫穿著設(shè)計(jì)、施工、管理。研究BIM技術(shù)在工程上的應(yīng)用，有利于BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用。

關(guān)于BIM技術(shù)的應(yīng)用，各個(gè)行業(yè)的專(zhuān)家展開(kāi)廣泛研究。紀(jì)穎波、周曉茗、王亞新[1,5]借助信息技術(shù)采納相關(guān)理論，得到最終的BIM技術(shù)采納模型；徐世杰[2]從BIM技術(shù)的應(yīng)用、管理及實(shí)現(xiàn)等方面闡述驗(yàn)證其可以實(shí)現(xiàn)多方面的數(shù)據(jù)信息共享；周建亮、吳躍星、楊智書(shū)[3-4]指出BIM技術(shù)與傳統(tǒng)CAD深化設(shè)計(jì)技術(shù)的區(qū)別，同時(shí)提出BIM的3D建筑信息模型對(duì)施工階段的動(dòng)態(tài)模擬。BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃與工程專(zhuān)業(yè)的動(dòng)態(tài)鏈接，通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)形象直觀地表現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃以及各個(gè)施工階段，使施工方和管理方更加直觀、便利地跟進(jìn)項(xiàng)目的發(fā)展進(jìn)度，為最優(yōu)方案的得出提供理論依據(jù)。

文章以江西省某水電站為例，根據(jù)工程信息建立一個(gè)三維建筑信息模型，分別從BIM技術(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)成果展示三方面展開(kāi)論述。

1 工程概況

某水電站位于江西省贛州市境內(nèi)，是章江干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最后一個(gè)梯級(jí)電站。水電站為提高章江通航能力，促進(jìn)贛州城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。水電站主要以發(fā)電為主，同時(shí)還涉及航運(yùn)、灌溉、供水等綜合利用，安裝有8臺(tái)30MW型號(hào)為GZ(LTS)-WP-750燈泡貫流式水輪機(jī)組，電站總裝機(jī)容量260MW，多年平均發(fā)電量為91768萬(wàn)KW·h。水電站全長(zhǎng)為964m，壩頂最高為32m，該水電站流域面積為73825km2，水電站正常蓄水位為28.9m，最大庫(kù)容為26400萬(wàn)m3，最低水位為24.6m，最小庫(kù)容為21800萬(wàn)m3。

工程建筑物主要由擋水土壩、攔河閘壩、泄水閘、河床式發(fā)電水房、船閘、魚(yú)道及連接壩等組成。該工程級(jí)別為二等大型工程，按照建筑物等級(jí)可以分為三個(gè)等級(jí)，其中泄水閘為1級(jí)，以混凝土為材料的連接壩、河壩、發(fā)電水房以及船閘為2級(jí)，其余輔助性、導(dǎo)航等其他建筑物級(jí)別為3級(jí)。水電站工程的建造需要考慮其防洪、防震能力。A水電站位于地震的烈度區(qū)，所以必須采取一定的防震措施，防洪設(shè)計(jì)的初步標(biāo)準(zhǔn)為200a，校核調(diào)整后防洪標(biāo)準(zhǔn)較之前增加了150a。工程施工期共4年。

2 三維建筑模型

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

通過(guò)調(diào)查研究，選擇在三維設(shè)計(jì)、工程中廣泛應(yīng)用的歐特克(Autodesk)三維設(shè)計(jì)系列軟件作為研究平臺(tái)。該設(shè)計(jì)平臺(tái)具備三維設(shè)計(jì)所需的制圖、建筑設(shè)計(jì)、數(shù)化建模、可視化及仿真所需的各種軟件，以及參與三維設(shè)計(jì)的所需專(zhuān)業(yè)。

圖1 三維設(shè)計(jì)流程

該設(shè)計(jì)平臺(tái)所采用的三維系列軟件主要有Civil3D、Revit、Inventor、Navisworks、Autodesk InfraWorks，涉及三維設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)有：測(cè)繪、地質(zhì)實(shí)體、水工、金結(jié)、施工、建筑；最后根據(jù)軟件實(shí)現(xiàn)工程規(guī)劃和成果的可視化，利用ItasCAD進(jìn)行建模、出圖及審核。

2.2 設(shè)計(jì)方法

采用二維與三維協(xié)同進(jìn)行的設(shè)計(jì)方法，二維設(shè)計(jì)組主要對(duì)壩線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，三維設(shè)計(jì)組在二維設(shè)計(jì)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三維設(shè)計(jì)項(xiàng)目組在項(xiàng)目試點(diǎn)、計(jì)算工程量、工程結(jié)構(gòu)的分析等方面需重點(diǎn)審核分析，主要實(shí)現(xiàn)在數(shù)化建模、信息共享、出圖審核以及可視化方面擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。數(shù)據(jù)管理三維設(shè)計(jì)平臺(tái)主要元素有Civil3D：測(cè)繪、地質(zhì)實(shí)體、水工設(shè)計(jì)；Revit：金結(jié)、施工、建筑；Inventor：水工、機(jī)電；Navisworks：水工、金結(jié)、施工；Autodesk InfraWorks：施工、建筑設(shè)計(jì)。具體三維設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

3 成果展示

3.1 壩區(qū)地質(zhì)實(shí)體

按照比例為1∶2500的精度對(duì)在工程中心區(qū)選取的18km2區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪。為了提升精度的準(zhǔn)確性需要適當(dāng)增加測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)需對(duì)A水電站周?chē)颉⒑降赖戎匦逻M(jìn)行檢測(cè)，如此繪出的地形曲面模擬圖與實(shí)際才更貼切，為土石方量的計(jì)算奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在壩區(qū)地質(zhì)實(shí)體測(cè)繪中需要對(duì)地質(zhì)建立模型、整理數(shù)據(jù)以及形成曲面模擬圖，選取制圖軟件Civil3D中的兩個(gè)插件Geotechnical和GOCAD。對(duì)于曲面模擬圖分為剖面圖和紋理圖，Civil3D中的插件對(duì)于處理紋理圖方面還存在一些不足，所以選取ItasCAD作為補(bǔ)充，形成更完整的測(cè)繪體系。

3.2 水工設(shè)計(jì)

水工建筑物設(shè)計(jì)首先需選軟件進(jìn)行建模，三維設(shè)計(jì)平臺(tái)中的建模軟件有Revit和Inventor。Revit便于參數(shù)化、數(shù)據(jù)易于導(dǎo)出及在二維出圖方面也較Inventor方便，所以一些較為簡(jiǎn)單的模型可以在Revit軟件中設(shè)計(jì)。Inventor主要適用于特征模型，數(shù)據(jù)主要在特征中表現(xiàn)，所以其主要適用于一些可以在特征中修改參數(shù)以及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模型，應(yīng)用Inventor建模可以有效地減少數(shù)據(jù)的丟失。結(jié)合水工設(shè)計(jì)的特征，采用Inventor為主要設(shè)計(jì)軟件，Revit為輔。

水工、金結(jié)、建筑、施工模型通過(guò)圖2方法建立起聯(lián)系。

圖2 三維協(xié)同流程

建立水工模型還需將RVT文件對(duì)齊到所需要位置，其他模型建立也可以采用相似方法。最后將建立的水工模型導(dǎo)入Navisworks進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明Revit模型結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，Inventor模型部分缺少了一些幾何特性，Inventor模型在建立過(guò)程中完成，其可以導(dǎo)入Navisworks存為FBX格式，為可視化出圖做好提前準(zhǔn)備。通過(guò)Inventor模型繪出的水工圖存在一些缺陷，有圖文符號(hào)缺失、各種線(xiàn)型重疊不清的現(xiàn)象，針對(duì)這些缺陷可通過(guò)二維出圖，以二維符號(hào)來(lái)解決。

3.3 機(jī)電金設(shè)計(jì)

水機(jī)專(zhuān)業(yè)和電氣專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)是需提前做好規(guī)劃，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特征和管線(xiàn)要求繪制其布置圖以及機(jī)電原理圖再進(jìn)行生產(chǎn)，因此需要提前進(jìn)行檢驗(yàn)降低不符合標(biāo)準(zhǔn)的布置圖，降低碰撞幾率。根據(jù)水機(jī)專(zhuān)業(yè)和電氣專(zhuān)業(yè)的特征采用建模軟件，水機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)主要包括發(fā)電機(jī)、起重機(jī)及通風(fēng)口，這些都易于參數(shù)化，所以水機(jī)建模采用Revit；電氣專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)主要有線(xiàn)路設(shè)備和變電設(shè)備，采用Revit和inventor軟件相結(jié)合進(jìn)行建模。

水機(jī)電氣設(shè)計(jì)中主要對(duì)機(jī)電和管線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃并繪制其原理圖，通過(guò)三維設(shè)計(jì)平臺(tái)Inventor建模將其與建筑、水工、施工等聯(lián)系起來(lái)。圖3為機(jī)電布置圖。

圖3 機(jī)電布置

金結(jié)專(zhuān)業(yè)采用Inventor軟件建模，其主要包括泄水閘以及各種金屬門(mén)欄(工作門(mén)、檢修門(mén)、閘門(mén))。對(duì)于閘門(mén)主要采用參數(shù)建模，并結(jié)合靜態(tài)數(shù)據(jù)中物料清單(Bill of Material)，提高建模的效率。圖4為泄水閘與弧形閘門(mén)布置效果。

圖4 泄水閘工作門(mén)布置

3.4 施工設(shè)計(jì)

在此次施工中主要采用CivIl3D軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，施工重點(diǎn)在于明渠開(kāi)挖、對(duì)圍巖的灌注以及施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。根據(jù)混凝土襯砌或灌注建立模型，可以實(shí)時(shí)反映建筑曲面的各級(jí)施工狀態(tài)，形成三維曲面圖計(jì)算施工材料的用量，同時(shí)該模型可以自動(dòng)反映整個(gè)施工過(guò)程中曲面圖以及各種標(biāo)志變化的具體情況，可以快速、高效地保持設(shè)計(jì)與創(chuàng)建同步的可視化效果。在施工設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需要采取一對(duì)多的設(shè)計(jì)方法。

3.5 建筑設(shè)計(jì)

建筑設(shè)計(jì)主要針對(duì)大型廠(chǎng)房(包括水上部位)以及啟閉室等建筑物，不包括水電站外觀的設(shè)計(jì)。廠(chǎng)房的建筑風(fēng)格采用現(xiàn)代化高層建筑玻璃幕墻，墻體采用雙層玻璃，增加了采光效果，同時(shí)玻璃幕墻從不同的角度折射出不同的色調(diào)增加了美觀。廠(chǎng)房屋頂設(shè)計(jì)采用輕型框架材料，滿(mǎn)足了大跨度的需求，同時(shí)可以大大地減小工作量。

4 創(chuàng)新和體會(huì)

BIM技術(shù)在產(chǎn)品優(yōu)化、減小工作量及實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的可視化效果等方面發(fā)揮著推進(jìn)作用，由于BIM技術(shù)在水利水電行業(yè)還處在試用初期，對(duì)其應(yīng)用實(shí)踐相對(duì)困難，不過(guò)對(duì)于BIM技術(shù)的研究相對(duì)普遍，該工程在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，組成專(zhuān)業(yè)的協(xié)作團(tuán)隊(duì)。運(yùn)用GIS技術(shù)模擬一個(gè)虛擬的施工環(huán)境，并對(duì)一些重要參數(shù)設(shè)計(jì)族庫(kù)，如閘門(mén)、混凝土襯砌以及管線(xiàn)設(shè)備等。目前工程已經(jīng)建立了基本的RVT文件，基本上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模型的完成出圖以及具體的三維結(jié)構(gòu)模型分析。

按照最初擬定的計(jì)劃，通過(guò)A水電站BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐熟悉了三維設(shè)計(jì)流程以及具體的運(yùn)算方法，將其試用于C水電站的渡槽、泄水閘的三維設(shè)計(jì)模型的建立，同時(shí)建立施工、建筑以及機(jī)電金初步模型。將A水電站BIM技術(shù)應(yīng)用理論運(yùn)用到C水電站的初步模型建立上對(duì)建立模型、整理數(shù)據(jù)以及形成曲面模擬圖等方面相對(duì)于傳統(tǒng)建模技術(shù)有明顯的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)了施工效率，降低了工作量以及明顯提升了可視化效果。

數(shù)化建模軟件Inventor在出圖時(shí)出現(xiàn)圖文符號(hào)缺失、各種線(xiàn)型重疊不清，針對(duì)缺陷采用二維出圖后又有標(biāo)記符號(hào)以及材質(zhì)層表達(dá)不清晰的問(wèn)題，采用草圖符號(hào)進(jìn)行重新標(biāo)記，即將圖形與非圖形標(biāo)記相結(jié)合的表達(dá)方式。

5 結(jié)論

通過(guò)江西省A水電站三維建筑模型的建立，基于整體分析建立一個(gè)相互協(xié)同的關(guān)系。在BIM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐中熟悉了各種三維設(shè)計(jì)軟件的使用方法以及各項(xiàng)功能；采用二維、三維相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法完成專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)實(shí)體、水工、機(jī)電金、施工、建筑間模型的協(xié)同以及信息的共享化；針對(duì)出圖審核過(guò)程的一些缺陷提出整改措施，大大提升了出圖的有效性以及可視化效果。進(jìn)行了4D施工進(jìn)度模擬，為施工項(xiàng)目給出一個(gè)完整的施工方案，對(duì)所需設(shè)備及施工條件進(jìn)行初步的模擬，為優(yōu)化施工方案以及建立建筑模型提供一定的理論依據(jù)。