水利工程BIM模型的價(jià)值挖掘與利用

杜九博，李玉瑩，常倩倩，唐 芳，王曉蕾

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

BIM技術(shù)在我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)蓬勃發(fā)展，在水利工程項(xiàng)目中的應(yīng)用也越來越多。但對(duì)于許多概念性的BIM技術(shù)是否已經(jīng)成熟應(yīng)用，工程實(shí)踐中仍存在質(zhì)疑，認(rèn)為現(xiàn)階段的BIM技術(shù)主要用途仍停留于三維展示階段，投入太多的人力物力來研究BIM技術(shù)是否為時(shí)尚早、得不償失。對(duì)于已經(jīng)深入開展BIM設(shè)計(jì)的單位來說，如何最大限度地挖掘和利用BIM設(shè)計(jì)成果，提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的附加價(jià)值，是一個(gè)值得探討的課題。本文以西藏湘河水利樞紐BIM設(shè)計(jì)中的模型應(yīng)用為例，介紹了我院在BIM模型應(yīng)用上的探索。

1 工程概況和BIM建模

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程位于西藏自治區(qū)日喀則市，樞紐壩址位于南木林縣達(dá)那鄉(xiāng)甲措藏布和拉布藏布干流交匯處下游約1.1km，距南木林縣城約15km。該工程是國(guó)家“十三五”時(shí)期172項(xiàng)重大水利工程之一，也是西藏自治區(qū)“十三五”重點(diǎn)工程之一。工程任務(wù)以灌溉、供水、改善自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境為主，兼顧發(fā)電。工程規(guī)模為大(2)型，總庫容1.16億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積12.49萬畝，電站裝機(jī)4萬kW，工程概算投資27.01億元。湘河水利樞紐工程由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、洞式溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電洞、電站、魚道等組成。

本項(xiàng)目以我院的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用ProjectWise軟件對(duì)各專業(yè)及其參與人員進(jìn)行協(xié)同工作。在同一項(xiàng)目環(huán)境、同一BIM標(biāo)準(zhǔn)下，參與人員采用系列設(shè)計(jì)軟件完成本專業(yè)的設(shè)計(jì)建模、二維出圖，涉及的專業(yè)包括：測(cè)量、地質(zhì)、水工、建筑、結(jié)構(gòu)、道路、金屬結(jié)構(gòu)、電氣等。將各專業(yè)的模型通過參考的方式完成模型總裝，工程總體布置如圖1所示。

圖1 工程總體布置圖

2 模型應(yīng)用

2.1 模型的基礎(chǔ)應(yīng)用

目前，大部分設(shè)計(jì)單位BIM模型的基礎(chǔ)應(yīng)用主要包括各專業(yè)碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提取二維圖紙、工程量統(tǒng)計(jì)、可視化效果展示等，屬于BIM設(shè)計(jì)最基本的功能，本文不再展開介紹。

2.2 模型的深度應(yīng)用

2.2.1多建筑物基坑聯(lián)合開挖

湘河水利樞紐工程左岸進(jìn)水建筑物包括溢洪道控制段、泄洪洞進(jìn)水塔、電站引水系統(tǒng)進(jìn)水塔，以及相應(yīng)的三條進(jìn)水渠，三座建筑物距離較近，基坑較深且深度不一，基坑開挖存在重疊，三維建模時(shí)需要聯(lián)合考慮開挖工程之間的聯(lián)系，開挖面空間變化明顯，開挖建模非常復(fù)雜。該開挖工程首先基于GeoStation建立了樞紐區(qū)的整體三維地質(zhì)模型、基于MapStation建立了樞紐區(qū)的整體三維地形模型，運(yùn)用Microstation做好樞紐建筑物與地形、地質(zhì)模型的空間定位，然后以三座進(jìn)水建筑物基坑底面為基準(zhǔn)，自下而上進(jìn)行開挖邊坡三維模型的建立。建模過程隨時(shí)關(guān)注地質(zhì)情況的變化，在微風(fēng)化、弱風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、覆蓋層的界面變化處，需要及時(shí)調(diào)整開挖坡度的變化，以保證不同地層中的開挖坡度滿足設(shè)計(jì)要求。采用Microstation軟件可以實(shí)時(shí)、清楚地觀察每級(jí)邊坡所處的地層情況、與周圍建筑物基坑的銜接情況，在開挖效果上可以避免不滿足地勘和設(shè)計(jì)要求的邊坡出現(xiàn)，保證了邊坡開挖的可靠性。將開挖面與各巖土層的界面縫合，形成在各巖層中的開挖體，然后提出體積信息以得到精確的土石方開挖工程量，工程量的精度是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段很難達(dá)到的。

溢洪道、泄洪洞、電站進(jìn)水塔基坑臨時(shí)邊坡在永久建筑物完工后，需要進(jìn)行回填處理，初步方案采用埋石混凝土回填，方量大、投資高；BIM設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化為鋼筋混凝土空箱方案，如圖2所示。充分利用BIM技術(shù)在方案比選中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行了快速建模和工程量統(tǒng)計(jì)，對(duì)比結(jié)果顯示，鋼筋混凝土空箱方案可以節(jié)約三分之一的投資。

圖2 回填處理方案比選

2.2.2仿真計(jì)算

在BIM模型的基礎(chǔ)上，與有限元MIDAS GTS軟件銜接進(jìn)行仿真分析。該聯(lián)合應(yīng)用一方面可以充分利用BIM設(shè)計(jì)模型，避免在分析軟件中重復(fù)建模，節(jié)省工作時(shí)間，提高工作效率；另一方面，同一模型在不同設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)建模人員與結(jié)構(gòu)分析人員的協(xié)同工作，且在交互過程中模型信息不會(huì)改變，避免了各自建模造成的數(shù)據(jù)或模型不一致的問題。在湘河水利樞紐項(xiàng)目中，該聯(lián)合應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)大壩三維應(yīng)力分析

將湘河水利樞紐大壩的BIM設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入MIDAS GTS軟件進(jìn)行了模擬分析，計(jì)算采用非線性鄧肯-張計(jì)算參數(shù)，經(jīng)分析可知，竣工期壩體及覆蓋層Z方向應(yīng)力水平較低，壩體堆石抗剪強(qiáng)度尚存在較大的安全儲(chǔ)備。主應(yīng)力最大值發(fā)生在防滲墻底部與基巖交接處，屬于局部應(yīng)力集中，其余防滲墻應(yīng)力均在C30抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值以內(nèi)，防滲墻整體應(yīng)力水平均在允許范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，大壩應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 大壩應(yīng)力分析云圖

(2)隧洞應(yīng)力與變形分析

導(dǎo)流泄洪洞總長(zhǎng)827.20m，布置于左岸山體內(nèi)發(fā)電洞左側(cè)，洞身段為6m×8m的城門洞形，坡降i=1∶30，洞身段長(zhǎng)363m，Ⅲ、Ⅳ類圍巖長(zhǎng)度分別為243.25m、109.95m，隧洞襯砌采用60cm厚的鋼筋混凝土。設(shè)計(jì)中，將隧洞BIM模型成功導(dǎo)入MIDAS GTS，并結(jié)合隧洞自身的施工工藝，將隧洞開挖、支護(hù)、錨桿施工等工序分為多個(gè)部分，分步加入不同的施工階段進(jìn)行仿真模擬，可以得到不同施工階段的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了BIM模型和數(shù)值仿真的有機(jī)結(jié)合，導(dǎo)入的BIM模型如圖4所示，錨桿內(nèi)力分析云圖如圖5所示。

圖4 導(dǎo)入的三維BIM模型

圖5 錨桿內(nèi)力分析云圖

(3)高邊坡開挖前后穩(wěn)定計(jì)算

高邊坡三維BIM模型導(dǎo)入MIDAS GTS進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)合實(shí)際地形、地質(zhì)和開挖情況，計(jì)算三維邊坡在開挖前后的穩(wěn)定性。溢洪道左岸永久邊坡高達(dá)120m，地質(zhì)情況多變，其三維開挖和穩(wěn)定性計(jì)算非常重要。本工程基于三維地質(zhì)模型和三維地形模型，采用Microstation構(gòu)建邊坡開挖的三維模型，然后將耦合地形、地質(zhì)模型的三維邊坡模型導(dǎo)入MIDAS GTS巖土分析軟件中，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，得到原始邊坡和開挖邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，進(jìn)而為邊坡處理提供科學(xué)依據(jù)。原始邊坡BIM模型如圖6所示，原始邊坡的穩(wěn)定分析云圖如圖7所示。

圖6 原始邊坡BIM模型

圖7 原始邊坡穩(wěn)定分析云圖

2.2.3施工模擬

首先利用項(xiàng)目管理工具軟件將本項(xiàng)目的施工組織方案形成施工進(jìn)度數(shù)據(jù)，然后將項(xiàng)目的BIM模型和施工進(jìn)度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Synchro 4D 施工模擬軟件，將模型與施工進(jìn)度進(jìn)行鏈接，利用三維動(dòng)畫模擬演示工程施工的關(guān)鍵流程和技術(shù)要點(diǎn)，以直觀的視覺效果向施工單位、業(yè)主和專家展示施工組織設(shè)計(jì)方案。后期，還可以導(dǎo)入本項(xiàng)目的造價(jià)信息，形成模型、時(shí)間、投資于一體的5D施工組織方案。該成果不僅可以用于指導(dǎo)施工，還可以與實(shí)際施工進(jìn)度實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，及時(shí)把握施工進(jìn)度和偏差。施工進(jìn)度計(jì)劃表(部分)如圖8所示。

圖8 施工進(jìn)度計(jì)劃表(部分)

2.2.4VR虛擬現(xiàn)實(shí)

本項(xiàng)目引入VR技術(shù)，將BIM設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入LumenRT軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的沉浸式瀏覽。設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、業(yè)主等各方參與人員都可以通過頭戴設(shè)備對(duì)整個(gè)項(xiàng)目，尤其是水電站、導(dǎo)流洞等復(fù)雜建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備進(jìn)行查看，1∶1的仿真體驗(yàn)環(huán)境，可完整的展示建筑物的尺寸、比例和細(xì)部結(jié)構(gòu)等，預(yù)先確認(rèn)空間布局的合理性。VR應(yīng)用場(chǎng)景如圖9所示。

圖9 VR應(yīng)用場(chǎng)景

3 結(jié)語

BIM技術(shù)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、展示、施工模擬、工程管理等各專業(yè)間的界線，通過信息的傳遞大大提高了工作效率和可靠性，避免了不必要的重復(fù)工作和低級(jí)錯(cuò)誤。本文介紹了我院在西藏湘河水利樞紐項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)上的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，最大限度地挖掘BIM設(shè)計(jì)模型的利用價(jià)值，可為同類工程的BIM應(yīng)用提供借鑒。目前水利行業(yè)能熟練應(yīng)用BIM技術(shù)的人員較少，BIM技術(shù)與工作流程、工作方法融合還不成熟，構(gòu)件庫、典型工程庫、BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還不完善。隨著水利行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，BIM技術(shù)能為絕大多數(shù)設(shè)計(jì)、施工人員所掌握，其實(shí)用價(jià)值也會(huì)被更多發(fā)掘，為水利行業(yè)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。