BIM協同設計在三河口電站供水發電廠房系統中的應用

2020-11-18 08:45:17補舒棋毛擁政鄭湘文葛瑤

水利水電快報 2020年10期

補舒棋毛擁政鄭湘文葛瑤

摘要：BIM協同設計技術已成為水利水電行業中工程設計技術的發展方向與趨勢，越來越多地應用在水電工程項目的廠房和電站設計中。通過在三河口供水發電系統中的應用實踐，探討了在項目協同設計實施過程中的BIM設計解決方案，利用網絡在線VPM協同設計平臺和骨架設計架構，實現了專業間工程設計信息的實時共享和各建筑物骨架控制，并利用BIM數據進一步進行結構分析和延伸應用。總結了協同設計過程中的設計實踐經驗，可為類似工程的BIM設計提供參考。

關鍵詞：BIM;協同設計;VPM;CATIA;三河口電站;下坂地電站;陜西省

中圖法分類號：TV731

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.006

大中型水利樞紐引水發電系統的設計工作通常涉及規劃、地質、測量、水工、道路、金屬結構、水力機械、電氣、建筑、金結、暖通等專業，各專業間需要互相協調和配合。陜西省水利電力勘測設計研究院（以下簡稱“陜西院”）采用傳統的設計協同方式，即由規劃、地質、測量專業人員提供參數、繪制圖紙，由水工專業牽頭為各專業反饋設計信息，專業間互相提資配合，以二維圖紙溝通為主。這種傳統的溝通方式效率低下，加之施工圖紙有時會出現“錯漏碰缺”等問題，需對其進行反復核查;還存在專業間信息反饋時間長和數據管理無序等問題，影響工程設計進度。建筑信息模型（ Building Informa-tion Modeling，BIM）協同平臺不僅使得設計信息的呈現立體直觀，且很大程度上解決了專業間協調性問題，各專業可實時在線進行協同設計和校審，模型碰撞檢查功能可發現施工階段錯誤，降低返工率和損失率。

目前水利水電行業三維協同設計的主流軟件平臺有美國Autodesk公司的Revit、美國Bentley公司的Micro Station與Project Wise、法國達索公司的CA-TIA與VPM[1]。華東勘測設計研究院、成都勘測設計研究院于2003年開展了針對以上3個平臺解決方案的研究，并于2008年嘗試應用在部分水電工程項目的廠房和電站設計中[2]。多個大型水電工程中均采用了BIM進行協同設計，例如云南金沙江阿海水電站的三維協同設計運用了Autodesk解決方案[3];派河口樞紐采用了Bentley平臺系列軟件進行三維協同設計[4];兩河口水電站的三維協同設計采用了達索解決方案[5]3;烏東德水電站樞紐工程中也應用了達索解決方案[6]。總結以上使用BIM協同平臺的項目的共同特點是項目復雜且涉及專業廣泛。雖然不同項目采用了不同的軟件解決方案，但各工程協同方式不同，因此研究如何選擇協同解決方案十分必要。本文以達索系統作為主平臺，詳細闡述了三河口水利樞紐供水發電廠房系統協同設計工作，包括生命周期流程、協同設計方法、產品劃分、骨架設計、模板應用及應用效果等，以期為同類工程的協同解決方案提供參考。

1 工程概況

三河口水利樞紐是引漢濟渭工程的調蓄中樞，為I等大（1）型工程，具有供水、調蓄、發電功能。壩后電站廠房為3級建筑物，電站廠房抽水流量為18m3/s，發電引水設計流量72.71m3/s，發電采用2臺常規水輪發電機組及2臺可逆式機組。發電工況總裝機容量為64 MW，抽水工況泵站總裝機功率24 MW[7]。

廠區建筑物主要包括主廠房、副廠房、主變室、GIS樓、供水閥室、進廠道路。供水系統由進水口、壓力管道、供水閥室、尾水系統、連接洞等部分組成（見圖1）。該項目各專業間交叉度高，需多方協同，適合使用BIM技術通過VPM平臺進行專業協同設計，其布置設計的復雜性主要表現在以下幾個方面：①供水發電廠房為岸邊地面式廠房，布置于壩后消力塘一側，常規機組與可逆式機組布置于同一個廠房內，其電站（泵站）電氣接線設置既要滿足機組供水發電和工頻運行要求，又要滿足水泵抽水和機組變頻運行要求[8];②供水和發電系統共用一個進出水流道，工況運行復雜，供水閥的口徑和規模在我國供水工程中排名首位[9];③利用封堵后的導流洞作為尾水系統一部分，實現了通過連接洞補充供水至秦嶺隧洞和尾水排放的功能。

2 協同設計解決方案

2.1 VPM協同平臺

三河口水利樞紐供水發電廠房系統主要采用達索的虛擬產品生命周期管理平臺ENOVIAVPM作為協同及產品管理平臺（其基本功能主要有創建產品、角色管理、創建頂層節點、管理文檔、修改產品結構、生命周期管理等）。CATIA V5R20作為模型的主設計平臺，負責完成復雜的BIM設計工作。VPM是達索系統公司基于CATIA平臺上的一個既能滿足協同設計又能滿足虛擬產品生命周期管理的解決方案[10]。

項目經理在VPM平臺內定制項目生命周期管理流程（見圖2）。產品狀態共分為工作中、公開、審查、批準4種，涉及創建零件、數據保存、瀏覽、數據狀態提升等[11]。“工作中”狀態對于非權限內的設計角色是非可見狀態，當產品發布公開后即為可視狀態，供下一級人員審核數據，VPM中可對人員進行角色劃分（包括數據管理角色、項目管理角色、設計角色、審核角色）、專業劃分、角色權限管理;修改權限可通過鎖定機制獲得，由管理員設置的用戶名密碼登錄，所有密碼均需通過管理員更改，用戶不能擅自修改，有效避免了密碼在傳遞過程中泄漏的風險[12]，而通過VPM平臺建立的數據會通過加密措施進行處理、保存。

2.2 各專業協同設計方法

地質數據信息是采用有離散光滑插值（DSI）技術的GOCAD軟件來完成數據建模，地質數據內容主要涵蓋地質斷層、巖性、風化層、地下水等，將其導人協同平臺中，再由下游專業進行設計方案布置。廠房內部的電氣設計是通過博超STD數字化三維變電設計平臺完成后導人VPM平臺，包括水工、建筑、水力機械、管路布置、金屬結構、開挖等專業在內的協同設計工作則是通過CATIA內的模塊進行設計（見表1）。通過建立好的數據模型成果，可進一步進行有限元分析計算、工程量計算、出圖、效果圖、虛擬仿真、漫游、施工交底匯報、人員培訓等。

3 產品劃分與骨架參數化設計

3.1 產品劃分

根據項目結構特點進行產品劃分，圖3為產品結構樹。在ENOVIA在線管理平臺按照一定編碼規則建立產品節點及骨架設計，骨架是構成工程全三維模型的核心和有效組織形式，一般采取多級樹結構，分為總骨架和子骨架，子骨架又可衍生下級子骨架[13]。由圖3所示，S004-P10-P1-50000-00000- 3D為三河口水利樞紐總產品下的引水、抽水、發電系統產品節點。通過全局骨架SK結尾的文件內含有由坐標信息建立的引水壓力鋼管軸線、尾水洞軸線、連接洞軸線、廠房機組中心點及中心線、導流洞軸線等，發布核心控制點、軸線、基準面，為供水系統廠房提供基本位置參考。供水系統廠房產品下的骨架系統根據總骨架發布的廠房機組中心點（帶有安裝高程信息）、機組方向線及水機發布的機組設備尺寸建立一套廠房的尺寸控制系統，包括廠房的橫縱軸網系統、高程系統、廠區范圍及一些主要控制參數等，控制廠房的各層高程及體型尺寸。

3.2 骨架參數化設計

圖4為廠房參數化骨架傳遞的設計流程，通過創建參數驅動幾何元素實現聯動，并通過零件發布功能將參數和幾何元素提供給其他節點使用;在被其他產品使用時是外部參考，當上級骨架參數改變，可以手動或自動更新外部參考的元素。該設計融合了水工結構、水力機械，金屬結構、電氣布置、引水及尾水系統、廠區開挖、排水系統等內容，形成一個在線的BIM數據庫，設計節點清晰。產品結構樹使設計內容的展示更為直觀，通過線上的規范數據存取機制，工程師可實時進行數據的有序管理、設計、查找、修改、校審等工作。

4 模板庫及應用

通過CATIA V5的“知識工程及專家系統（ Knowledge Ware）”模塊可將用戶經驗做成參數化模板錄入Catalog模板建立標準件庫，用戶可在VPM協同平臺上調用各專業模板。系統單元中的“知識工程顧問”“知識專家”等模塊從參數化的角度使設計過程標準化，有利于知識的延續與再利用，是新時期工程技術人員迫切需要的知識與技能[14]。登陸內網便可在工程設計中重復使用知識工程模板（見圖5）。模板采用統一編號管理，并建立了相應模板文檔說明，幫助設計人員快速了解模板及其使用方法。目前建立了涉及水工、建筑、金結、水機、電氣等專業的參數化模板及相應的目錄庫（見表2）。

5 應用效果

（1）通過以上的BIM數字化的三維協同體系，實現了網絡協同設計，以及專業間動態參照，實時查看、設計聯動。通過權限保護，保證了模型的正確性與一致性，避免了傳統設計中人為提資過程中出現的錯漏。通過碰撞檢查功能，及時發現協同布置問題，對地面廠房內部的設計（涉及設備布置、消防、交通、排水等）、電站基礎體型、二次開挖及廠房分縫分塊設計、導流洞改造、尾水洞設計、排水系統設計、止水帶設計等做了多次修改和優化。利用地質專業提供的風化模型成果分析廠房的一次開挖和二次開挖（見圖6（a）），通過測量功能進行土石方開挖、廠房分縫分塊混凝土、廠房混凝土等工程量計算，利用模型進一步得到出圖成果等，節約了大量時間。三河口電站廠房分縫分塊設計（見圖6（b））通過傳統方式完成所有圖紙、工程量計算及校審工作大約需要7 d，而運用CATIA軟件僅需要4d左右，節省時間約40%。

（2）知識工程應用。通過知識工程模板功能建立了關于電站廠房的各專業的模板（近50多個），并導人至模板目錄庫;使用CATIA知識工程平臺中的RULE（滿足條件就實施）、LIST工具、設計表等編輯知識工程語言將多種體型融合在一個模板中;利用CHECK等工具設置融人設計規范條款;采用知識工程陣列編輯語言，減輕了人員工作量。

（3）數據規范化。陜西院編制了《CATIA VPM協同設計規范》《信息分類及編碼規范》《模板設計及入庫規范》等規范，為其他BIM項目建立了基礎條件。

（4） BIM數據應用。利用模型對業主及施工方進行供水閥設備原理及分層取水原理動畫匯報、廠房施工技術交底匯報、現場設備的操作模擬和參觀線路的模擬、整體廠房的實景漫游等。利用模型對主、副廠房結構進行了有限元分析計算（見圖6（c）），對導流洞改造尾水洞的封堵體進行了三維有限元計算，從而驗證了其穩定性。對廠房中安裝間薄厚板結構靜動力分析，對兩種結構形式的靜動力特性進行分析，從而得到安裝間結構布置的優化設計。

通過資料調查，對比了采用傳統工作模式的下坂地電站廠房工程人力資源情況及變更情況。下坂地樞紐工程為Ⅱ等大（2）型，其地下電站廠房為3級建筑物，主副廠房和安裝間洞室面積為1 273 m2，高38.8 m;主變洞室面積為845 m2，高27.8 m，總裝機150 MW，電站引用流量89.69 m3/s，工程已于2009年進行發電。對比結果如下：

（1）人力資源情況。下坂地地下電站廠房水工設計人員近16人，三河口電站廠房水工設計人員9人。與下坂地工程不同的是，三河口廠房的設計任務除了要滿足發電，還需滿足抽水和供水，因此廠房功能分區較多且布置復雜。三河口電站設計體量較下坂地電站大，但人力資源調動更少，卻仍滿足了進度要求，充分反映了BIM協同工作模式的高效率性和重要性。

（2）變更情況。下坂地電站廠房土建變更文件約120份（4 a），調查資料表明近60%的變更是由于洞挖后地質條件與設計不符，其余40%為體形結構等變化。而截至目前，三河口電站廠房土建變更文件共計19份（3 a）。綜合對比上述數據，可反映出傳統工作模式在工程設計上的一些弊端，若能在前期進行充分的三維設計協同，部分變更或可避免。

6 結語

將各專業統一在適合項目的CATIA VPM平臺上進行整體方案設計，有利于工程數據的傳遞、分享、溝通、分析、管理。三河口水電站項目在VPM平臺上完成的BIM數據量達到2.5G左右，大量的數據會造成服務器負擔，影響使用和管理效率，如何輕量化數據并提高數據安全性是需要繼續研究的內容。為使BIM產品功能得到延伸，其技術價值得到最大化利用，還應出臺水利水電行業領域可行的模型信息數字化交付標準，細化交付要求、深度、方式及標準數據格式等。

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