水利水電工程施工總布置設計BIM應用研究

李學彪

（新華電力發(fā)展投資有限公司，天津 300000）

當前BIM技術(shù)已引領(lǐng)工程設計領(lǐng)域的信息化變革，但在實際應用環(huán)節(jié)受制于水利水電工程規(guī)模龐大、多專業(yè)交叉等復雜特征的影響，尚未實現(xiàn)BIM設計的統(tǒng)一標準及規(guī)范流程，如何有效應用BIM技術(shù)手段輔助工程設計成為現(xiàn)階段亟待解決的問題。

1 研究背景

1.1 項目概況

以某水電站工程為例，工程位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什市塔什庫爾干塔吉克自治縣境內(nèi)，屬“一庫六級”水電開發(fā)方案中的重點規(guī)劃對象之一，水電站規(guī)劃裝機容量為202 MW，占梯級總裝機容量的32%。在地形地貌方面，施工區(qū)域境內(nèi)包含山地、谷地兩種地形，平均海拔超過4 000 m，由昆侖山、喀喇昆侖山、興都庫什山、天山匯合形成“世界屋脊”。在河流水文方面，該地屬塔什庫爾干河流域，流域面積為9 980 km2，干流總長度298 km，河道平均比降13‰；流域范圍內(nèi)人口稀少，水利水保設施較少，該水電站廠房建設地點位于下坂地水利樞紐電站廠房下游約24 km處，屬塔什庫爾干河中下游河段水電梯級開發(fā)中的第二級水電站，壩址以上流域面積為9 705 km2，多年平均流量33.4 m3/s。

通過綜合考慮壩址選擇、攔泄洪建筑物布置、引水系統(tǒng)工程布置、工程投資等情況，將不同規(guī)劃方案進行比較分析，最終確定選用無壩引水方案，利用無壓渠涵和隧洞、調(diào)壓室、進水口、壓力管道等有壓引水建筑物進行引水發(fā)電。在特征水位設計上，采用無壓引水道引水模式，壓力前池設計水位為2 744.5 m、設計尾水位為2 367.5 m。在裝機容量設計上，由于該方案無調(diào)節(jié)能力，根據(jù)電站供電范圍、動能經(jīng)濟指標及電力電量平衡測算結(jié)果，確定電站裝機容量為195 MW，采用3臺機方案、機組選型為HL96-LJ-210，多年平均發(fā)電量為7.155億kW·h，裝機年利用小時為3 669 h。施工總工期為55個月，包含12個月準備工期、42個月主體工程施工工期以及1個月完建工期。

1.2 施工總布置方案

1.2.1 砂石與混凝土系統(tǒng)

在渠首、廠址處分別布置1#、2#砂石加工廠，兩砂石加工廠處理能力分別為100 t/h和60 t/h，用于篩分三級礫石、天然砂石共4種工程主體與支洞臨建混凝土所需的成品骨料。同時，在渠首、1#～4#引水洞支洞口、電站廠房處共布置6座混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，用于承擔不同施工區(qū)的混凝土拌和任務。

1.2.2 施工管理與生活區(qū)設置

該電站工程施工現(xiàn)場分5個區(qū)域設置施工管理與生活區(qū)，其中1#區(qū)位于渠首附近，為控制閘、進水閘、明渠、無壓埋涵、壓力前池、引水洞進口及1#支洞提供施工服務；2#~4#區(qū)分別布設在各支洞口周圍，用于輔助日常施工生產(chǎn)及生活各項活動的開展；5#區(qū)布置在廠房附近，服務于廠房及引水洞壓力鋼管段施工。

1.2.3 施工占地與棄渣場布置

該水電站施工現(xiàn)場占地面積為164.7 hm2，其中料場占地面積44.7 hm2，存渣場占地7.3 hm2，棄渣場占地50.6 hm2，道路占地50.9 hm2，生產(chǎn)、生活設施占地18.5 hm2。

2 BIM應用思路與技術(shù)路線

2.1 研究內(nèi)容

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有水利水電工程特征與項目管理經(jīng)驗，擬以該水電站施工總布置設計與實施為切入點，引入BIM技術(shù)探索該水電站施工總布置由二維集成向三維信息化轉(zhuǎn)型的具體應用方法及實施路徑，在此過程中基于多專業(yè)視角進行施工總布置BIM協(xié)同設計方案及管理模式的構(gòu)建與分析，致力于最大限度克服以往二維設計環(huán)節(jié)存在的單線串聯(lián)、工序交叉、效率低下等實際問題。將研究內(nèi)容大體分為以下五個方面：

（1）將不同專業(yè)、不同工序涉及的各類模型進行歸納整理，生成統(tǒng)一的建模標準，由此將BIM協(xié)同設計流程進行規(guī)范化處理，依托不同環(huán)節(jié)的高效配合實施，有效解決構(gòu)建大型水電站施工模型環(huán)節(jié)面臨的難題。

（2）由于水電站施工總布置涉及多專業(yè)、多工序的協(xié)同管控問題，在BIM模型中將不同專業(yè)、工序模型之間建立可視化連接，即可實現(xiàn)對水電站施工的協(xié)調(diào)設計，在此過程中克服多專業(yè)協(xié)調(diào)難題，為工程設計及管理效率的提升提供技術(shù)支持。

（3）在完成水電站施工項目單項模型構(gòu)建的前提下，通過運用BIM技術(shù)提供的協(xié)同控制功能，可將同一工程項目中具有相同信息屬性的施工區(qū)域地形、水文、土方開挖量/回填量等信息自動生成，并實現(xiàn)在模型內(nèi)位置的自動查找與協(xié)同布置，生成的施工總布置3D模型可提供精確三維坐標，支持在前期設計方案審核、施工前技術(shù)交底等環(huán)節(jié)進行虛擬化施工場地的漫游，供相關(guān)作業(yè)人員由涵洞、水閘、壩體至施工現(xiàn)場各區(qū)域進行可視化漫游，從而在最短時間內(nèi)掌握項目建設區(qū)域內(nèi)的整體與細部面貌。

（4）將設計文件導入BIM模型中，支持在聯(lián)網(wǎng)后進行文件內(nèi)容的自動更新，同時提供可視化檢索功能，在輸入相關(guān)文件信息后可生成設計模型的縮略圖及文件屬性信息，避免因不同設計模型混淆產(chǎn)生干擾問題，并有效規(guī)避重復設計情況的發(fā)生，進一步拓寬BIM應用范圍、輔助提升水利水電工程的設計效率。

（5）BIM模型支持對施工現(xiàn)場場景的可視化再現(xiàn)，便于輔助工程相關(guān)人員進行設計方案、成本方案、進度計劃的綜合比選，并且依托參數(shù)化、信息化功能滿足實際施工環(huán)節(jié)的現(xiàn)場管控、責任劃分、作業(yè)內(nèi)容交底等需求，輔助提升水電站工程項目管理水平。

2.2 技術(shù)路線

采用PW作為協(xié)同設計平臺，綜合應用Revit、Civil 3D多種BIM建模軟件，配合AIM可視化工具包的應用，確定的BIM應用技術(shù)路徑如下：

2.2.1 WBS任務分解

考慮到在以往施工總布置環(huán)節(jié)，在同一設計節(jié)點僅支持1人完成圖紙設計工作，將若干節(jié)點數(shù)據(jù)、文件匯總后將增加系統(tǒng)整體運行壓力、削弱系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，加之不同工序間的串聯(lián)設計將面臨上一工序修改、后續(xù)工序均需變更等問題，易增加重復設計概率，并進一步影響整體設計效率。基于此，該項目中擬引入WBS理論進行水電站工程施工總布置設計任務的分解，建立“項目→任務→工作→活動”的任務分解結(jié)構(gòu)。為克服原有單線串聯(lián)帶來的重復設計、設計變更等問題，擬基于統(tǒng)一建模標準建立全新的施工總布置設計管理結(jié)構(gòu)，以中心任務為核心，從中分解出專業(yè)1、專業(yè)2至專業(yè)n，在各專業(yè)之下分別對應設計者1、設計者2以及設計者n，將不同設計者的反饋結(jié)果進行匯總，即可實現(xiàn)對施工總布置設計任務的協(xié)同控制，以此實現(xiàn)對項目設計過程的標準化管理。該WBS分解結(jié)構(gòu)可最大限度消除水電站項目施工總布置設計過程中的等待工序，且最終形成的文件規(guī)模較小，可有效提升處理效率。

2.2.2 協(xié)同管控

基于PW協(xié)同設計平臺進行工程設計文件的分類與定義，支持對水電站工程項目整體設計實施過程的跟蹤監(jiān)控，并結(jié)合實際需求進行不同專業(yè)、不同人員任務量的動態(tài)調(diào)節(jié)。在利用該平臺進行設計信息的協(xié)同管理與控制時，需依托WBS任務分解工具進行施工總平面布置設計任務的分解與逐級下達，通過在平臺中建立任務分解目錄，針對不同任務進行內(nèi)容分解與權(quán)限設計，依據(jù)使用、管理、存儲的順序進行項目設計過程的規(guī)范化管控，有效提升設計文件的使用率，并基于權(quán)限設置保證信息安全。

2.2.3 BIM建模與集成

根據(jù)該水電站工程施工總布置設計任務的具體內(nèi)容，可將其劃分為樞紐布置、施工導流、主體結(jié)構(gòu)、場內(nèi)交通、渣場料場布置專業(yè)，各專業(yè)間彼此相互關(guān)聯(lián)，致力于實現(xiàn)對設計文件與信息的同步控制與互聯(lián)共享。基于協(xié)同設計中的設計標準統(tǒng)一原則，需綜合考慮不同軟件間的兼容性、不同格式文件轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)單位統(tǒng)一等應用要求，完成BIM應用方案的初步設計。例如在該水電站工程施工總布置設計環(huán)節(jié)，在樞紐布置專業(yè)之下劃分出有壓引水建筑物發(fā)電、廠房結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)等工作，在施工導流專業(yè)之下引出圍堰設計、導流布置等工作，在主體結(jié)構(gòu)之下引申出引水隧洞開挖、洞內(nèi)出渣、混凝土等工作，在場內(nèi)交通之下引出物資轉(zhuǎn)運站，在渣場料場布置之下劃分出渣場、料場等。通過建立BIM應用方案圖，可實現(xiàn)對模型中不同工作、活動的信息化處理，并建立各工作、活動之間的可視化連接。當涉及設計變更問題時，僅需由設計人員對局部信息或數(shù)據(jù)進行修改，即可利用模型功能進行文件、圖紙、報告的關(guān)聯(lián)更新，保證實現(xiàn)對各專業(yè)內(nèi)容的一體化修改，使水電站單項設計任務與整體管控工作實現(xiàn)有機融合。

3 施工總布置BIM協(xié)同設計

3.1 樞紐布置

將AIM與Civil 3D應用于該項目中無壩引水方案中樞紐布置環(huán)節(jié)，主要建筑物包含進水口、隧洞、調(diào)壓室及壓力管道四個部分，利用其強大地形處理功能進行建筑物布置區(qū)域的快速規(guī)劃與直觀表達，將控制閘、進水閘、無壓渠涵、壓力前池、有壓引水隧洞、調(diào)壓室與壓力管道均設置在河道左岸。其中無壓引水段首起下坂地電站尾水渠、沿河流左岸山腳與公路之間布置，經(jīng)協(xié)力波斯溝后到達溝口下游，與壓力前池銜接，全長為1 685 m；壓力前池緊靠協(xié)力波斯溝口下游的有壓隧洞進水口布置，總長85 m、凈寬12.4 m；有壓引水隧洞布置在河道左岸，洞線靠河岸布置，隧洞總長度15 938.9 m、內(nèi)徑4.7 m；調(diào)壓室、壓力管道、電站廠址及廠房均布置在左岸地形寬闊區(qū)域，并基于Revit進行廠房結(jié)構(gòu)、壓力管道等細部的參數(shù)化設計，實現(xiàn)自動出圖。

3.2 施工導流

采用Civil 3D軟件建立精確的導流設計方案，依據(jù)水流對于無壩引水實施環(huán)節(jié)可能造成的影響，借助AIM工具進行數(shù)據(jù)可視化展示，由此施工導流設計劃分為三部分，其中協(xié)力波斯溝渠首段的底部高程最低值為2 730 m，1#支洞進口處的底部高程為2 715 m，地面廠房的最低開挖高程為2 350 m，在上述部位的實際施工環(huán)節(jié)需重點考慮基坑排水及內(nèi)部防滲問題。

3.3 主體結(jié)構(gòu)

基于Civil 3D與AIM平臺生成主體結(jié)構(gòu)設計方案，同時根據(jù)土方開挖量、施工工藝方法進行施工支洞布局與斷面規(guī)格參數(shù)的計算，與施工工期、費用、施工機械及工具施工情況等進行關(guān)聯(lián)，完成主體結(jié)構(gòu)設計方案整體與分項施工任務的部署。該項目中引水隧洞全長為15.936 km，隧洞開挖量為48.06萬m3，選用鉆爆法作為施工工藝，共布置4個凈斷面為7×6m的施工支洞，其中開挖循環(huán)進尺為3 m，洞挖、襯砌進尺平均值分別為130 m/月和120 m/月，結(jié)合冬季不停工作業(yè)條件計算出施工工期約為50個月，并將工期進度細化分解至具體工序及專業(yè)，為后續(xù)施工進度管理提供可靠參考。

3.4 場內(nèi)交通

利用Civil 3D軟件的地形處理功能建立裝配模型，實現(xiàn)對場內(nèi)道路挖填曲面的快速生成，完成道路、橋梁、公路隧洞工程量的精確計算，并通過AIM軟件進行直觀表達。該項目中施工所需運輸外來物資總量為32萬t，根據(jù)貨運總量選定在喀什火車站附近租用場地作為物資轉(zhuǎn)運站，由此生成兩條場內(nèi)交通路線，其中推薦路線為“喀什→塔什庫爾干→壩址”，全長322 km；備用路線為“喀什→莎車→廠址”，全長422 km。

3.5 渣場料場布置

采用Civil 3D軟件進行渣場、料場三維設計與工程量計算，該項目中以渣場為主要布置對象，基于分散布置原則進行存渣場、棄渣場布局設計，將其分別布置在渠首、廠址及各支洞口附近，引水隧洞內(nèi)施工時選用5 t電瓶機車牽引8 m3梭車進行洞內(nèi)出渣，洞外利用2 m3裝載機裝渣，并依托20 t自卸汽車將其運送至指定渣場。

3.6 可視化與信息化

通過運用BIM技術(shù)進行水電站工程施工總布置設計，基于信息化建模方法進行設計文件、信息的同步關(guān)聯(lián)，支持提供碰撞檢查、漫游瀏覽與動畫效果輸出等功能，有效提升不同專業(yè)的協(xié)同設計效率、節(jié)約跨專業(yè)交流成本，配合漫游功能實現(xiàn)對場地整體及細部面貌的可視化呈現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過引入BIM模型進行水電站施工總布置設計，實現(xiàn)設計理念、設計效率、設計質(zhì)量與設計表達效果的整體優(yōu)化與提升，后續(xù)對該項目進行技術(shù)經(jīng)濟性評價可知，該水電站工程的技術(shù)指標、經(jīng)濟指標均優(yōu)越，單位千瓦靜態(tài)投資為7064元/kW、單位電能投資為1.926元/kW·h，建成后為區(qū)域發(fā)電做出重要貢獻。