BIM在黃金峽水利樞紐工程設計中的應用研究

張鵬利 崔超 賈寧霄

摘要：BIM技術的應用為傳統水利水電工程勘察設計提供了一種新的思路和方法，然而鑒于水利水電工程的復雜性，現有的BIM技術實踐存在標準化程度低、流程不明確等問題。以黃金峽水利樞紐工程為例，基于達索3DEXPERIENCE平臺，研究了協同環境下的BIM技術的應用流程及方法，并形成了一套基于BIM技術的水利水電工程設計流程體系。在此基礎上，借助于參數化建模、工程量統計以及三維出圖等手段，總結了BIM在應用過程中的創新點以及存在的技術難點;同時，通過對屬性擴展、數字化交付的研究，為工程全生命周期的信息化流轉提供了新的思路。工程實踐表明：研究成果提高了該工程的設計效率和質量，可為今后同類工程的設計提供參考和借鑒。

關 鍵 詞：水利水電工程; 3DEXPERIENCE平臺; BIM; 多專業協同設計; 黃金峽水利樞紐

中圖法分類號： TV51

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.024

0 引 言

BIM技術自誕生以來一直被視為勘察設計領域的一次突破性技術革新，它帶來的標準化、參數化、流程化的設計理念，打破了傳統二維CAD設計模式下各專業相互獨立、信息脫節的狀況，突破了多專業協同設計過程中因技術手段缺乏而帶來的種種限制，形成了以BIM模型為中心的信息化管理模式。水利水電工程因其結構的復雜性，涉及專業眾多，無標準構件和標準圖集，因此對三維設計和BIM應用提出了更高的要求[1]。

得益于信息技術的發展，BIM技術近年來在水利水電工程設計過程中取得了長足的進步。國內外專家和學者就BIM技術在工程設計過程中的方法、技術和手段也開展了實踐和研究，并取得了一定的成果。

許哲峰[2]以深圳市龍崗區松子坑水庫為例，研究了BIM技術在水利工程設計中的應用，提出了以激光掃描和傾斜攝影技術為基礎的BIM設計、施工、運行技術路線。

杜九博等[3]在西藏自治區湘河水利樞紐工程設計過程中，利用BIM技術開展了正向設計，同時，也采用多種BIM設計軟件進行多專業協同設計，探索了BIM設計過程中的軟件協作問題。

許能[4]以巴布亞新幾內亞埃德伍水電站為例，研究了水電站設計、施工過程中的BIM應用點，并驗證了Autodesk平臺軟件系統之間的應用流程和數據轉換路徑，為工程帶來了明顯的效益。

徐肖峰等[5]研究了BIM技術在水工程盾構井勘察設計中的應用，利用Revit平臺的Dynamo參數化設計功能，實現了復雜地質模型和水工結構模型的結合，并實現了設計方案的優化。

曾旭東等[6]利用點云技術高仿真、快速建模的特點，研究了點云技術和BIM模型的協同設計方法，增強了設計人員在設計過程中對環境的感知，提高了設計效率，使設計成果更加具有可信性。

呂賀[7]以南雄市市區橫江水庫工程為例，研究了BIM技術在水利水電設計應用過程中的關鍵技術，提出了在模型創建過程中應注意模型格式在模型不同平臺間的通用性問題。

張慧媛等[8]利用Bentley平臺，以遵義市余慶兩岔河水庫泵站廠房設計為例，研究了BIM技術在多專業協同設計過程中的應用情況，并提出了創建企業自主BIM設計標準庫的重要性。

國外研究成果多集中于市政及房建領域，注重BIM與信息技術的結合[9]。Hegemann等[10]研究了隧洞TBM施工過程中的管片排列問題，并利用BIM技術將施工期管片實際位置與模型相結合，建立了管片信息與模型信息的關聯。Stegnar等[11]則提出了一種漸進式的BIM設計方法，可以改進設計，快速響應業主的需求。

BIM技術在國內外的研究雖然取得了較為豐富的成果，但依然存在以下問題。

（1） BIM技術研究多針對于某一特定場景，缺少工程從開始設計到交付后的設計全生命周期內的應用流程研究。

（2） 由于BIM設計平臺的多樣性，BIM技術應用大多采用多平臺，BIM文件在格式轉換過程中難以保證信息的完整性，而且缺乏相關研究。

（3） 對于水利水電工程，缺少大范圍地質模型與結構模型的協同設計實踐與研究。

本文針對上述問題，結合黃金峽水利樞紐工程設計開展了研究，提供了一種新的解決思路。

1 工程概況

1.1 項目簡介

黃金峽水利樞紐為I等大（一）型工程，多年平均設計供水量為9.69億m3，水庫正常蓄水位為450 m，水庫總庫容為2.21億m3，泵站總裝機容量為12.6萬kW（7臺1.8萬kW），電站總裝機容量為13.5萬kW（3臺4.5萬kW）。樞紐位于陜西省漢中市洋縣境內，地處漢江干流上游峽谷段[12]，如圖1所示。

工程設計模型及效果圖如圖2所示。

1.2 勘察設計特點與難點

該工程勘察設計過程中主要存在以下特點及難點。

（1） 樞紐布置限制條件多，難度大。黃金峽水利樞紐兼具供水、防洪、發電、航運、生態等功能，樞紐由大壩、泄洪沖沙建筑物、泵站、電站、魚道、升船機等組成，建筑物種類多，布置要求各不相同。樞紐泄洪規模大，泄洪建筑物受河勢條件限制，只宜布置在右岸;泵站受引漢濟渭工程總體格局要求，只能布置在左岸，建筑物布置限制條件多。壩址河谷較狹窄，與樞紐建筑物數量多的矛盾亦十分突出，樞紐布置難度大。

（2） 兩岸高邊坡問題突出。壩址山高坡陡，巖體風化較強烈，邊坡最大開挖高度接近300 m，高邊坡是該工程關鍵技術問題之一[13]。因此，需要通過地勘工作，查明巖體風化特點和地質構造，確定巖體物理力學參數，采用數值分析方法，對邊坡穩定性進行重點研究，并確定邊坡開挖支護措施。

（3） 泵站安全穩定運行要求高。黃金峽水利樞紐泵站為高揚程、大功率泵站，其規模位居國內前列[14]。根據該工程泵站規模大和技術難度高的特點，設計時應將泵站長期高效、安全穩定運行放在首位。

（4） 施工導流程序復雜。黃金峽水利樞紐導流標準洪峰流量達10 800 m3/s，壩址河谷狹窄，采用二期導流方案，施工項目多、相互干擾大，施工工期緊張，導流程序復雜[15]。

2 BIM實施與組織環境

2.1 BIM應用目標

黃金峽水利樞紐BIM勘察設計采用達索3DEXPERIENCE平臺（以下簡稱“3DE平臺”），結合地質、水工、機電、金結等專業，融合傳統勘察設計模式[16]，以滿足工程項目三維成果為出發點，全面推進勘察、規劃、設計一體化的全生命周期BIM三維協同設計，實現了BIM在工程量統計、三維出圖、計算分析、可視化表達等方面的應用，滿足設計成果交付需求。同時，為后期的施工期建設管理和運行期運維管理等，提供了基于BIM模型的數據基礎和技術服務。

2.2 BIM實施流程

圍繞黃金峽水利樞紐工程特點及難點，開展了多專業的協同設計，主要流程包括：

（1） 基于3DE平臺的項目管理模塊，建立協同環境，為設計人員及管理人員分配相應權限，并建立項目級合作區。

（2） 確定BIM設計范圍。設計包含的工程項目范圍主要有地質專業模型、主體建筑物（大壩、泵站電站、魚道、升船機）的土建結構和相應的機電設備、金屬結構、施工專業模型。

（3） 分解項目并確定相互連接界面。項目按空間分布劃分為邊坡、左岸非溢流壩段、泵站、電站、導墻壩段等，從而建立項目總骨架與各專業子骨架。

（4） 根據專業特點與行業規范，定義模型編碼與屬性擴展內容，建立BIM模型屬性體系。

（5） 多專業協同設計。以項目骨架為參考依據，各專業可在實際位置開展BIM設計工作，在建模的同時，可以隨時查證其他專業的設計進度和設計成果;通過相互引用，可及時調整設計方案中的定位信息，從而避免后期的大規模調整。

（6） 建基面開挖。在確定各專業模型無誤后，根據地質條件，按照基礎設計要求，對開挖面進行建模，確定結構與基礎接觸的下部結構形式，進行整體開挖。

（7） 基于BIM模型，開展BIM應用。

（8） 數字化交付。

BIM實施流程如圖3所示。

2.3 BIM組織團隊

在項目部領導的組織下，黃金峽水利樞紐工程勘察設計階段設立BIM總監，統籌管理BIM實施流程與應用開展工作。成立BIM協同設計小組，成員為具備工程設計與BIM應用雙重能力的各專業設計人員。同時配置BIM技術支持小組，隨時解決設計過程中可能遇到的BIM軟件應用問題。

2.4 BIM協同環境

3DE平臺的組織架構包含胖客戶端、Web客戶端以及服務器，如圖4所示。用戶經過身份驗證后，通過網絡連接后端的應用服務器（MCS）進行各種操作。3DE平臺不使用本地存儲模式，所有資源均存儲在數據庫服務器（DBS）中，可顯著降低數據管理難度，提高數據存儲的安全性。

3DE平臺實現了“同一個平臺，同一套數據”，各專業設計人員在同一平臺下，針對同一套數據進行協同設計工作。不同設計人員可以根據相關專業發布的數據及模型，建立自己的設計環境。同時這個環境會“實時”更新，上序專業對數據及模型的修改，也會同步反映到設計環境中，便于實現真正的協同設計。

3 BIM應用亮點

3.1 BIM參數化建模

在黃金峽水利樞紐工程勘察設計階段，結合3DE平臺，開展了多專業正向協同設計。利用3DE平臺參數化建模準確、快捷、適應性強的特點，以地質、水工、金結、機電等專業為核心，開展基于骨架的參數化建模工作。

（1） 地質模型創建。

通過現場采集地質信息，建立地質信息數據庫，采用自主研發的地質信息管理系統，將可用于模型構建的地質數據快速導入3DE平臺，進行參數化三維地質建模，建模完成后，利用航片對地表進行渲染，采用材質對地質體進行渲染。流程如圖5所示。

對于定位面以及定位軸系等組成，由牽頭專業建立項目總骨架，經發布后由各個專業參考建立專業子骨架，如圖6所示。

（2） 基于部件設計建模。

黃金峽水利樞紐通航建筑物多呈線性布置，因此，在設計中廣泛采用了3DE平臺基于部件設計（Component Based Design，CBD）的方法。CBD以BIM技術領域模型精細度層級（Level of Design，LOD）概念為基礎，在設計初期，使用LOD100模型進行定位和占位設計，快速實現設計方案的初步確定，滿足方案比選的要求。隨著設計過程的深入，在CBD中開展詳細設計，可一鍵升級原有的低精細度模型，避免了重復的定位過程。采用CBD設計方法，既滿足了方案尚未確定時需要大致模型進行方案比選的需求，又解決了長線性工程中大量重復模型單元無法快速更新的問題，極大地提升了BIM設計效率[17]，如圖7所示。

（3） 系統化機電模型創建。

機電專業利用3DE平臺機電設計模塊，開展水機、電氣、暖通模型創建工作，通過參考土建專業的模型與定位元素，實現協同設計。以水機模型為例，建模之前先建立水機模型屬性庫，預先定制水機設備的參數和屬性信息，之后通過機電設計模塊，進行系統化的設備布置及管路設計，如圖8所示。

（4） 模板化金結模型創建。

金結專業模型在設計過程中，將常用的標準件建立模板庫，并將常用構件做成UDF特征，極大地提高了設計效率。常用標準件有各類型鋼，如工字鋼、槽鋼、角鋼等;各種緊固件，如螺栓、螺母、墊圈等;常用構件包括各種梁、板、柱等。每一類構件形成相應的UDF特征單元，并設置主要控制參數進行驅動，實現在三維建模過程中的重復調用，如圖9所示。

3.2 工程量統計

針對包含大量曲面的異形結構實體，利用3DE平臺工程量計算功能，可快速精準地實現工程量統計。在黃金峽高邊坡開挖設計過程中，利用現場實測塊體邊界，結合三維投影視圖，建立了三維塊體模型并進行了工程量統計，如圖10所示。

3.3 二三維聯動出圖

該項目工期緊張，供圖任務繁重。結合3DE平臺三維出圖模塊，并自主研發出了三維出圖線型標準，實現了剖視圖、軸測圖的一鍵生成功能，如圖11所示。同時，也滿足在三維設計更改的時候，圖紙可聯動更新。

為了簡化鋼筋圖生成過程，將3DE創建的結構模型，導入到長江設計公司開發的三維配筋出圖一體化軟件，進行施工圖配筋設計并一鍵出圖，顯著提高了設計效率。實踐中，已形成“3DE建模+三維配筋出圖”的組合模式，具有良好的示范效應，如圖12所示。

3.4 計算分析

利用3DE軟件格式轉換的優勢，將BIM模型導入數值分析軟件。在此基礎上，進行網格劃分，并開展三維有限元數值分析，根據結果來優化調整結構的尺寸與形式，如圖13所示。

3.5 設計方案優化

在設計過程中，充分利用BIM技術“所見即所得”的特點，一旦發現設計方案中的隱蔽問題，即可提供方案比選的功能，實現設計方案優化。黃金峽水利樞紐導墻壩段由壩工與電站專業共用，初設方案結構劃分不合理，利用BIM技術進行方案比選后，對局部結構分工進行了優化調整。設計方案優化情況如圖14所示。

3.6 可視化表達

在不同的軟件中模型的構建邏輯不同。3DE平臺的模型是為參數化驅動的曲面和實體，其中包含大量的過程文件，結構樹層級較多，不利于輕量化的模型表達。因此，利用達索公司的Composer軟件對設計模型進行了簡化，以實現模型成果展示與交流。Composer的模型是由面片組成的封閉或開放式的曲面組成，只需要結果元素，不需要過程零件，并且支持交互式操作、移動端展示和動畫制作。同時基于BIM模型，利用3D打印機，打印出1∶2 000模型，便于現場與參建各方溝通展示。Composer可視化表達及樞紐3D打印模型分別如圖15～16所示。

3.7 BIM屬性擴展

目前，主流BIM軟件僅針對建筑、機械、市政專業進行了標準化屬性定制，水利水電專業雖已有相關行業標準，但在軟件層面仍缺乏成熟的屬性定義體系，因此在項目實踐過程中，需要針對性地開展屬性擴展工作，確保滿足BIM模型信息化應用需求。

該項目考慮運維期模型應用需要，屬性擴展與數據庫表設計同步進行。采用數據庫設計軟件進行字段設計，同時在3DE后臺服務器進行屬性集擴展，擴展后的屬性可以在結構樹節點進行添加，并滿足IFC標準要求，流程如圖17所示。

擴展后的屬性可以導出，同時，可以直接與數據庫數據進行交互，從而建立黃金峽BIM模型屬性擴展體系。圖18為屬性擴展結構。

3.8 數字化交付

為了發揮BIM模型全生命周期管理優勢，將設計BIM模型的成果延伸至施工和運維階段。該項目從功能需求出發，提出了黃金峽水利樞紐工程BIM模型數字化交付的方法。

（1） 針對業內已有的BIM模型交付標準進行全面的調研分析，確定該項目設計交付的內容、交付方式及其包含的成果。

（2） 針對國內多個主流BIM設計平臺進行BIM模型數據格式對比，分析不同設計平臺BIM模型格式轉換的方法及其存在的問題，確定了該項目模型交付格式，即采用通用的*.ifc、*.obj和*.fbx格式。其中，*.ifc格式包含幾何和屬性數據，但難以進行輕量化處理，后兩者雖然不包含屬性信息，但可方便地進行模型輕量化。

（3） 通過BIM模型輕量化等關鍵技術的應用，結合黃金峽水利樞紐運維管理系統具體需求，實現了數字化交付，滿足設計BIM模型向運維期轉化的需求。

4 應用成效

基于網絡服務器與三維協同環境，在黃金峽水利樞紐工程勘察設計階段重點加強多專業的三維協同技術研究與應用，提高了專業間相互參照、協同會商的工作效率;三維參數化設計技術的加入，顯著提高了設計效率，與計算分析軟件的結合，實現了設計計算一體化;三維出圖技術的使用，提高了設計效率，在供圖任務繁重的施工期，滿足了現場的圖紙需求;基于工程輕量化數據的三維交互式表達技術在工程現場進行宣貫與示范推廣，起到了輔助指導現場施工，提升現場三維應用水平的效果;屬性擴展和數字化交付，實現了BIM技術從設計到運維的轉換，提高了BIM技術的應用價值。

5 結 語

BIM技術在黃金峽水利樞紐工程勘測設計中的研究及其應用實踐，有效地促進了設計過程中技術方法、技術流程與工作模式的優化與改進，基本上形成了以BIM模型為中心的協同設計建模、計算分析和模型出圖一體化協同技術和流程，使得三維協同技術更加融合于傳統的勘測設計工作中。基于黃金峽水利樞紐工程設計過程所積累的實踐經驗、技術成果已在行業內得以分享、交流、推廣與示范，可為其他同類項目開展三維協同設計與應用提供寶貴的經驗和參考。

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（編輯：趙秋云）

Application of BIM technology in design of Huangjinxia Hydro-complex Project

ZHANG Pengli1，CUI Chao1，JIA Ningxiao2

（1.Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project Construction Co.，Ltd.，Xi’an 710024，China; 2.Changjiang Survey，Planning，Design & Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Facing the complexity of hydropower projects，the present BIM technology has disadvantages of low standard level and fuzzy process.In the survey and design stage of Huangjinxia Hydro-complex project，based on Dassault 3DEXPERIENCE platform，the online collaborative application process and methodology is studied，and a set of BIM based design process system for hydropower projects is formed.Combined with the BIM design process，the parametric modelling，statistic of project quantity，3D drawing，we summarize the difficulties and innovations in the application process of BIM.Finally，we study the attribute extension and digital delivery，providing new ideas for information transmission during the whole project cycle.The project practice shows that the research results have improved the design efficiency and quality.

Key words：

water conservancy and hydropower engineering;3D EXPERIENCE platform;BIM;co-design in multiple departments;Huangjinxia Hydro-complex Project