BIM技術(shù)在水電工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭 優(yōu)

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

水電行業(yè)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式主要基于Auto CAD軟件開展，設(shè)計(jì)成果通過(guò)二維圖紙進(jìn)行轉(zhuǎn)化表達(dá)，由于水電工程中往往水工建筑物眾多，設(shè)備管道布局復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員需要想象出空間關(guān)系后再在CAD軟件中抽象化表示，誤差和碰撞難以避免，且設(shè)計(jì)人員的作圖習(xí)慣不同，種種因素影響下，圖紙質(zhì)量難以保證。因此傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在專業(yè)間溝通成本高、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、直觀性差等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，近年來(lái)隨著BIM技術(shù)不斷推廣普及，BIM設(shè)計(jì)概念也為行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)單位所接受，在水電工程中逐漸得到應(yīng)用[1-2]。由于BIM技術(shù)在水電領(lǐng)域發(fā)展較晚，理論標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，為提高水電工程的BIM設(shè)計(jì)效率和水平，有必要選用合適的BIM 軟件，在此基礎(chǔ)上建立一套標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)流程，進(jìn)一步發(fā)掘BIM技術(shù)的效益。

本文基于Bentley 系列軟件，依托某水電站項(xiàng)目，簡(jiǎn)要闡述BIM技術(shù)在水電工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，應(yīng)用成果可對(duì)類似項(xiàng)目起到參考借鑒作用，以期通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)的使用和探索，在水電項(xiàng)目中逐漸形成規(guī)范化，可復(fù)用的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM（Building Information Modeling）意為建筑信息模型，對(duì)其概念性表述不再贅述，在水電工程領(lǐng)域，目前主要基于BIM 模型的可視化特性，開展如碰撞檢查、場(chǎng)景渲染、輕量化展示等應(yīng)用。

1.1 碰撞檢查

碰撞檢查是BIM 技術(shù)提高設(shè)計(jì)效率的典型應(yīng)用方式，在水電工程中，專業(yè)眾多，設(shè)計(jì)過(guò)程中難以充分溝通交流，設(shè)備、管道、橋架、結(jié)構(gòu)等發(fā)生碰撞難以避免，可能造成設(shè)計(jì)變更和施工返工，影響工程工期和質(zhì)量。通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中的碰撞檢查可以有效規(guī)避和減少此類問(wèn)題[3]。

1.2 場(chǎng)景渲染

基于BIM模型可以設(shè)置不同模型場(chǎng)景，定義完BIM 模型的材質(zhì)、光照條件后，按需加載人物、交通工具、景觀、水體、天氣等多種元素，通過(guò)圖形渲染和特效處理即可生成一個(gè)虛擬現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。在該場(chǎng)景中，可以按預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行虛擬漫游或借助VR 設(shè)備沉浸式體驗(yàn)，在項(xiàng)目展示，宣傳視頻等方面應(yīng)用廣泛[4]。

1.3 輕量化展示

為滿足BIM技術(shù)在工程施工階段、運(yùn)維階段中的使用需求，降低軟硬件要求，可通過(guò)輕量化引擎解析和轉(zhuǎn)換BIM模型的幾何信息，優(yōu)化顯示內(nèi)容從而大大減少模型的文件大小。模型經(jīng)過(guò)輕量化處理后即可在移動(dòng)端、web端進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)BIM+GIS場(chǎng)景融合、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)圖紙文檔、數(shù)據(jù)共享等功能[5]。

2 BIM軟件功能分析

2.1 軟件選擇

水電工程需要多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，因此選擇成熟高效的BIM 軟件解決方案對(duì)保證項(xiàng)目質(zhì)量至關(guān)重要，目前Autodesk 和Bentley 公司的產(chǎn)品技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率高、學(xué)習(xí)資料豐富、技術(shù)支持及時(shí)，且均有大量的工程案例支撐。經(jīng)過(guò)比較，Bentley 系列軟件在大型基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域中使用更為廣泛，對(duì)大體量模型的支持性和處理效率更優(yōu)，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一兼容性強(qiáng)，所以，更適合水電工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2.2 軟件功能

Bentley系列軟件超過(guò)400多款，在BIM應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)均有相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品和服務(wù)，軟件針對(duì)性較強(qiáng)，水電工程通常是大型復(fù)雜項(xiàng)目，需要多款軟件配合完成，為測(cè)繪、地質(zhì)、建筑、水工、水機(jī)、電氣、水暖等主要專業(yè)設(shè)計(jì)工作提供良好的支持，各專業(yè)選用的Bentley 系列軟件詳見表1。其中ProjectWise 為協(xié)同設(shè)計(jì)軟件，可將各專業(yè)的設(shè)計(jì)全過(guò)程集成在一個(gè)統(tǒng)一的工作平臺(tái)上，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的分散交流模式，大大提高了工作效率，也為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化提供了軟件基礎(chǔ)[6-7]。

表1 Bentley系列軟件匯總

為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的BIM 設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)配置、后期調(diào)整的工作，Bentley系列軟件采用定制工作空間來(lái)實(shí)現(xiàn)這一需求。工作空間是Bentley系列軟件的重要組成部分，目的是為了存儲(chǔ)一套適用于某類工程的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容，如圖層、文字樣式、線型樣式、特征、出圖配置等，可解決工程項(xiàng)目協(xié)同工作中標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一等問(wèn)題。

對(duì)某一類或一種項(xiàng)目類型，分軟件定制好工作空間后，將其部署至Projectwise服務(wù)器（見圖1），由項(xiàng)目管理員進(jìn)行統(tǒng)一管理，設(shè)計(jì)人員在協(xié)同作業(yè)時(shí)就能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)了成果的準(zhǔn)確性，減少了修改工作量。

圖1 ProjectWise服務(wù)器端

3 BIM 技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

3.1 工程概況

本文所選取的工程實(shí)例為某抽水蓄能電站，電站裝機(jī)容量為1200 MW，承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能和緊急事故備用等任務(wù)，樞紐布置由上水庫(kù)、下水庫(kù)、地下廠房洞室群、地面開關(guān)站等部分組成（見圖2）。

圖2 BIM模型示意

3.2 協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境搭建

基于Projectwise 協(xié)同平臺(tái)搭建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)環(huán)境，建立分部位分專業(yè)的目錄結(jié)構(gòu)（見圖3），設(shè)置好每一級(jí)目錄的編輯、訪問(wèn)權(quán)限后，即可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的集中存儲(chǔ)和訪問(wèn)，確保項(xiàng)目信息模型及信息的有效管理、共享[8]。

圖3 項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境

由于參與設(shè)計(jì)人員較多，為了滿足專業(yè)內(nèi)部BIM模型分裝、專業(yè)間資料互提、項(xiàng)目模型總裝的需要，在開展協(xié)同設(shè)計(jì)前，需要根據(jù)水電項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定：對(duì)于測(cè)繪、地質(zhì)、引水、壩工、施工、交通等專業(yè)，設(shè)計(jì)成果相對(duì)獨(dú)立，因此統(tǒng)一按照世界坐標(biāo)即項(xiàng)目實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)廠房專業(yè)，為了方便水機(jī)、電氣、建筑、金結(jié)等專業(yè)的機(jī)電設(shè)備、門窗在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行布置，采用正交坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，以原點(diǎn)（0，0，0）作為控制點(diǎn)，以上專業(yè)均在完成專業(yè)分裝后再統(tǒng)一移動(dòng)到項(xiàng)目實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)。

3.3 工作空間定制典型應(yīng)用

3.3.1 工程量統(tǒng)計(jì)

本節(jié)以工程中常用的混凝土材料為例，簡(jiǎn)述通過(guò)定制工作空間來(lái)實(shí)現(xiàn)精確統(tǒng)計(jì)廠房工程量的技術(shù)路徑[9]。

（1）由于Bentley 系列軟件多數(shù)在美標(biāo)、歐標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，首先需要將所需的國(guó)標(biāo)材料類型導(dǎo)入OpenBuildings Designer（OBD）軟件內(nèi)，在OBD軟件的設(shè)計(jì)種子文件中，新建所需材料類型的圖層。

（2）OBD軟件的材料類型通過(guò)類別樣式編輯器進(jìn)行定義（見圖4），根據(jù)設(shè)計(jì)中選用的混凝土類別分別添加，并設(shè)置材料圖層。

圖4 類別樣式編輯器

（3）編輯材料的工程量計(jì)算公式（見圖5），在設(shè)計(jì)過(guò)程中正確設(shè)置BIM模型的類別樣式后，即可通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)表輸出廠房的混凝土工程量。

圖5 工程量計(jì)算公式

3.3.2 定制管道系統(tǒng)

水機(jī)、給排水、消防等專業(yè)管道系統(tǒng)復(fù)雜，通過(guò)在OpenPlant Modeler（OPM）軟件的工作空間中定制一套符合國(guó)標(biāo)的管道及管件，并預(yù)設(shè)各種管道系統(tǒng)的顏色，可以大大提高相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)效率。以下簡(jiǎn)述定制過(guò)程和實(shí)現(xiàn)功能。

1）在OPM中，不同標(biāo)準(zhǔn)的管件以mdb格式文件存儲(chǔ)，整理水電工程中常用的管道、閥門、彎頭、三通、法蘭等元件，按照現(xiàn)行國(guó)標(biāo)，分壓力等級(jí)建立從1.0 Mpa到10.0 Mpa的一套國(guó)標(biāo)管道管件數(shù)據(jù)庫(kù)（見圖6），即可在OPM中調(diào)用，方便統(tǒng)計(jì)工程量[10]。

圖6 國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)

2）根據(jù)水電站不同管道系統(tǒng)的顏色規(guī)定，在設(shè)計(jì)時(shí)即按顏色加以區(qū)分，直觀且方便修改。在OPModeler.dgnlib 庫(kù)文件中通過(guò)圖層管理器新建管道類型圖層，規(guī)定對(duì)應(yīng)的顏色和線形，同步修改模板文件中的邏輯表達(dá)式，將管道的顯示樣式通過(guò)介質(zhì)代號(hào)名與圖層關(guān)聯(lián)。

3）在設(shè)計(jì)種子文件中，添加常用的水、油、氣、消防等系統(tǒng)，并細(xì)分為技術(shù)供水、絕緣油、高壓氣、消防用水等管道類型作為介質(zhì)代號(hào)，介質(zhì)代號(hào)名與在OPModeler.dgnlib 庫(kù)文件中新建的管道類型保持一致（見圖7）。在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，即可實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)顏色的統(tǒng)一[11]。

圖7 管道系統(tǒng)顏色預(yù)設(shè)

3.3.3 出圖配置

Bentley 系列軟件主要采用模型、圖紙聯(lián)動(dòng)的DV 切圖方式生成圖紙，為了減少出圖工作量，盡量接近二維圖紙的表達(dá)效果，主要對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行定制[12]。

（1）規(guī)范字體和圖框。為保持圖紙的一致性，在Bentley 系列軟件中延用CAD 公司定制字體，按照國(guó)標(biāo)工程字體高度，在字體庫(kù)文件中添加2.5-20 mm字高的七種字體。項(xiàng)目使用圖框按照A4-A0圖幅制作，添加圖紙標(biāo)題框后形成此項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)切圖種子，切圖時(shí)選擇所需的切圖種子即可。

（2）自定義材料截面。軟件內(nèi)預(yù)設(shè)了部分材料的截面填充樣式，但和傳統(tǒng)表達(dá)效果差別較大，在出圖前有必要自定義所使用材料的截面，通過(guò)在工作空間內(nèi)的截面庫(kù)文件中添加或修改截面圖形并設(shè)置視圖組，即可自定義截面的填充效果。

（3）添加常用符號(hào)。在二維圖紙中有指北針、比例尺、十字坐標(biāo)等常用符號(hào)，對(duì)水位、高程標(biāo)注也有樣式要求。將常用的符號(hào)做成單元庫(kù)，并在軟件內(nèi)添加圖標(biāo)，可方便出圖時(shí)調(diào)用或標(biāo)注。

4 結(jié)語(yǔ)

在水電工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于Bentley系列軟件的工作空間功能，可建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的BIM設(shè)計(jì)流程，通過(guò)在工程實(shí)例中的探索應(yīng)用，主要形成以下經(jīng)驗(yàn)成果：

（1）基于ProjectWise 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，各專業(yè)根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，在統(tǒng)一坐標(biāo)系下開展協(xié)同設(shè)計(jì)。通過(guò)定制標(biāo)準(zhǔn)化工作空間并部署到服務(wù)器端，由管理員統(tǒng)一管理，可規(guī)范圖層、字體、線形、出圖設(shè)置等，大幅減少重復(fù)配置和后期修改工作。

（2）為統(tǒng)計(jì)工程材料，需要先將材料類型添加至軟件中，通過(guò)類別樣式編輯器定義材料類型、顯示圖層、統(tǒng)計(jì)公式后，可通過(guò)報(bào)表功能輸出工程量，提高設(shè)計(jì)效率。

（3）水電工程中的管道系統(tǒng)較為復(fù)雜，可在工作空間中預(yù)設(shè)顏色區(qū)分管道類型，讓設(shè)計(jì)和修改更為直觀。按照現(xiàn)行國(guó)標(biāo)，分壓力等級(jí)建立一套管道管件數(shù)據(jù)庫(kù)，可提高BIM設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和方便統(tǒng)計(jì)工程量。

（4）出圖效果盡量參考二維圖紙，在工作空間中定制字體、圖框、材料截面、常用符號(hào)和標(biāo)注樣式，可減少出圖工作量，提高圖紙質(zhì)量。