童埠智慧泵站工程BIM正向設計應用研究

劉漢霞

(南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著BIM技術的不斷推廣，各設計企業數字化轉型的重點已偏向三維設計和BIM技術應用。由于BIM技術應用投入大、周期長、市場機制暫未形成及高端技術人才短缺等原因，全過程的BIM正向設計還較少，大部分仍停留在翻模、可視化效果展示等階段[1]。下文以童埠智慧泵站工程為例，詳細介紹了BIM正向設計的全過程，成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

童埠圩位于安徽省青陽縣西北部，屬大通河流域下游沿江圩區，總面積29.00km2，其中，圩區15.89km2，丘陵區13.11km2。為保障童埠圩的生產及青陽經濟開發區童埠園區的防洪安全，新建童埠智慧泵站1座，采用潛水軸流泵6臺：4大2小，設計流量為32m3/s，總裝機功率4000kw，泵室總體尺寸為順水流向18.30m，垂直水流向27.50m。項目主要建設內容包括：泵室、清污機橋、進水池、出水渠等3級建筑物；出水池、出水箱涵、防洪閘等2級建筑物；前池、進水渠護岸等永久性次要建筑物等4級建筑物。

2 BIM應用前期策劃

2.1 協同設計組織

考慮到本項目設計周期短且涉及專業眾多，不同專業間數據交換格式多樣且過程復雜，有序合理的三維協同工作流程可以有效提高專業間溝通效率，減少修改與返工，確保項目在規定時間內高效、高質量地完成。通過梳理各專業設計內容、工作開展前置條件和輸出成果，制定了多專業協同設計流程，如圖1所示。

圖1 多專業協同設計流程圖

目前，運用較為普遍的協同設計方式主要為鏈接協同設計和工作集協同設計2種[2-4]，本項目在局域網環境下，采用2種協同設計相結合的方式進行BIM正向設計應用。

(1)鏈接協同，即在一個BIM三維模型文件中通過鏈接功能，引用其他文件的相關模型或CAD數據，與AutoCAD的外部引用功能相似。部分專業之間由于設計軟件的不同，需采用鏈接方式進行模型組合裝配。鏈接協同解決了不同軟件之間的設計溝通，并且可以更加方便地追蹤文件的版本，及時發現和解決問題，提高設計模型的質量。

(2)工作集協同，指通過建立中心文件、創建工作集的方式實現不同設計人員之間的實時協同設計，它與鏈接協同之間存在著本質上的區別。對于建筑物體量較大且較為復雜的工程，采用工作集協同可實現多用戶同時在本地模型中同步完成設計，避免重復工作并提高溝通效率。

2.2 數據互通

BIM技術相關應用軟件眾多，本次正向設計過程中各專業軟件應用情況見表1。

表1 BIM正向設計軟件應用情況表

根據表1可知，不同專業所使用的軟件也有所不同。為提高模型數據互通性、減少重復建模工作量，梳理總結各軟件之間數據轉換存儲格式，以實現各專業間的“一模多用”，提高設計效率。數據轉換存儲格式見圖2。

圖2 BIM正向設計數據流流程圖

3 BIM正向設計應用

3.1 勘察BIM應用

為了更加直觀、真實地展現工程區域及周邊場景，項目采用無人機傾斜攝影對地表基礎數據進行采集，提取DOM、DEM數據導入Infra works軟件中建立三維實景模型，直觀反映工程與周邊環境關系、實現了大場景的地形地貌巡視漫游和高程、距離、面域的量測[5]，并可進行任意位置的剖切，大幅減少現場踏勘工作量，與業主的溝通也變得快捷、高效、準確。

利用三維地質軟件，以地勘鉆孔、剖面數據為基礎，融合地質結構等信息，構建三維地質模型，直觀展現了地層、構造、地下水等信息。在此基礎上模擬基坑開挖，提供各土層的詳細開挖量，直接生成剖面圖及鉆孔柱狀圖，直觀地顯示項目區軟弱土層的分布；通過三維地質模型與地基處理設計模型的融合，直觀準確反應地基處理設計的合理性。

3.2 各專業BIM模型創建

(1)水工結構模型。工程范圍內水工結構，主要包括泵室主體、涵閘、翼墻及清污機橋等，水工專業采用Revit軟件，通過創建中心文件，進行多人實時協同設計。涵閘、翼墻及清污機橋，可調用南京市水利規劃設計院的參數化模型構件庫，通過調整參數快速放置構件創建模型。泵室結構，由于其自身結構特點，參數化程度較低，設計人員采用常規模型樣板，根據輪廓放樣、旋轉、融合等操作，創建泵室三維模型。水工結構整體模型及單體模型如圖3所示。

圖3 水工結構模型

(2)建筑結構模型。建筑專業通過建立適合水利工程項目特點的建筑專業模板，定義了門、窗、欄桿等建筑族塊。在建模過程中，重點對站房內、外墻體及粉刷做法、地板、吊頂、屋面、保溫等進行精細化建模，從而實現同類型站房的快速創建。泵房及管理房模型如圖4所示。

圖4 泵房及管理房模型

目前，結構設計成果交付物仍是二維圖紙，因此結構正向設計流程首先采用PKPM-BIM軟件進行三維建模，然后導入PKPM-SATWE進行整體穩定及配筋分析計算，需要利用PKPM模型直接輸出二維工程圖。

(3)金屬結構模型。童埠智慧泵站金屬結構，主要模型包括泵站進水側攔污清污設備、泵室出水側事故斷流設備、出水箱涵閘門井防洪設備，以及上述設備的埋件和附件。針對該工程金屬結構的特點，運用Inventor軟件進行閘門、攔污柵的三維參數化模型創建，并將創建的金屬結構模型導出為.rfa格式上傳至Vault協同平臺，設計人員根據各構件相對位置進行模型的鏈接裝配。攔污柵、事故閘門及出水箱涵閘門模型如圖5所示。

圖5 金屬結構三維模型

(4)水機模型。水機專業傳統的建模方式，是采用UG進行三維模型創建，但在模型總裝過程中，需解決與Revit軟件之間的模型轉換問題。由于兩款軟件的底層幾何引擎不同，存在不完全兼容等問題，導致導入模型失真。為更好地解決問題，項目使用三維建模軟件Inventor及Revit進行水泵機組及輔助設備建模。

水泵機組由葉輪段、導葉段、導流錐、電機及地腳螺栓等構成。其中，葉輪段和導葉段由葉片和輪轂組成。本次BIM建模，水泵機組葉輪段和導葉段涉及葉片翼型，形狀較為復雜，因此，這兩部分建模在Inventor中完成。葉輪段及導葉段三維模型如圖6所示。

圖6 葉輪段及導葉段三維模型

輔機系統，設備包括供水系統、排水系統等，涉及管道及其附件、供水泵、排水泵等。本次輔機系統建模，基于revit軟件在協同平臺上直接建模，通過協同工作減少配套設備設計和建筑、結構之間的協調錯誤，同時，可以利用碰撞檢查工具，及時發現管道系統繪制中存在的問題。輔機系統三維模型如圖7—8所示。

圖7 常用管道附件族庫中調用的排污泵模型

圖8 供排水系統布置

3.3 數值仿真分析及方案優化

現有主流BIM軟件，基本都實現了與Ansys、Abaqus、Midas等大型有限元軟件的無縫對接[6-8]，即采用BIM軟件創建三維實體模型，并導出為有限元軟件可識別的數據格式，導入有限元軟件創建三維數值模型，極大地提高了有限元模型前處理效率。文中采用Revit軟件創建涵閘結構內部及下游河道水體模型，將創建的模型導入Midas NFX軟件，進行網格劃分、荷載添加及CFD邊界設置，通過對各工況下閘門開啟時的下游河道流態仿真計算分析，可以得到最不利沖刷區范圍。設計過程中根據數值仿真分析結果優化方案，對該區域進行加固防沖設計，確保工程運行安全。下游河道CFD流態仿真分析最不利沖刷區范圍如圖9所示。

圖9 下游河道流態仿真分析

3.4 三維配筋

結構配筋設計是施工圖階段的重要工作之一，在傳統的二維制圖方式下，設計人員需繪制多個剖面鋼筋圖以確保配筋意圖的準確表達，但由于二維設計的局限性，對于復雜結構的表達及設計意圖的溝通和傳遞仍有一定阻力。三維配筋軟件采用可視化界面，可直接導入BIM軟件生成的.sat格式三維模型，設計人員按照拆分規則將模型細分為單個構件進行配筋，便于查錯、后期修改和模型替換。配筋完成后，設計人員可在三維模型上通過剖切、投影和軸測等方式，自動生成鋼筋詳圖及鋼筋表，避免了人工統計鋼筋時的錯漏問題。

3.5 虛擬仿真展示

BIM優越于傳統設計的一大亮點是其仿真功能。真實、直觀的仿真模型，能加深各參建方對建設工程的認識程度，促進各方之間的順暢溝通。項目運用BIM+GIS技術，基于Infraworks導入BIM模型及DOM、DEM等GIS數據，搭建工程區及周邊三維場景，快速實現涵蓋各要素的總體布置和多方案比選分析，為工程方案的確定提供了直觀、科學的依據。泵站整體效果良好，達到規劃設計預期。

4 結語

BIM技術不僅是對設計工具的改變，更是對傳統設計思維方式及協作模式的變革。目前，由于設計平臺多樣化、技術積累薄弱及相關技術標準不完善等各方面因素的制約，BIM技術在工程全生命周期的應用仍有許多困難需要解決。研究以童埠智慧泵站工程為例，系統介紹了BIM正向設計的方法及流程，對協同設計組織方式、不同軟件之間數據轉換格式及設計流程進行梳理總結，研究內容可為類似工程BIM正向設計提供可參考的技術路線。

BIM技術應用的核心，是設計成果所攜帶的信息和數據的全生命周期流轉，未來，應進一步挖掘BIM設計成果的信息和數據的應用價值，助力水利行業的智慧化發展，為推動水利高質量發展增磚添瓦。