BIM技术在国际工程凯乐塔水利枢纽项目中的设计与应用

梁春光 陶玉波 郭莉莉

（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450001）

BIM技术在国际工程凯乐塔水利枢纽项目中的设计与应用

梁春光 陶玉波 郭莉莉

（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450001）

凯乐塔水利枢纽是中国在非洲最大的EPC总承包项目，应用BIM技术快速进行方案布置优化，以及以BIM为载体的信息化管理系统，在项目管理方面取得了良好效果。项目实施过程中，通过虚拟现实技术，实现材料表精确统计、数字化虚拟放样、施工方案模拟等数字仿真应用，最大程度地发掘了BIM模型的信息价值。实践证明，BIM技术有效地缩短了工期，降低了施工难度和工程投资，保障了工程的顺利实施。BIM在凯乐塔水利枢纽中的应用思路及方法，尤其是BIM平台定制及信息系统开发对其他国际工程有积极的借鉴意义。

BIM；国际工程；项目管理；水利枢纽

凯乐塔水利枢纽位于几内亚孔库雷河下游凯乐塔瀑布处，凯乐塔水利枢纽采用碾压混凝土重力坝，全长1 145.5m，总装机容量为234.6MW，被誉为几内亚的“三峡工程”。项目的建成投产使几内亚国家的总装机容量翻番，进入能源自给自足的时代。

凯乐塔水利枢纽建设周期长、投资大，技术要求高，参建单位多。工程所在地几内亚位于非洲西部，经济落后、物资匮乏，项目实施需要物资依赖进口，且材料供应商与项目所在地距离远，运输周期长。建筑材料的精确统计，按期运输到位是项目顺利完成的前提。工程业主方、监理方、EPC总包及分包单位来自不同的国家，各方都有及时掌握项目信息的需求，对各方关注的问题及时沟通、协调、解决。这些国际工程的特性决定了BIM（Bduilding Information Model）技术在工程实施管理中发挥重要作用。BIM技术的成功应用，可显著降低国际工程的风险。

BIM是以三维数字模型为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的数据模型，是对工程项目相关信息的

详尽表达。建筑信息同时又是一种可应用于设计、建造、管理的数字化方法，可以使建筑物工程在整个进程中提高效率和大量减少风险。

本工程首先在基于公司标准的BIM平台上建立模型，然后结合自主研发的、以BIM模型为载体、以互联网通信为基础的信息化管理系统，进行设备招标管理、施工进度模拟、文函管理等。最后在项目实施过程中，通过标准规范化三维出图，BIM多专业协同碰撞检查，数字化精细建模统计材料表，三维复杂体型配筋，建筑物水力学模拟等，最大程度地发掘BIM模型的信息价值。BIM技术有效缩短了工期，降低了施工难度和工程投资，保障工程的顺利实施。本文重点总结BIM在凯乐塔水利枢纽中的应用思路及方法，尤其是BIM平台定制及信息系统开发对其他国际工程有积极的借鉴意义。

1 搭建基于公司标准的BIM平台

BIM平台的核心思想是所有设计专业协同工作和信息共享。各个专业在统一的交付标准和过程控制下进行业务协同。BIM平台定制包括环境资源、信息资源、业务流程、业务协同、交付标准和过程控制定制六大板块，探索出符合公司标准及项目特色的BIM应用方法。

1.1 客户化环境统一搭建

基于服务器的设计环境统一搭建，实现环境文件统一管理，从底层控制BIM文件结构。以项目为单位在统一的标准下建立BIM模型，效率和质量都大幅提高。

客户化环境搭建流程如图1所示，项目按照企业执行的相关标准及项目特色定制环境文件，如定义设备材料清单统计时的设备类型和参数类型，定义设备库文件路径及解析路径，定义各专业设备默认命名格式和颜色等。环境控制文件定制完毕统一存储在网络服务器上，各个专业在设计时通过访问服务器获取环境文件，从而统一管理控制整个项目各台计算机的设计环境，规范BIM数据结构，提高设计效率。

图1 以项目为单位定制环境

1.2 信息资源统一定制

全面按照公司标准定制并升级水机电气等各专业设备库，使其完全符合现行的企业标准及项目标准。信息资源定制主要包括设备库定制、管线及管件规格定制。设备库的建立可以使知识快捷重复应用。在实际工程应用中，应不断积累，建立各种形式的模板，集中进行模板库管理。设计时根据需要轻松调取模板，提高工作效率。设备库中的设备应具有几何信息和属性信息。管线及管件规格应根据项目采用的管线标准进行定制，如定制管道公称直径、压力等级、材料、转弯半径等属性。图2所示为信息资源定制及应用流程，信息资源的成功定制，在设计过程中可应用信息资源快捷高效地进行设备布置及管道敷设、统计材料表，极大地提高了对于复杂管道的设计效率。

图2 信息资源定制及应用流程

1.3 业务流程的开发

标准化厂房设计系统等业务流程的开发是对传统的三维参数化建模设计手段的全面升级。传统参数化建模其基本思想是以约束来驱动产品模型的形状特征，通过修改这些变量来创建一些形状相似的零件，相对于二维设计提高了设计柔性。但是，在应用中通过不同的参数化模板创建BIM模型时，各个模板之间的参数协调及关联是工作难点。

如图3所示，标准化厂房设计系统应用二次开发手段创建人性化的设计界面，通过尺寸的关联、规则的应用及规范的嵌入等方法可将设计规范嵌入到程序中，监督设计过程，实行人机对话，根据需要调取模板库中符合设计要求的模板，程序自动关联协调不同模板间的参数值，一键生成所需的BIM模型。可将用户的已完成的工程生成工程实例库，可为相似的工程提供技术支撑。

图3 标准化厂房设计系统

2 利用BIM对设计方案进行优化

BIM模型的建立，可以准确地展示施工现场的地形地貌、工程建筑物和施工设施的分布位置、材料运输途径等具体信息。BIM让不同专业的配合更加紧密精细，分工协作提高工作效率，使技术人员脱离繁杂的图纸，增加思考时间。BIM模型的三维可视化，可有效地表达设计意图，方便进行沟通、讨论与决策，进行多方案比选。

2.1 利用BIM模型对总布置方案及施工导流方案进行重大优化

BIM模型的建立能形象、准确地展示工程布置，BIM模型是实现水利水电工程方案布置优化的前提。通过BIM深入设计，发现原方案工期长、度汛风险大，而且使得原FRAN瀑布永久消失。若将此方案布置在SONGO河湾的泄洪底孔，移至电站引水口左岸的FRAN BANGA河湾，则凯乐塔水利枢纽可以简化为两期施工导流。相比原四期导流方案，一期围堰防洪标准提高到二十年一遇的洪水，且导流期长达3a，基坑防洪及整个施工期安全水平大大提高。现两期导流方案大大简化了导流程序，在工期控制上更加灵活。施工控制节点大为减少，为控制工期、均衡施工强度、电站连续施工创造了良好的施工条件。

2.2 利用BIM模型对设备布置进行优化

通过三维设计技术，设备库可有效地对同类设备进行系列化建模，并利用专业环境，融入知识工程，快速进行管道敷设且无需进行合规性验证，从而大大加快了设计进程。在三维环境中利用虚拟布置的方式改善原方案布置形式，新布置方案充分利用了空间，根据全场的总体规划要求，保留了合理的设备空间和净空要求。设备布置和安装符合安全生产和环境保护要求，为后续施工、操作和维修提供方便，给操作人员创造良好的操作条件，如图4所示。

图4 利用BIM模型对设备布置进行优化

3 具有自主知识产权的综合管理信息系统助力信息传递

基于BIM技术的信息管理模式打破现有工程项目管理中的屏障，集成工程项目各阶段、各关键指标、各组织、各专业和各项目的信息融合，形成更加广泛的集成，协调工程项目系统目标、外部资源、内部资源的信息流网络［1］。BIM为项目的生产和管理提供了大量可供深加工和再利用的数据信息，有效利用和管理这些海量信息和数据需要信息化管理系统的支撑。以BIM数据架构为基础的项目协同和管理平台，为设计师、建筑师、承包商、开发商等各环节参与人员提供“模拟和分析”的可视化科学协作平台，帮助他们利用三维数字模型对项目进行设计、建造及运营管理［2］。凯乐塔综合管理信息系统正是基于这个思想，使用人员根据自己的角色，设计、施工或运营，用不同的用户名登陆，具有不同的功能，界面如图5所示。

图5 综合管理信息系统界面

3.1 综合管理信息系统的原理

BIM的核心价值在于信息传递，如图6所示，本项目根据项目特点自主研发了信息化管理系统。该系统以BIM模型为载体，以互联网通信为基础，为处于全球各地的项目人员传递信息提供了平台。从项目全生命周期的综合效益角度分析，有3个时间段能够最大化BIM效益，分别是设计阶段、施工阶段、运营阶段［3］，凯乐塔综合管理信息系统正是基于此构建了基于这三方的三大模块，具备项目管理、招投标管理、设计管理、项目图文资料管理等管理功能。

图6 基于互联网通信的信息传递

3.2 综合管理信息系统模块功能

3.2.1 设计模块。设计模块主要包括图纸的上传检索、模型关联、出图状态查询，设备信息上传检索、设备状态查询，设代数据、现场照片、来往文函的上传检索等功能。

3.2.2 施工模块。施工模块主要包括施工期资料的上传检索、4D进度监控（虚拟建造、进度录入等）、物资动态管理等功能。

表1工程量清单

3.2.3 运维模块。运维模块主要包括竣工图纸的上传和检索、设备巡检和设备维护管理功能。

上述三大模块的功能都与BIM模型关联，点击模型可以进行交互式查询或输入，在模型中查看出图状态、设备状态、实际进度等。

4 BIM技术的拓展应用，深度挖掘BIM模型价值

4.1 “设计零碰撞”保证工程顺利实施

模型有效解决错漏碰等二维平面设计常见问题，三维设计软件自身具备碰撞检查、距离和区域分析等功能，在设计过程中通过报表和实体模型相结合，迅速将碰撞检查信息反馈给设计人员。如图7所示，提示滤水器与法兰之间有0.001 6m的冲突。该方法在实际运用中，有效地缩短了工期，降低了施工难度和工程投资，保障工程的顺利实施。利用BIM技术在水电站厂房设备及管道布置优化设计中有显著的优点，对国内、外的类似工程具有广泛的推广和应用价值。

图7 冲突检查

4.2 精细化建模快速统计材料表指导采购

凯乐塔项目所处区域经济落后、物资匮乏，项目实施需要物资依赖进口。建筑材料做到精确统计，按期运输到位是项目顺利完成的前提。

在完成三维设计后，可根据设备模型和管路模型的内蕴属性信息，通过软件自身的报表统计功能，按照制定的材料统计表生成样式，可以快速生成满足专业要求的材料表如表1所示。

4.3 BIM模型指导施工

BIM为施工方提供了更好的可视化表达方式及有效的沟通协调平台，减少施工冲突，降低施工风险，提高施工效率维护施工质量。三维可视化功能加上时间维度形成4D模型，可进行进度模拟，直观对施工计划与实际施工进行对比。如图8所示，对于体型特别复杂，施工难度高的关键部位如蜗壳部分，2D图不容易表达复杂形状结构及配筋方式，在BIM模型的基础上进行三维配筋，不仅可以预先虚拟放样，还可以自动统计钢筋工程量表，保证施工质量和精度要求。

图8 BIM模型指导施工

4.4BIM与计算模拟相结合

三维模拟商用软件如ANSYS的前处理功能相对较弱，对于较为复杂的体型，建模的基础工作占据整个模拟工作时间比重大。需要模拟更为复杂的应力场或流场时，往往占据时间更多。BIM模型体型完全反应工程实际体型，通过分析可对BIM模型细节进行简化或在BIM模型的基础上建立模拟区域，可节省大量时间，提高模拟效率。图9所示为凯乐塔电站引水发电系统的BIM模型，特别是蜗壳部分，体型结构异常复杂，使用模拟软件建造体型费时费力，若在BIM模型的基础上进行布尔运算，可轻松建立流场模拟区域（见图10），节省时间。

图9 引水发电系统BIM模型

4.5 BIM模型超越语言障碍

凯乐塔工程规模大，布置复杂，设计繁杂，且设计、咨询、施工等各方来自不同的国家，语言不同，教育背景不同，思维方式不同，顺畅的沟通协调是保证工程顺利实施的前提。BIM整合所有的信息，保障协同沟通信息源的唯一性。BIM模型的可视化可清晰地表达设计成果、现场施工情况、设备招标情况等。而且BIM模型可以作为渲染模型的基础，大大提高三维渲染效果和效率，可生成高清图片、视频等工艺动画或建筑功能展示，展示方式灵活，信息密度高，在国际项目中超越语言障碍方便沟通。

图10 引水发电系统模拟区域

5 结语

国际工程较一般国内工程对BIM的设计与应用需求更加强烈。应用BIM技术快速进行方案布置优化，降低了施工难度和工程投资，保障了工程的顺利实施。尤其是以BIM模型为载体，以互联网通信为基础的信息化管理系统，为处于全球各地的项目人员传递信息提供了平台，加强了项目的管理，降低了工程风险。在项目施工过程中，深度挖掘BIM技术价值的思路和方法，对国内外的类似工程具有广泛的推广和应用价值。

［1］李勇，管昌生.基于BIM技术的工程项目信息管理模式和策略［J］.中国管理学报，2012（8）：17-21.

［2］陈宇军，刘玉龙.BIM协同设计的现状和未来［J］.建筑设计信息化，2010（2）：26-29.

［3］孙悦.基于BIM的建设项目全生命周期信息管理研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

The Design and Application of BIM Technology in the
International Engineering Water Conservancy Project in Kaleta

Liang ChunguangTao YuboGuo Lili（Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450001）

Kaleta project is the largest EPC project in Africa which building by Chinese,we have achieved good re⁃sults in the application of BIM technology to quickly carry out the program layout optimization,and BIM as the carri⁃er of the information management system in the project management.In the project implementation process,through virtual reality technology,to achieve material accurate statistics,digital virtual layout,construction scheme simula⁃tion,digital simulation,the information value of the BIM model was discovered in the greatest degree.Practice proved that the BIM technology could shorten the construction period,reduce the construction difficulty and project invest⁃ment,and ensure the smooth implementation of the project.The application of the ideas and methods of BIM in Kale⁃ta,especially BIM platform customization and information system development has positive significance for other in⁃ternational engineering.

BIM；international engineering；project management；water conservancy project

TU17

A

1003-5168（2016）10-0036-05

2016-09-16

梁春光（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：水利水电工程设计。