两河口水电站数字化设计与应用

敖 翔， 王 蕊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

两河口水电站数字化设计与应用

敖 翔， 王 蕊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

近十年来BIM技术在国内建筑、市政等领域获得了快速发展，但是由于水电工程周期长、范围广、体量大、专业多、关联方多等特点，BIM的应用难度比一般的建筑、市政工程更大。本文以两河口水电站数字化设计与应用为例，简述了BIM技术在水电工程生命周期里，以模型为核心，将多方数据有效组织、管理、流转、利用起来，为工程服务的工作思路和成果。

两河口水电站；BIM；三维协同设计；标准体系；管理体系

0 前 言

BIM(Building Information Modeling——建筑信息模型)，是一个建设项目物理和功能特性的数字表达；是一个共享的知识资源；是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

近十年来，BIM技术在国内建筑、市政等领域获得了快速发展。2014年9月，北京市颁发了《民用建筑信息模型设计标准》(DB 11/T 1063-2014)；2016年8月，住建部印发了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》。“十三五”期间，我国将全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力，建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展，初步建成一体化行业监管和服务平台，数据资源利用水平和信息服务能力明显提升，形成一批具有较强信息技术创新能力和信息化应用达到国际先进水平的建筑企业，及具有关键自主知识产权的建筑业信息技术企业[1-2]。

水电工程由于周期长、范围广、体量大、专业多、关联方多等特点，BIM在其中的应用难度比一般的建筑、市政工程更大。两河口水电站数字化设计与应用以模型为核心，将水电工程生命周期里的多方数据有效组织、管理、流转、利用起来为工程服务，取得了较好的效果。

1 成都院数字化设计概述

1.1 数字化设计平台

成都院建立了以达索PLM为基础平台,以CATIA/GOCAD/REVIT等为工具的技术体系。水工以CATIA为主、地质以GOCAD为主、机电厂房以REVIT为主，各专业采用便于集成的专业工具创建信息模型，在协同平台上进行综合集成，形成工程数据中心，为工程设计应用和全生命周期管理提供数据支撑，平台基本架构如图1所示。

1.2 数字化设计标准体系

成都院依托实际工程，从设计、施工、运维三方面对三维数字化设计方法、流程、质量保证等各方面进行深入研究，逐步形成了一套适合水利水电行业的数字化标准体系。三维数字化标准体系如图2所示。

其中设计技术标准主要包括：协同设计环境管理技术标准、通用三维设计技术标准、专业三维设计技术标准、多专业协同设计技术标准、工程BIM与数字移交系统建设技术标准等。

(1)三维协同设计应用技术标准：涵盖三维设计资源、三维设计流程、三维设计行为、三维设计交付、管理流程和质量控制等；

(2)企业级作业流程标准：包括枢纽布置设计流程和厂房综合布置流程；

(3)专业级作业指导书：包括测绘、地质、拱坝、堆石坝、重力坝、引水及泄水建筑物、厂房及尾水建筑物、水机、通风、金结、电气、施工、建筑、监测等专业作业指导书300余项。

图1 成都院数字化协同设计平台系统架构

图2 成都院三维数字化标准体系

通过逐步健全的标准体系，成都院数字化设计逐步实现作业流程标准化、设计表达规范化、企业知识固态化、信息归集多元化。并且，通过工程数据的不断汇集，逐渐形成了企业级的工程数据中心(PDM)，为工程生命周期管理提供数据支撑。

1.3 数字化设计管理体系

水电工程数字化是传统行业的技术创新，同时也是流程创新、模式创新。数字化设计涉及到流程再造、部门责任分工、项目运行管理模式的改变等问题，还涉及到专业利益和项目整体利益、短期利益和长期利益的问题。为了更好地推动数字化设计的发展，成都院逐步建立了配套的数字化设计管理体系，主要包括以下几个方面：

(1)人力资源保障体系：成都院三维数字化设计工作由院级领导主管，生产管理主要涉及到勘测设计管理部、数字工程与信息技术中心、项目部和相关专业单位。生产组织上以项目为核心，以专业为主体。工作组织体系如图3所示。

图3 成都院三维设计工作组织体系结构

专业单位负责需求与应用；数字工程与信息技术中心负责软件开发和维护；勘测设计管理部负责三维设计生产任务的管理；科技质量部负责技术研发管理。

(2)政策、制度管理体系：奖罚并重，一方面通过设置三维设计专项产值基金对开展三维设计的生产项目进行奖励；另一方面规定具有三维生产任务的项目必须拿出一定比例的生产产值作为项目年度三维设计专项产值，对于完成情况不好的项目予以扣罚。

(3)科研、竞赛保障体系：通过定期举办院级BIM大赛、青年科技基金项目等活动推动技术交流与进步。

(4)技术保障体系：设置数字工程与信息技术中心，为每个三维设计项目配置三维设计助理，负责数字化设计解决方案的研究，负责各项数字化设计任务的推进与考核。

2 两河口项目数字化设计及应用

2.1 项目概况

两河口水电站位于四川省甘孜藏族自治州雅江县境内的雅砻江干流上，为我国大型水电能源基地雅砻江干流中、下游的控制性水库电站工程。坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2 km河段，距成都约536 km。

两河口水电站坝址控制流域面积6.57万 km2，水库正常蓄水位2 865 m，相应库容107.67亿m3，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。电站装机容量300万kW，多年平均年发电量为110.0亿kW·h。

工程为一等大(1)型工程，以发电为主，兼顾防洪，枢纽建筑物由土质心墙堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、发电厂房、引水及尾水建筑物等组成。心墙堆石坝最大坝高295.0 m，发电厂房为地下式，厂内安装6台混流式水轮发电机组[3]。

2.2 数字化设计

两河口水电站数字化设计工作自2004年开展以来，历经预可研、可研、招标、技施四个阶段，测绘、地质、坝工、水道、厂房、施工、交通、机电等多专业参与，形成了一套从三维设计、三维校审到设计分析一体化、工程算量、工程出图、施工仿真、数字移交等系列应用。

(1)工作组织：为了更好地服务工程，2015年7月项目部成立了“两河口BIM技术中心”(见图4)并组建数字交付部，交付部下设地质、坝工、水道、厂房、建筑、施工、机电等专业负责人，负责项目三维数字化工作。

项目部通过编制年度计划、定期考核、总结等措施，持续完善三维数字化工作流程，保障三维数字化产品的质量，详细工作流程如图5所示。

图4 两河口设计楼及两河口BIM技术中心

图5 两河口项目三维数字化设计任务流程

(2)多专业协同设计：两河口项目基于CATIAamp;VPM协同设计平台，实现地质、水工、施工、机电等多专业参与的枢纽布置和施工总布置三维协同设计。成都院的三维设计采用自顶向下的工作分解与自底向上的协同设计思想，具体实现方法如下：

①项目结构树定义：项目部制定年度三维设计工作目标，各专业根据项目目标，分专业、部位、结构逐级对计划进行拆解，形成年度三维设计任务表，最后在VPM协同设计平台上搭建与工作计划对应的GCO及模型结构树，实现自顶向下的工作分解模式。三层任务分解与对应关系如图6所示。

②骨架控制：项目协同设计过程中，通过三级骨架实现自顶向下的模型驱动。基于骨架元素的发布、引用机制，实现专业与专业之间、专业内部之间以及结构之间的参数级协同设计。三级骨架包括项目骨架、专业骨架和结构骨架，如图7所示。

图6 两河口项目任务分解表、GCO、模型结构树

图7 三级骨架搭建、骨架元素发布和引用

③参数化设计：各专业处室普遍采用参数化设计思路，实现模型的快速修改和复用，如图8所示。参数化的模型还能固化设计标准、传承设计经验，逐步积累，形成企业知识库，成为企业的核心竞争力。

(3)主要成果：两河口项目根据计划，目前已完成枢纽布置模型(见图9)、施工总布置模型(见图10)及厂房-机电布置模型(见图11)，完成近300条三维设计任务，实现了三维设计、三维校审、设计分析一体化、工程算量、工程出图、施工仿真、数字移交、项目全生命周期管理等系列应用。

(4)三维出图：两河口项目2016年1月1日～11月30日期间，地质、水工、施工、机电等专业共交付270张三维图纸用于指导工程现场施工。由于三维图纸具有优秀的设计成果表达能力，在施工现场取得了良好效果，如图12、13所示。

图8 表孔检修闸门参数化设计

图9 两河口水电站枢纽布置模型

图10 两河口水电站施工总布置模型

图11 厂房-机电综合布置模型

图12 引水进口结构和3号补气洞开挖支护示意

图13 两河口机电出图

2.3 数字移交

项目部以设计模型为基础，按照不同的功能需求对模型进行再次加工，赋予模型一定属性及信息，形成特定用途的数字移交产品，用于生产管理，既延伸了设计企业的生产线，又为项目提供了信息增值服务，受到了业主的一致好评。

目前，根据勘测设计合同，项目部按月提交最新的项目三维设计模型、用于反映现场各标段施工进度的施工面貌模型(如图14所示)，以及方便业主进行进度、质量管理的工程分标模型、年度计划模型等共22套。

图14 引水发电标、开挖Ⅱ标施工面貌数字移交产品

2.4 施工仿真

两河口项目大坝填筑工程量大，料场分散，料源性状复杂，利用基于CATIA的三维精确模型、采用离散系统仿真原理[4]，全参数化驱动的动态分层分块、图形化仿真建模、进度仿真核心算法、2D+3D可视化查询、统计分析报表及与其他数字化系统的接口等功能模块。具备场内交通模拟、大坝填筑过程模拟和土石方调运过程模拟功能，能根据大坝填筑工艺、外部环境、供料、填筑设备、料性匹配、道路布置等条件，分析场内道路的运输强度、排队概率、路口拥堵程度，用于场内交通布置优化和方案论证；分析大坝填筑进度、填筑机械配置及利用率、料物供应强度，用于工期规划、土石坝调运计划优化、施工资源计划等。

适应性：可应用于直心墙堆石坝、斜心墙堆石坝、面板堆石坝等所有当地材料坝类型，可为业主、监理提供进度控制工具，论证进度计划的合理性，辅助进度决策，为设计、承包商提供工期规划、制定进度计划、分析制约因素的工具，为土石坝稳定与沉降分析、施工定额计算等科研工作提供详细进度计划。

技术特点：数字化、自动计算、快捷、准确、直观。

系统优势：具有成熟、通用的核心仿真算法，直观、高效的可视化仿真模块，能充分发挥设计院的优势，实现与设计的无缝衔接。在瀑布沟、双江口、两河口等大型土石坝工程的设计或实施中应用、验证和优化，除一般仿真系统的优势外，更具有高可靠度、科学、高效和对现场的有效指导等特色(见图15)。

技术先进性和推广价值：对当地材料坝工程的场内交通和填筑进度分析具有通用性，在当地材料坝的建设中具有广阔的推广应用价值。

图15 两河口水电站施工仿真系统

2.5 计划管理

以项目三维设计模型为基础，采集如单元工程开工、完工时间、单元工程量和投资等信息，按分项/分部工程将相应单元工程的进度信息整合，形成分项/分部工程实际进度信息和进度形象，可应用于以下三方面：

(1)按分项/分部工程进行以单元工程为基础的工程进度仿真分析。

(2)将里程碑、年、月进度目标输入系统，与实际进度形象进行对比分析，对比各目标工期滞后/提前天数、对比主要工程量计划/实际完成量、对比分析与预警关键线路、预测分析目标保证率，提供辅助决策分析。

(3)通过可视化平台，直观展示工程实际形象面貌，查看已发生或计划的施工过程情况，如图16所示。

图16 进度仿真及计划管理

采集和处理施工过程测量数据，辅助生成施工单元三维模型，并利用系统三维空间算量功能计算单元工程量(主要是填挖的方量，如有单元工程内的材料构成信息，可分解计算其他工程量；对于规则的单元工程，可直接利用设计单元三维模型进行空间量算，计算单元工程量)，以方便项目业主快速复核施工单位申报的工程量；

以单元工程为基础，将单元工程涉及工程量支付项目按工程量清单进行分解，然后进行工程量分类汇总，计算实际完成工程量所占合同工程量比例，辅助进行工程量与工程形象对比；

集成已建的工程管理信息系统中的概算分解数据、工程量计量和合同支付信息等，形成项目概算和合同、单元工程等的关联，系统可实时出具概算的执行情况、合同的投资完成情况并分类分项对比分析，提供生成投资统计报表和结算预警等辅助功能(见图17)。

图17辅助计量及投资辅助控制

2.6 施工信息集成

两河口项目以工程区域基础地理信息和枢纽工程三维数字化模型为基础，集成工程建设信息，实现以下功能：

(1)根据工程建设管理面对的不同层级空间对象和管理实际需要，如单位工程、分部工程、分项工程、单元工程等，数字化采集和管理各空间对象的质量、进度、投资、工程量等工程建设管理数据和关键工序的实时监控数据(支持用户根据空间对象层级及类型，主要是单元工程类型，定义具体空间对象关联的数据)。

(2)进行数据挖掘分析利用，为工程建设精细化管理提供决策信息支持和关键施工过程实时监控预警。

(3)按照统一制定的空间对象及其数据编码规则实现数据与空间对象关联管理。

(4)实现在三维可视化与信息集成展示平台上对管理的空间对象进行其建设管理数据及实时监控数据的可视化查询展示，以及具有时间轴属性数据的动态过程三维演示(见图18、19)。

图18 施工计划管理

图19 施工质量监控及预警

3 结论与展望

两河口水电站数字化设计与应用是BIM技术在水电工程建设领域的一项深入应用。一方面，延伸了传统水电工程设计企业的服务周期，创新了企业的产品和服务，为企业创造了更多的价值；另一方面，新方法、新技术的使用为设计、施工、监理、业主、政府等工程建设各方提供了一个信息流转平台，在一定程度上优化了项目资源配置，改变了项目生产组织模式，提高了项目整体收益。

目前BIM技术仍处于高速发展期，互联网+工程的时代终将到来，水电工程行业应紧跟时代潮流，夯实各项标准，逐步规范各方数据，纵向打通全过程，横向融入全角色，逐步实现覆盖工程生命周期全领域的BIM应用。

[1] DB 11/T 1063-2014,民用建筑信息模型设计标准[S].2014.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.2016-2020年建筑业信息化发展纲要[Z].2016.

[3] 余挺,金伟,等.四川省雅砻江两河口水电站可行性研究报告(工程布置及建筑物)[R].成都:中国水电工程顾问集团成都勘测设计研究院,2013.

[4] 张志伟,冯奕,尹习双.水电工程信息模型创建方法研究[J].四川水力发电, 2016(1): 74-77.

2017- 01- 06

敖翔(1980-)，男，湖北十堰人，硕士，工程师，从事水电工程三维设计、BIM技术研发与应用。

TV222.2

B

1003-9805(2017)04-0023-09