BIM技术在毛俊水库工程三维协同设计中的应用

盛晓波

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

BIM技术是引入“工业4.0”、“互联网+”概念和技术，发展起来的一种多维信息模型大数据、全流程、智能化管理技术，是水电工程及大土木工程规划设计、工程建设、运行管理一体化、信息化的最佳解决方案。BIM技术的优势是可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性。BIM技术不仅仅是一个具体软件、一种设计工具的更新和升级，而是整个行业流程的一次革命。

国务院和住建部正大力推广BIM技术的应用，已发文要求“十三五”时期，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。要求加快推进建筑信息模型（BIM）技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用，实现工程建设项目全生命周期数据共享和信息化管理，为项目方案优化和科学决策提供依据，促进建筑业提质增效。

1 项目概况

毛俊水库工程是一座以灌溉为主、结合供水、兼顾发电等综合利用的大（Ⅱ）型水库，工程总投资约28.34亿元，为2014年国务院常务会议部署的全国172项重大水利工程之一。工程位于湖南省永州市蓝山县境内，水库总库容1.165亿m3，灌溉农田2.74万hm2（41.15万亩），水库电站装机容量为11 MW，渠首电站装机容量5 MW。枢纽主要建筑物包括碾压混凝土重力坝、溢流坝、水库电站、渠首电站等。灌区渠系按总干渠、左右分干渠、支渠三级布置。总干渠设计过流量20 m3/s，干渠总长度约120 km。

工程枢纽部分设计采用的是Bentley三维协同设计解决方案，基于多专业协同的工作模式创建水库大坝、厂房、灌溉渠系、建筑、场地及机电等建筑物和设备的三维信息模型，进行模型总装，得到水利水电项目的全信息模型；并基于此模型，进行模型内部及不同专业模型之间的碰撞检查，开展三维校审工作，提早发现冲突；根据三维模型成果抽取二维图、三维轴侧图、材料报表；进行渲染及动画漫游，提交满足工程级要求的可视化设计成果。

2 三维协同设计平台

该项目三维协同设计采用的是Bentley协同工作平台ProjectWise和基础建模信息平台MicroStation，以及一系列建立在该平台之上的、应用于各专业的软件模块，在数据兼容能力、专业覆盖的完整性、企业管理与协同工作以及企业标准化、一体化等方面具有优势。毛俊水库工程三维协同设计所应用到的 BIM软件有 MS、PW、AECOsim Building Designer、Substation、BRCM、PSDS、Solidworks、GEOPAK、PowerGEO、Navigator、LumenRT 等。见图 1~图 3。

图1 毛俊水库枢纽三维模型图

图2 毛俊水库枢纽效果图

图3 湖南院三维协同设计平台

ProjectWise是一款专门针对基础设施项目的建造、工程、施工和运营（AECO）进行设计、建造开发的项目协同工作和工程信息管理软件，是一个流程化、标准化的工程全过程（生命周期）管理系统；与传统的文档管理和协同工作软件不同的是，ProjectWise是一个协同工作服务器和服务系统。该软件主要用于管理各种动态的A/E/C文件内容，进行工作文件的创建与人员权限的管理，以及设计、提资、校审流程管理和工作空间托管等。为同一个团队提供了在同一个环境、同一个标准下协同完成一个共同目标的统一平台。PW通过工作共享、内容重复利用和动态反馈提供业界公认的可扩展优势，高效的协同设计环境，可提高设计质量和工作效率。

3 三维协同设计应用

3.1 项目策划及工作组织

根据毛俊水库工程项目特点、建筑构成、参与的主要设计专业等，对该项目三维协同设计工作进行策划，设定工作流程，确定三维设计的目标、范围、具体内容、模型深度、信息颗粒度、交付的成果和要求，并以此进行任务分解和进度安排，明确应遵循的有关规范、标准以及其他规则与要求等内容。见图4。

图4 毛俊水库工程三维协同设计基本流程

毛俊水库工程依托PW协同设计平台，建立相应的工程项目文件目录，如图5所示。项目管理员对本项目的所有参与者进行权限设置及 “项目角色管理”，对项目下每个文件夹进行“角色及文件夹类型”设置，对项目各专业的审批和提资流程进行设置和管理。创建种子文件、控制性轴线及轴网、标准图框等，制定统一的文件命名规则和模型组装、总装要求。

图5 PW协同设计平台工程项目文件目录

3.2 工作环境推送

基于PW平台的统一工作环境WorkSpace推送，是三维协同设计的重要协同保障手段。通过工作环境推送能够将项目的标准化信息直接推送至参与项目的每一个成员，从而使参与项目的每一个设计人员都能在制图标准、参数化库的选用、材料统计的信息格式、文件命名规范等方面，都服从统一的项目设定。工作环境推送，能够有效地保障工程信息模型的统一性、可交互性，为后续工作提供规范化保障，使得在协同过程中信息的规范化、可读性增强，协同效率更高。

项目开始前，由管理员将定制好的标准化工作空间托管至PW上。工作环境推送保证了在三维协同设计过程中，三维模型的材质、属性、工程量信息、二维出图中的图框图签格式、填充符号、二维符号、线型线宽、文字和尺寸标注的样式统一。

根据毛俊水库工程的项目特点，管理员根据湖南院的制图标准定制了标准化的工作空间，并托管于PW平台上，如图6所示。

图6 PW协同设计平台工作环境推送

3.3 三维建模与组装

水利水电项目设计的参与专业众多，三维协同设计的工作的模式是“并行”加“协同”，一个专业的设计内容是由多个人员分工完成的，各部分完成后，要进行专业内模型组装及检查（包括碰撞检查），检查通过后，形成本专业总装模型，为专业间总装及出图做准备。因此，在项目建模工作开展之前，须由项目设总及各专业负责人共同完成任务分解及工作量估算。任务分解工作要分专业进行，结合设计阶段要求，确定各专业要完成的三维模型、模型精细度、模型总装规则。

测绘专业采用Geopak软件的Site模块对地形数据处理，完成坝址区三维数字地面模型建立，并对形成的三维地模中存在的不合理地方进行处理，通过相关处理达到数据轻量化。

地质专业建模采用PowerGEO软件，构筑毛俊水库工程地质数据库，包括：工程项目、工程地质、工程勘探、工程文件。毛俊水库三维地质模型是在前期测绘专业构筑的三维地形模型基础上，输入基础数据形成各个钻孔和平硐等，形成各个剖面，进一步形成各个地层及岩性分界线、构造面等，最后构成三维地质模型。提供水工和施工等专业使用，也可利用模型进行开挖分析、剖面分析、计算分析、专题分析等。见图7、图 8。

图7 毛俊水库枢纽三维地面模型

图8 毛俊水库枢纽三维地质模型

水工专业建模主要采用MicroStation和AECOsim Building Designer两款软件，依据地形数据、三维地质模型成果，进行建筑物体型设计、开挖面设计、建筑物初步布置，再根据其他专业的资料补充进行详细设计建模、模型组装、总装、碰撞检查。三维模型可导入其他CAE计算软件进行有限元等结构计算。本项目水工专业建立了水库溢流坝、非溢流坝、渠首电站、水库电站、发电引水系统、渠首电站尾水总干渠等建筑物的三维模型。见图9、图10。

图9 毛俊水库枢纽大坝三维模型

图10 毛俊水库枢纽厂房三维模型

水机专业建模主要采用ABD机电模块和PlantSpace Design Series软件，依据水工布置模型、厂房模型成果，进行机电设备参数化设计、管道综合总装，建立了渠首电站和水库电站的主机、辅机、给排水、暖通等三维模型。电气专业建模主要采用ABD机电模块和Substation、BRCM软件，完成了渠首电站和水库电站的电气设备、桥架、电缆敷设、照明等三维模型。金结专业建模主要采用Solidworks和ABD软件，建立了溢流坝、渠首电站、水库电站、发电引水系统、分水闸、退水闸等建筑物的金属结构三维模型。见图11、图12。

图11 毛俊水库枢纽厂房机电三维模型

图12 毛俊水库发电进水口金结三维模型

施工专业建模主要采用GEOPAKSite和MS软件，建立场内交通、场平及开挖三维模型。根据地质资料分析各部分场地的开挖坡比，使用GEOPAKSite中的自动放坡功能提取开挖边界，生成开挖方案。利用三维开挖地形图直观的特点，进行开挖设计优化，最终整理并上传至PW服务器用于工程项目总装。

3.4 碰撞检查及设计优化

毛俊水库工程三维模型综合了各个设计专业的成果，可视化和模拟性非常强。文件统一上传到PW平台上管理，安全可靠。各专业在统一平台上进行三维设计、碰撞检查、逻辑校验，使用的三维模型完整、具有唯一性，减少了内部布置的错、漏、碰、缺现象，从而提高设计的合理性，优化设计。

碰撞检查包括静态碰撞检查和动态碰撞检查。针对静态碰撞，Bentley碰撞检测管理器提供了对三维模型硬碰撞和软碰撞的检测、查看和管理功能。静态碰撞对象的选择支持三种方式：图层、对象选择集以及参考文件。模型总装完毕后，可以直接在MicroStation或Navigator的环境当中来进行碰撞检查。

动态碰撞检查，借助Navigator V8i在3D虚拟环境下检查项目设计和施工能力，也可以针对维修空间、检修通道来进行指定路径的物体运动脚本，模拟正常的人在通道内的运动行走。Navigator的动态碰撞检查工具，将能够全自动分析物体在运动过程当中的隐形碰撞，并通过颜色高亮出来，从而避免在施工和运维过程当中存在的隐患。

3.5 三维协同设计成果

项目团队依据各专业建立的模型，完成模型总装、碰撞检查、三维校审和固化，并根据总装模型进行渲染及动画漫游，提交枢纽总体布置、渠首电站和水库电站的厂区及发电厂房内部渲染效果图和漫游动画视频。

BIM精细化建模后，通过AECOsim Building Designer中的建筑模块给模型赋属性，以及校审固化模型后就可以开展一系列的出图工作，可以采用DEM切图或DV切图方法，经过组图和标注达到设计要求。

通过模型切图，可以快捷、准确地剖切典型剖面图，图形自带材料填充符号，建筑物的剖切与剖视关系准确，避免了二维思维上的盲区。所切二维图也与原模型之间存在着连带关系，同样也带有数据信息，所切二维图会随着模型的更改而自动修改。除此之外，还可利用模型直接输出三维轴测图。

在三维地质模型的基础上，能直接形成钻孔柱状图、工程地质剖面图、工程地质平面图，能自动完成花纹填充，三维模型越精细，二维出图的修改量越小。出图效率极大提高，减少大量的平、剖面不对应的情况。

4 结 语

对于设计院，三维协同设计不仅是一场工具层面的技术革命，也是设计流程和设计理念的革新，BIM技术的应用会带来整个工作模式的变化。BIM技术应用可以使设计成果更直观形象；可以标准化、参数化设计，提高效率；可以多专业协同，提高设计质量，创造效益。BIM技术应用还可以拓展、增值设计业务，向项目全生命周期扩展，创造数字电站、智慧水利。