BIM技术在大坝工程设计中的应用探索

费 胜, 陈 堃

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230088)

我国是一个地域广阔的国家，各地水文、地形、地质条件差异很大，在大坝的设计过程中需要根据当地的实际情况进行方案的制定，而不能简单地套用现成的方案。同时，大坝工程往往影响众多人民群众的生命和财产安全，并且会耗费几十亿、几百亿的资金和2、3年的时间，因此大坝设计方案必须综合考虑安全可靠性和经济合理性。目前，对于修建在复杂的地形、地质、气象条件下的大坝工程，通常采用水工模型试验的方法验证设计方案，但该方法成本高，周期长，而且无法通过改变参数来进行方案比较和方案优化，所以迫切需要更先进、精确的设计方法对水利水电工程水工建筑物进行设计和计算分析。

近几年，随着计算机技术的快速发展，通过计算机建立三维模型、进行数据分析等等，在人类生活和生产的重要环节中产生了越来越广泛的影响。BIM 技术具有直观形象、工程量计算精确、方便设计修改、重复利用、结构有限元数值分析等诸多优点，逐渐被人们所接受[1]，具有广阔的应用前景。

本文利用BIM技术，通过安徽省黄山市月潭水库工程实例，实现对大坝工程的三维协同设计。通过数据转换，实现设计模型和结构计算模型的资源共享、优势互补，充分利用已有模型进行有限元计算及仿真分析，进而指导三维协同设计，优化设计方案。

1 三维协同设计

安徽省黄山市月潭水库工程三维协同设计基于Bentley系列软件，借助ProjectWise协同设计平台进行交互和协作。

月潭水库工程运用BIM技术，通过编制三维信息模型设计应用标准进行三维协同设计，解决复杂的空间布置、多专业协同问题、规范设计管理流程[2]，建立项目标准化工作环境、统一的坐标系统、定位原则、项目标准库、文件目录结构等；然后依据项目文件命名规则，根据设计任务的分配，在协同设计平台上创建设计文件，项目设计人员只需在对应的文件里面进行各专业设计工作，而无需自行创建文件。这种利用统一创建的文件有利于保障文件命名遵循“见名知意”原则，又便于分类组织和检索的要求，提高协同沟通效率。

在协同设计平台中，各专业设计人员根据各自权限查看、调用、参考、提交、校审相关设计文件。项目设计模型初稿完成后，由项目负责人组装各专业模型，进行碰撞检查，相关专业根据碰撞检查的结果进行修改，然后再次进行检查，直至没有碰撞问题出现，该设计模型才算定稿，最后进行二维出图、工程量统计、渲染以及模型发布等工作。

1.1 协同建模成果

安徽省月潭水库工程三维协同设计应用范围包括了勘测三维协同设计、枢纽三维协同设计、发电厂房协同设计等设计领域，涵盖勘测、水工、建筑、水机、电气、金结等多个专业。多个专业的三维模型如图1所示。

图1 多个专业的三维模型

在月潭水库工程三维协同设计中首次运用三维地质模型。三维地质模型的建立，可以逼真地模拟地形地貌的变化特征，直观地展现地下空间中的地质构造形态特征和各要素之间的空间关系[3]，并且能够逼真地呈现出地层面、断层面、褶皱等复杂的地质构造形态，能清晰形象地观察了解所关心的地质现象，直观、准确地表现水电类工程复杂的地质空间构造情况，为工程设计提供直观、可靠的依据。

1.2 三维模型应用

(1)碰撞检测。它是三维协同设计的一个重要功能。在二维图纸时代，因为可视化的有限，往往需要设计人员靠自己的空间想象力以及经验去设计，导致设计不合理。随着BIM技术的可视化出现，大大克服这种情况。在工程设计过程中能够依据总装的三维模型逐一的进行空间冲突与分析，以利解决各专业细部冲突，根据模拟分析结果，提早进行设计修改，减少施工阶段变更设计，提高设计质量。

(2)工程量统计。工程量是工程投资计算的基础[4]，水利工程中一般采用人工计算工程量，这种计算方法存在人力投入大、重复低效、容易出错、校审困难等问题。进入三维设计时代后，项目管理人员只需设置项目规则，如构件清单、类别样式、计量单位、计算方法等材料样式模板如图2所示。，然后直接利用模型对象的几何属性和工程属性，统计模型工程量输出报表如表1所列。

图2 材料样式模板

项目分类数量/m3单价/元合计/万元大坝C15坝体混凝土951205004756大坝C20混凝土垫层8170540441大坝C25坝顶防浪墙1025806大坝C25坝后桥栏杆475803大坝C25钢筋混凝土边墩3120580181大坝C25钢筋混凝土中墩9320580541大坝C25钢筋混凝土廊道3525580204大坝C25上游防渗7744580449大坝C25溢流面4110580238大坝C30二期混凝土605803底孔C25底孔周边8450580490底孔C25进口闸门井2035580118底孔C25进口板梁柱41258024底孔C25出口闸门支撑梁1445808底孔C25出口板梁柱50258029底孔C30二期混凝土76158044总计7536万元

(3)切图出图。三维设计模型定稿后，设计人员可以从中生成各专业所需的二维图纸，而且生成的二维图形与三维模型始终关联，从而在三维模型改变时，二维图形能随着自动修改，使设计人员能够从重复而繁琐的制图工作中解脱出来，提高出图效率。同时与传统的二维图纸相比，三维图纸更能直观地展现结构特征和各要素之间的空间关系，降低了专业上的沟通难度，提高方案汇报的效果。

1.3 CADCAE交互

CADCAE交互，也是三维协同设计中使用者最关心的。通常我们所说的CAD软件指的是用来进行计算机辅助设计及绘图的软件，如MicroStation Revit Catia Solidworks UG Autocad 等，目前市场上流行的几大基础设计软件平台及架构在这些平台上的各种专业应用设计软件都属于CAD软件范畴。而CAE软件指的是计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、动力响应、弹塑性等力学性能的分析计算软件。在水利工程设计领域，一般通用的大型计算分析CAE软件通常有ANSYS FLAC_3D ABQUS FLUENT Midas等。

通过CAD与CAE之间的数据接口进行模型转换，实现两个软件在模型建立和结构计算上的资源共享、优势互补[5]，充分利用已有模型进行有限元分析，进而作为结构体型优化的依据。

CAD和CAE软件中对三维模型表现内容的需求不尽相同，因此，在将CAD创建的模型导入CAE软件进行结构计算的过程中，必须进行模型改造，以适应有限元结构计算的需要。

图3 三维设计模型

(1)模型导出。以月潭水库③号坝段为例，利用Bentley系列软件完成三维设计模型的建立，在模型转换之前，删除模型中不必要的细节，譬如装饰栏杆、路灯等，然后导出模型。三维设计模型如图3所示。

(2)模型导入。月潭水库工程CAE软件选用大型商用有限元分析软件ANSYS，该软件前后处理以及分析计算功能强大。将简化后的三维设计模型导入ANSYS软件后，首先需要进行坐标系调整，然后建立地基模型，补充完整结构计算模型。结构计算模型网格划分如图4所示。

(3)计算分析。在计算模型中，定义单元类型、材料属性，根据月潭水库大坝结构特点以及材料分区进行单元网格划分，设置不同工况条件下的荷载、约束，进行大坝结构计算。有限元计算结果，如图5所示。根据分析结构变形及应力情况，为结构优化设计和方案合理性提供技术支撑。

图4 结构计算模型网格划分

图5 有限元计算成果

5 结束语

本文以月潭水库工程为例，通过协同设计平台，建立枢纽建筑物三维模型，完成三维协同设计，实现了三维设计建模、三维动态切图出图、碰撞检查等。同时，利用三维协同设计的模型为基础，应用通用的有限元分析软件进行结构计算及仿真分析，为三维设计技术的应用积累经验，为工程设计提供参考。

由于本文工作属首次利用三维设计软件完成大坝工程的三维协同设计，有些方面的工作尚待研究，如CAD与CAE的数据转换，目前仅仅实现CAD向CAE之间的单向转换，很难将CAE结构计算成果在三维设计CAD软件里进行综合展现，因此，今后有必要深入研究CADCAE的一体化技术，这对提高工程设计效率和质量将有非常大的意义。