BIM技术在巴基斯坦Neelum-Jhelum水电工程中的应用
2019-05-20耿庆柱
郭 霄 韩 茁 耿庆柱 许 艇
建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作为目前水利行业的热门理念和技术受到业内的广泛重视。我国BIM 虽起步较晚，但这些年发展十分迅速。对于水利行业，传统的设计图纸还停留在以平面的表达方式进行事物的描述，图纸中信息量较大，某些情况下无法全面地描绘建筑物体型，尤其对于复杂结构，对施工人员读图能力有较高要求。采用BIM 技术，对建筑物体型的表达更为全面；在设计过程中的结构分析和体型的优化也变得更为直观；在施工中对于体型的理解和钢筋、模板安装等变得更为方便。
1 工程简介
巴基斯坦Neelum-Jhelum 水电工程位于巴基斯坦阿萨德查谟和克什米尔州，距首府Muzaffrabad 22 km，距首都伊斯兰堡125 km。电站装机容量963 MW，毛水头420 m，发电引水流量为280 m3/s，引水隧洞长28.6 km，为高水头、长隧洞引水式电站，也是巴基斯坦目前在建的最大水电站。工程由水库、大坝、沉沙池、引水系统、地下发电厂房、尾水建筑物、开关站及附属设施等组成，主要任务是发电。
该项目引水隧洞、调压竖井、发电主厂房、主变洞、尾水洞等均为地下工程，对于岩体的开挖和后期支护都有很高的要求。对于各个隧洞的交叉部位，尤其是不同断面大小和形状的隧洞交叉，体型尤为复杂，利用BIM 技术指导开挖和支护可以显著提升施工速度，减少超挖和欠挖及节约施工成本。
2 施工难题及基于BIM技术的解决方法
项目施工过程中，遇到很多结构或建筑物体型非常复杂的情况。以隧洞交叉段体型为例，从二维开挖图和体型图很难想象具体的开挖轮廓线和钢筋绑扎形式，导致模板制作和施工安装遇到困难。以下列举施工过程中几个代表性问题。
2.1 施工支洞和引水隧洞交叉段
T4 交叉段是引水隧洞和A4 施工支洞的交叉部位。引水隧洞的开挖和衬砌断面形式均为马蹄形，衬砌尺寸为净高9.7 m，宽9.6 m。施工支洞开挖轮廓线为城门洞形，衬砌断面内轮廓尺寸净高5.7 m，宽4.8 m，断面形式为马蹄形。两条隧洞断面形式和尺寸各不相同，仰拱底高程也不同（如图1 所示）。项目施工过程中，钢筋的加工和模板制作、安装都遇到了一定的困难。
图1 T4交叉段三维模型
针对这一问题，利用MicroStation V8i 软件对T4交叉段进行三维建模，辅助现场施工。利用三维模型可以整体、直观地给施工单位展示该部位的具体体型，在任意位置切面（如图2 所示），并与CAD 进行三维模型与二维图纸的交互，可根据要求进行钢筋图的绘制，满足施工需要与要求，以指导现场工人加工与绑扎钢筋。在进行模板加工和安装时，可以根据现场的需要加密各切片之间的距离，利用各剖面实际尺寸指导现场的模板加工和定位安装。
图2 T4交叉段各剖切断面示意图
2.2 引水隧洞岔管段
引水隧洞岔管段是引水隧洞接厂房压力钢管的衔接段。在这一部位有一条引水隧洞分成4 条岔洞连接压力钢管，每条压力钢管和连接平洞呈60°夹角。这部位体型极为复杂，包含不规则的连接平洞、平洞和压力钢管段的连接处的转角体型等，利用传统二维图纸很难全面准确地表达体型信息，使钢筋制安、模板加工及安装受阻，导致施工进度停滞。
对于这一问题同样利用MicroStation V8i 软件进行三维建模（如图3、4 所示），在三维模型的绘制过程中，对部分体型进行了一定程度的优化，使转角与隧洞相交处体型过度更为平顺，减少了水头损失并且降低了施工难度。在实际施工过程中，证明优化后体型较初始设计体型施工更加便捷，缩短了施工工期。
图3 引水隧洞岔管段衬砌三维模型
2.3 首部枢纽汇水渠建筑物
汇水渠位于项目首部枢纽沉沙池末端，其后连接引水隧洞入口，对进入引水隧洞的水流起到汇集和控制的作用，同时底部冲沙廊道还对沉沙池靠近汇水渠入口处的淤积泥沙起到拉沙的作用。
图4 引水隧洞岔管段开挖轮廓三维模型
汇水渠全长91 m，总高度约为40 m。在其内部自下至上分别由排水廊道、冲沙廊道和汇水渠构成。汇水渠的上游测，最下层共有12 个冲沙闸孔直接通向冲沙廊道，并配置有平板闸门；上层设有12 个进水口通向汇水渠，由平板闸门控制，可将经过沉沙池沉淀后的净水引入引水隧洞。建筑物顶部设置3 个HPU 室负责控制进水口的12 个闸门（如图5 所示）。对整个建筑物体型的描述，包含传统的二维图纸110 余张图纸，图纸量较大。
图5 汇水渠建筑物三维模型上游轴侧图
在施工过程中，虽已有大量二维图纸将汇水渠体型参数标注十分明确，但每张图纸只能对某一高程或局部进行描绘和介绍。庞大的信息量导致较难把握汇水渠体型，现场施工困难。针对这种复杂的建筑物，我们同样利用MicroStation V8i 软件进行三维建模，能够展现汇水渠整体及细部模型，使设计及施工人员对内部结构体型（如廊道及排水系统）有更加深刻的认识及直观了解，极大地提高工作效率。
3 结 语
通过此次在实际项目中BIM 技术的应用，利用三维可视化沟通与交流，使业主、设计、监理、施工等各参与方以更直观的方式进行正确地理解、沟通、协调，可有效地提高工作效率，避免不必要的返工与浪费。施工方利用BIM 模型，可使现场技术人员全面熟悉图纸，提前发现可能出现的施工问题，有针对性地选择和优化施工方案。准确可靠的BIM 模型数据，可为施工生产提供可靠数据支撑。
BIM 技术在本项目中只在施工阶段进行配合使用，并没有把BIM 技术中的协同设计这一理念得到充分的发挥和利用。水利水电枢纽设计存在涉及专业多、空间布置复杂、专业间协调困难、不同专业间数据互用性差、团队效率低等问题。随着BIM 技术的不断推广，随着BIM 标准的颁布和不断完善，各专业之间在同一平台上的协同设计将会越来越成熟，项目全生命周期采用BIM 技术将逐步普及。
