BIM正向设计在湘河水利枢纽工程中的应用

杜九博，李玉莹，常倩倩，杨士瑞

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

近年来，BIM技术以其显著的优点在我国各行各业发展方兴未艾，在大型水利工程项目上的应用也越来越多。由于平台建设、各设计软件的融合衔接等原因的限制，实践中真正实现从项目构思到项目成果交付，全正向设计的BIM应用还较少，更多的BIM项目还停留在翻模、可视化效果展示等阶段。本文详细介绍了西藏湘河水利枢纽工程BIM正向设计的全过程，为水利行业BIM发展提供借鉴。

1 工程概况

湘河水利枢纽及配套灌区工程位于西藏自治区日喀则市，枢纽坝址位于南木林县达那乡甲措藏布和拉布藏布干流交汇处下游约1.1km，距南木林县城约15km。该工程是国家“十三五”时期172项重大水利工程之一，也是西藏自治区“十三五”重点工程之一。工程任务以灌溉、供水、改善自然保护区生态环境为主，兼顾发电。工程规模为大(2)型，总库容1.16亿m3，设计灌溉面积0.83万hm2，电站装机4万kW，工程概算投资27.01亿元。湘河水利枢纽工程，由沥青混凝土心墙砂砾石坝、洞式溢洪道、导流泄洪洞、引水发电洞、电站、鱼道等组成。

2 软件应用情况

工程设计中，各专业软件应用情况见表1。

表1 项目软件应用情况表

3 项目协同设计环境

本项目以三维协同设计平台为基础，如图1所示，采用ProjectWise软件进行各专业间协同设计，设计人员在同一个环境下，采用同一套标准来共同完成本项目。模型以三维可视化方式呈现，各专业可以直观浏览整体设计成果，使得各专业间的沟通方式由传统的二维图纸转变为逼真的三维场景，可大幅提升专业间沟通效率，避免项目成员之间因为专业背景差异而产生的误解，实现对信息的充分利用和数据共享，避免重复建模过程，实现项目的集中存储与访问，提高数据信息的准确性、一致性、及时性，实现了项目数据共享和模型一体化。

图1 三维协同设计平台框架

4 各专业建模

4.1 测量专业建模

为了更好的与三维设计模型衔接，对已有实测CAD平面地形图进行编辑、处理，将其转化成为三维地形模型。利用CAD平面地形图生成三维地形模型。首先，从实测的CAD格式平面地形图中分别提取高程点和等高线图层作为建立三维地形模型的初始数据存留；然后，采用重新描绘的方式，将地物按照其坐标、高程信息，利用三维特征线进行重新描绘；最后，将地形和地物信息作为地形特征信息进行叠加，生成三维地形模型。通过上述操作生成的三维地形模型，可以与三维设计模型在同一平台上进行叠加，也可将其转换成为地质模型需要的MESH格式，其兼容性、可视化得到了极大的提高。形成的三维地形模型如图2所示。

图2 西藏湘河三维地形模型

4.2 地质专业建模

湘河流域两岸早石炭系至第四系均有出露，地层主要为白垩系和早第三系，岩性以花岗岩为主。考虑到建模区域地质状况，先应用了GeoStation for City进行地质建模，其结果河谷地质状况模型良好，但受到地质数据等因素限制，河道两岸及山坡基岩出露界面表现较差，无法较好展现地质信息，故又应用GeoStation for Geology重新进行地质建模，根据地质资料及勘察数据，确定基覆界面位置，建立基覆界面模型，最后完成该区域地质模型的建立。形成的三维地质模型如图3所示。

图3 三维地质模型

4.3 水工建筑建模

依据三维数字化设计标准，在ProjectWise平台上对图层、线性、标注、图框、构件属性进行了统一配置与推送，制定了标准化的三维项目设计流程。设计人员主要采用AECOsim Building Designer和MicroStation软件，调用参数化模型构件库，完成工程设计。对于模型库不包含的构件，由设计人员自行创建，其中在后续工程中可以复用的构件，经系统管理员审核后，存入模型库。本工程沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高51m，模型如图4所示；水电站厂房模型如图5所示；溢洪洞、发电引水洞、导流泄洪洞模型如图6所示；鱼道模型如图7所示。

图4 沥青混凝土心墙砂砾石坝三维模型

图5 水电站三维模型

图6 溢洪洞、发电引水洞、导流泄洪洞三维模型

图7 鱼道三维模型

4.4 金属结构模型

湘河水利枢纽及配套灌区金属结构设备主要由泄水系统、发电引水系统、施工导流系统、鱼道和生态系统及配套灌区组成，包括弧形闸门、分层取水叠梁闸门、平面定轮闸门、清污机、拦污栅以及门机、液压启闭机等多种类、多规格金属结构设备，模型如图8所示。针对该工程金属结构的特点，主要利用Inventor进行闸门、清污机、启闭机等的三维参数化模型建立，并根据模型相对位置关系进行装配，将装配完成后的总装文件通过中间数据格式导出。

4.5 水机模型

利用AECOsim Building DesignerCE机电模块参数化构件建立水机三维模型，如图9所示。

图9 水机三维模型

4.6 电气模型

通过Substation程序建立电气设备族库，基于设备模型的基本参数建立模型、整体组装后再进行其他属性的添加。水电站副厂房二层电气三维模型如图10。

图10 水电站电气三维模型

4.7 三维配筋模型

利用Restation进行水工建筑三维配筋，剖图生成二维钢筋图、钢筋表，并打印成能3D展示的PDF格式文件，可视化、立体展示三维配筋，指导施工。隧洞三维钢筋模型如图11所示。

图11 隧洞三维配筋

5 碰撞检查

将各专业模型通过参考方式，完成模型总装；通过Navigator软件进行模型的碰撞检查和三维校审。碰撞检查充分显示了BIM设计的优越性，使用的三维模型具有完整性、唯一性，最大可能避免“错、漏、碰，缺”等问题，如图12所示。

图12 主厂房内部碰撞检查

6 优化设计

在工程三维建模和碰撞检查过程中，可非常直观的提前发现设计中不合理的地方，进而优化设计方案。例如在本工程中通过检查总装模型，发现原设计鱼道工程与进场道路交叉出高程设置不合理，后及时对进场道路进行优化调整。再如，高达173m的边坡开挖，下覆高程和厚度不一的岩层，三维建模过程中能提前发现开挖的难点和边坡的薄弱点，及时调整优化设计方案。上述问题，用传统的二维设计手段或者单独看某一项建筑物模型很难发现和解决，正是应用了BIM正向设计，将上述问题解决在设计阶段。

7 二维出图

利用校审后的三维模型，采用三维动态模型剖切出图，可以自动生成用于交付的二维平面图、立面图和剖面图，也可以生产三维轴测图、阶梯剖视图。生成的图纸与模型是联动的，当需要修改设计时，只需要修改模型文件，与之相关的图纸自动完成修改，能较大的提高工作效率。

8 可视化展示

利用AECOsim Building Designer软件，将校审后的总装模型导入LumenRT软件，进行后期渲染并制作漫游动画。在LumenRT中可以自由添加人物、动物、植物、家具、公共设置、水面等配景，可以更换各种建筑材质，也可以改变天气、时间、季节来模拟不同情况下项目的外观表现，并可以自由设置相机漫游路径，导出图片或者视频，给人以身临其境的视觉效果。本工程整体效果图如图13所示。

图13 枢纽效果图

9 结语

本文介绍了BIM技术在设计方的应用，鉴于目前BIM技术的发展水平，以及相关配套技术标准的不完善，要真正实现一套模型的项目全生命周期应用还有许多困难，需要设计、施工、监理、建管等各项目参与方采用相同的BIM标准或统一的数据接口。湘河水利枢纽BIM设计，克服了超深覆盖层防渗墙设计、心墙与帷幕及防渗墙连接段设计、进口多建筑物协调布置、卜型叉管与涵洞连接等传统设计难以解决的技术难题，实现了全专业全正向三维协同设计，设计成果更为精准，并可为项目后期运行管理提供强有力的技术支撑，为同类水利枢纽工程BIM设计积累了成功的经验。