BIM 技术在水利水电工程中的应用

张 伟

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安710001）

0 引言

水利工程的实际设计工作较为繁琐，体现在二维图纸中的信息较为复杂，需要经验极为丰富的从业人员经大量工作后方能获得具体形态，且项目的产品信息修改困难、设计协同困难、设计周期及产品质量不可控。通过BIM 技术的使用可以实现工程的信息化查询和设计的协同修改，运用BIM 技术的节点控制，对关键位置进行施工放样，可优化施工组织设计，提高工程质量，尽可能的减少返工，进而缩短工期，从而保证施工交底效果并完善后期的运维管理。再者，对于地形条件比较复杂的水利工程来说，开挖、回填量巨大，土方量的计算的精准度就与工程的最终造价有着密切的关联。运用BIM 对工程进行全部子项建模，实现全元素的信息化查询和关键节点控制[1]，同时，精确完成土方的开挖、回填量计算，完成信息化工程管理，以达到方便后期运维管理的目的。

1 采用BIM 技术原因

1.1 方便结构计算

由于项目大多地处山谷地带，地质条件较为特殊，因此常规结构计算无法满足设计周期要求，因而利用BIM 软件功能，完成结构地基布置及配筋计算[2]，可大大减少设计时间。

1.2 方便设备管路检查

项目中包含各专业的管路布置（采暖热力管网、给水排水管网、雨水收集措施、消防管网、锅炉燃油管网、生活热水管网及太阳能热水管网等)，厂区及各单体中有大量管道交叉位置，利用BIM 软件空间特性，完成各管道专业的碰撞检查，可大大优化设计方案。

1.3 满足绿色建筑分析及模拟要求

为满足绿色建筑要求，进行一系列绿色建筑分析及模拟，采用BIM 技术对该部分工作具有决定性的作用，如对空调房间进行的室内气流组织模拟分析、建筑物的采光及日照分析、库区总体规划的热岛及噪声分析等。

1.4 指导施工，保证施工的正确性与设计信息的完整性

利用BIM 软件骨架化的模式进行参数化设计，以实际的施工顺序作为其设计顺序，可以做到“画一步做一步”，切实的指导施工流程，利用Navisworks 系列软件完成4D 施工流程的模拟，发现并解决施工难点，大大减小施工难度，缩短施工时间。

1.5 满足运营管理需要

通过BIM 技术指导施工完成后，输出composer 末端信息查询系统，强化BIM 思维，将为业主提供更为科学先进的管理技术及经验。

2 BIM 技术的实际应用

BIM 技术除应用到全设计阶段外，更可以辅助完善整个项目的各个阶段：设计、施工、设备安装和运营管理。对施工及安装方来说，BIM 的可视化功能，同时增加4D 信息，进行多时间段的虚拟施工，可以优化施工组织设计。

自启动BIM 计划以来，一直致力于在水利工程中推广BIM技术，先后完成了引汉济渭三河口水利枢纽BIM 设计、陕西省延安南沟门水库管理站BIM 设计、延安黄河引水工程BIM 设计、陕西省泾河东庄水利工程BIM 设计等。

2.1 引汉济渭三河口水利枢纽工程

在该项目前期策划中，将BIM 技术使用该项工程的具体勘察设计工作中，并且由于CATIA 良好的建模能力和数据管理能力，最终确定该软件为该项目的BIM 操作平台。通过VPM平台完成各专业的协同工作，利用多种设计软件完成各专业（勘察测绘、土方开挖、场地规划和道路建设）的三维建模任务（见图1）等、设计和分析等工作，提高设计效率，简化设计流程，精确模型细节，使工程的实际展现更为直观。基于BIM 理念的解决方案帮助该项目的参与人员，在多方面可以利用形成的BIM 模型，以数字化的方式进行分析计算[3]。该应用使参建各方共享成文信息，避免了相关方的矛盾，减少了人力、资本等不必要的浪费。

图1 三河口电站厂房土建BIM 模型

在该项目中，BIM 技术辅助完成了绿色建筑的分析工作。由于项目所在地地处深山之中，多数设计参数无法获得，因而无法进行常规数据计算与模拟[4]。通过BIM 模型，利用Simulation CFD 等分析软件进行模型分析使的绿色建筑的参数分析有了可能，并获得了较好的效果，见图2。

图2 三河口电站副厂房中控室空调系统气流组织模拟

2.2 陕西省延安南沟门水库管理站工程

在南沟门管理站BIM 设计的过程中，建筑专业利用Autodesk Revit Architecture 完成综合楼的BIM 模型，同时利用CATIA 软件完成附属厂房的BIM 模型；利用CATIA 软件平台，机电专业（包括采暖、通风、空调、动力、给水排水、电气、消防等）建立完备的机电设备模板库，最终完成整个厂区的BIM设计工作。利用Autodesk Navisworks 软件完成漫游视频文件的制作。最后利用VR 技术完成漫游视频的虚拟现实展现，使得整体设计在移动端完美的表达了设计师的设计理念，见图3～图6。

作为BIM 技术与绿色建筑技术结合较为成功的一个案例，该项目于2015 年7 月经过陕西省绿色建筑专家委员会评审通过，达到“一星”绿色建筑设计标识，其模型渲染效果图见图7。

图3 走廊漫游模拟

图4 外立面漫游模拟

图5 锅炉设备间漫游模拟

图6 附属设备间漫游模拟

图7 南沟门管理站厂区BIM 模型渲染效果图

2.3 延安黄河引水工程

在延安黄河引水工程延水关一二级泵站的设计过程中，由于项目所在地区域跨流域、厂区高差较大、地质条件复杂，建筑、暖通、给排水等专业BIM 小组全部采用常规设计流程足以达到设计要求，动力专业首先利用CATIA 软件进行管道及地沟分布布置，设置不利检测点，然后利用鸿业管道及管廊软件对布置进行分析，得出管道水力计算参数及沟壁受力分析数据，整理数据获得各检测点参数，参数达到规范要求后得出最终布置方案（见图8～图9）。而这种处理问题的能力是常规设计所不具备的。

图8 延水关一二级站BIM 模型渲染效果图

图9 延水关一二级站热力管沟BIM 模型布置图

2.4 陕西省泾河东庄水利工程

泾河东庄水利工程BIM 设计中，本次设计范围包含地下引水发电系统BIM 设计和地上110kV 及GIS 楼BIM 设计。在该次设计任务中，包含以下主要目标：利用BIM 技术指导设计，分各阶段选择适宜的技术措施；总结提炼水利行业“节能建筑”设计理念，研究适合于我省水利行业的节能技术措施并加以推广[5]；作为我省水利行业的头号重点项目，推动使用并促进BIM 技术的发展，并依托BIM 设计流程展示实际施工过程，以解决实际施工过程中遇到的问题。

项目中通过参数化墙体的模板（见图10）建立，完成了墙体的节能计算的数据化处理，从各种保温材料的可视化处理，到保温材料的导热系数、厚度等数据的添加。为今后做建筑的整体性节能计算奠定了基础。墙体结构中各层的材料，厚度，导热系数等参数的添加，方便节能计算。热阻θ＝L/（λS）式中：λ 是导热系数，L 是材料厚度或长度，S 是传热面积。物体对热流传导的阻碍能力，与传导路径长度成正比，与通过的截面积成反比，与材料的导热系数成反比。EXCEL 表格数据处理辅助模板的使用，使得通过软件完成保温经济厚度的计算成为可能，见图11。

图10 GIS 楼墙体参数化模板

图11 GIS 楼墙体保温计算辅助工具

表1 BIM 设计项目信息统计表

3 技术创新分析与统计

在以上各水利水电工程中，全部采用了BIM 设计流程完成了实际的建模工作。在设计思维上，同样完成了传统二维思维向三维设计思路的转变。各项目中相应参数及应用的数据统计见表1。

4 结语

水利工程施工及设备安装条件复杂，且相关方信息重复利用率较低，通过使用BIM 技术设立水利专业的BIM 模型能有效利用既有条件完成信息的共享工作。同时，利用BIM 技术的优势，更加精确计算土方的开挖、回填量，同时完成地质模型的建立，为方案的进一步确定奠定了良好的基础。但是现阶段由于软件的推广及应用尚处于开始阶段，针对于水利水电工程的BIM 参数化模板较少，因此在构建相应的BIM 模型时，应根据实际需要，完善水利工程专用的参数化模板库，并大力提高模板库中模板的重复利用率。

通过上述数据统计表明，BIM 技术在大中型水利水电工程中的使用在行业内还比较缺少，因此，BIM 技术在水利水电行业中的推广需进一步开展。同样的，BIM 技术在方案决策阶段，可以提供精确、参数化的设计模型，对及时发现问题，优化设计，简化施工流程，减少资源浪费有着巨大的实际意义。同时，BIM模型中工程量的提取和工程施工模拟，方便了工程的经评有效控制和施工进度管理，同时也将显著提高水利水电工程的信息化程度。