水利工程BIM模型的价值挖掘与利用

杜九博，李玉莹，常倩倩，唐 芳，王晓蕾

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

BIM技术在我国基础设施行业蓬勃发展，在水利工程项目中的应用也越来越多。但对于许多概念性的BIM技术是否已经成熟应用，工程实践中仍存在质疑，认为现阶段的BIM技术主要用途仍停留于三维展示阶段，投入太多的人力物力来研究BIM技术是否为时尚早、得不偿失。对于已经深入开展BIM设计的单位来说，如何最大限度地挖掘和利用BIM设计成果，提高设计产品的附加价值，是一个值得探讨的课题。本文以西藏湘河水利枢纽BIM设计中的模型应用为例，介绍了我院在BIM模型应用上的探索。

1 工程概况和BIM建模

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12.49万亩，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。

本项目以我院的三维协同设计平台为基础，采用ProjectWise软件对各专业及其参与人员进行协同工作。在同一项目环境、同一BIM标准下，参与人员采用系列设计软件完成本专业的设计建模、二维出图，涉及的专业包括：测量、地质、水工、建筑、结构、道路、金属结构、电气等。将各专业的模型通过参考的方式完成模型总装，工程总体布置如图1所示。

图1 工程总体布置图

2 模型应用

2.1 模型的基础应用

目前，大部分设计单位BIM模型的基础应用主要包括各专业碰撞检查、优化设计方案、提取二维图纸、工程量统计、可视化效果展示等，属于BIM设计最基本的功能，本文不再展开介绍。

2.2 模型的深度应用

2.2.1多建筑物基坑联合开挖

湘河水利枢纽工程左岸进水建筑物包括溢洪道控制段、泄洪洞进水塔、电站引水系统进水塔，以及相应的三条进水渠，三座建筑物距离较近，基坑较深且深度不一，基坑开挖存在重叠，三维建模时需要联合考虑开挖工程之间的联系，开挖面空间变化明显，开挖建模非常复杂。该开挖工程首先基于GeoStation建立了枢纽区的整体三维地质模型、基于MapStation建立了枢纽区的整体三维地形模型，运用Microstation做好枢纽建筑物与地形、地质模型的空间定位，然后以三座进水建筑物基坑底面为基准，自下而上进行开挖边坡三维模型的建立。建模过程随时关注地质情况的变化，在微风化、弱风化、强风化、覆盖层的界面变化处，需要及时调整开挖坡度的变化，以保证不同地层中的开挖坡度满足设计要求。采用Microstation软件可以实时、清楚地观察每级边坡所处的地层情况、与周围建筑物基坑的衔接情况，在开挖效果上可以避免不满足地勘和设计要求的边坡出现，保证了边坡开挖的可靠性。将开挖面与各岩土层的界面缝合，形成在各岩层中的开挖体，然后提出体积信息以得到精确的土石方开挖工程量，工程量的精度是传统设计手段很难达到的。

溢洪道、泄洪洞、电站进水塔基坑临时边坡在永久建筑物完工后，需要进行回填处理，初步方案采用埋石混凝土回填，方量大、投资高；BIM设计过程中优化为钢筋混凝土空箱方案，如图2所示。充分利用BIM技术在方案比选中的优势，对两个方案进行了快速建模和工程量统计，对比结果显示，钢筋混凝土空箱方案可以节约三分之一的投资。

图2 回填处理方案比选

2.2.2仿真计算

在BIM模型的基础上，与有限元MIDAS GTS软件衔接进行仿真分析。该联合应用一方面可以充分利用BIM设计模型，避免在分析软件中重复建模，节省工作时间，提高工作效率；另一方面，同一模型在不同设计阶段的应用，实现设计建模人员与结构分析人员的协同工作，且在交互过程中模型信息不会改变，避免了各自建模造成的数据或模型不一致的问题。在湘河水利枢纽项目中，该联合应用主要体现在以下几个方面。

(1)大坝三维应力分析

将湘河水利枢纽大坝的BIM设计模型导入MIDAS GTS软件进行了模拟分析，计算采用非线性邓肯-张计算参数，经分析可知，竣工期坝体及覆盖层Z方向应力水平较低，坝体堆石抗剪强度尚存在较大的安全储备。主应力最大值发生在防渗墙底部与基岩交接处，属于局部应力集中，其余防渗墙应力均在C30抗压强度设计值以内，防渗墙整体应力水平均在允许范围内，计算结果符合实际情况，大坝应力分析结果如图3所示。

图3 大坝应力分析云图

(2)隧洞应力与变形分析

导流泄洪洞总长827.20m，布置于左岸山体内发电洞左侧，洞身段为6m×8m的城门洞形，坡降i=1∶30，洞身段长363m，Ⅲ、Ⅳ类围岩长度分别为243.25m、109.95m，隧洞衬砌采用60cm厚的钢筋混凝土。设计中，将隧洞BIM模型成功导入MIDAS GTS，并结合隧洞自身的施工工艺，将隧洞开挖、支护、锚杆施工等工序分为多个部分，分步加入不同的施工阶段进行仿真模拟，可以得到不同施工阶段的结构变形、应力应变计算结果，实现了BIM模型和数值仿真的有机结合，导入的BIM模型如图4所示，锚杆内力分析云图如图5所示。

图4 导入的三维BIM模型

图5 锚杆内力分析云图

(3)高边坡开挖前后稳定计算

高边坡三维BIM模型导入MIDAS GTS进行边坡稳定计算，结合实际地形、地质和开挖情况，计算三维边坡在开挖前后的稳定性。溢洪道左岸永久边坡高达120m，地质情况多变，其三维开挖和稳定性计算非常重要。本工程基于三维地质模型和三维地形模型，采用Microstation构建边坡开挖的三维模型，然后将耦合地形、地质模型的三维边坡模型导入MIDAS GTS岩土分析软件中，进行边坡稳定性计算，得到原始边坡和开挖边坡的稳定安全系数，进而为边坡处理提供科学依据。原始边坡BIM模型如图6所示，原始边坡的稳定分析云图如图7所示。

图6 原始边坡BIM模型

图7 原始边坡稳定分析云图

2.2.3施工模拟

首先利用项目管理工具软件将本项目的施工组织方案形成施工进度数据，然后将项目的BIM模型和施工进度数据导入Synchro 4D 施工模拟软件，将模型与施工进度进行链接，利用三维动画模拟演示工程施工的关键流程和技术要点，以直观的视觉效果向施工单位、业主和专家展示施工组织设计方案。后期，还可以导入本项目的造价信息，形成模型、时间、投资于一体的5D施工组织方案。该成果不仅可以用于指导施工，还可以与实际施工进度实时进行比较，及时把握施工进度和偏差。施工进度计划表(部分)如图8所示。

图8 施工进度计划表(部分)

2.2.4VR虚拟现实

本项目引入VR技术，将BIM设计模型导入LumenRT软件，实现对项目的沉浸式浏览。设计、施工、监理、业主等各方参与人员都可以通过头戴设备对整个项目，尤其是水电站、导流洞等复杂建筑物的内部结构和设备进行查看，1∶1的仿真体验环境，可完整的展示建筑物的尺寸、比例和细部结构等，预先确认空间布局的合理性。VR应用场景如图9所示。

图9 VR应用场景

3 结语

BIM技术改变了传统设计、分析、展示、施工模拟、工程管理等各专业间的界线，通过信息的传递大大提高了工作效率和可靠性，避免了不必要的重复工作和低级错误。本文介绍了我院在西藏湘河水利枢纽项目BIM设计上的一点经验，最大限度地挖掘BIM设计模型的利用价值，可为同类工程的BIM应用提供借鉴。目前水利行业能熟练应用BIM技术的人员较少，BIM技术与工作流程、工作方法融合还不成熟，构件库、典型工程库、BIM技术标准还不完善。随着水利行业的技术发展，BIM技术能为绝大多数设计、施工人员所掌握，其实用价值也会被更多发掘，为水利行业发展做出更大的贡献。