BIM协同设计在三河口电站供水发电厂房系统中的应用

2020-11-18补舒棋毛拥政郑湘文葛瑶

水利水电快报 2020年10期

补舒棋毛拥政郑湘文葛瑶

摘要：BIM协同设计技术已成为水利水电行业中工程设计技术的发展方向与趋势，越来越多地应用在水电工程项目的厂房和电站设计中。通过在三河口供水发电系统中的应用实践，探讨了在项目协同设计实施过程中的BIM设计解决方案，利用网络在线VPM协同设计平台和骨架设计架构，实现了专业间工程设计信息的实时共享和各建筑物骨架控制，并利用BIM数据进一步进行结构分析和延伸应用。总结了协同设计过程中的设计实践经验，可为类似工程的BIM设计提供参考。

关键词：BIM;协同设计;VPM;CATIA;三河口电站;下坂地电站;陕西省

中图法分类号：TV731

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.006

大中型水利枢纽引水发电系统的设计工作通常涉及规划、地质、测量、水工、道路、金属结构、水力机械、电气、建筑、金结、暖通等专业，各专业间需要互相协调和配合。陕西省水利电力勘测设计研究院（以下简称“陕西院”）采用传统的设计协同方式，即由规划、地质、测量专业人员提供参数、绘制图纸，由水工专业牵头为各专业反馈设计信息，专业间互相提资配合，以二维图纸沟通为主。这种传统的沟通方式效率低下，加之施工图纸有时会出现“错漏碰缺”等问题，需对其进行反复核查;还存在专业间信息反馈时间长和数据管理无序等问题，影响工程设计进度。建筑信息模型（ Building Informa-tion Modeling，BIM）协同平台不仅使得设计信息的呈现立体直观，且很大程度上解决了专业间协调性问题，各专业可实时在线进行协同设计和校审，模型碰撞检查功能可发现施工阶段错误，降低返工率和损失率。

目前水利水电行业三维协同设计的主流软件平台有美国Autodesk公司的Revit、美國Bentley公司的Micro Station与Project Wise、法国达索公司的CA-TIA与VPM[1]。华东勘测设计研究院、成都勘测设计研究院于2003年开展了针对以上3个平台解决方案的研究，并于2008年尝试应用在部分水电工程项目的厂房和电站设计中[2]。多个大型水电工程中均采用了BIM进行协同设计，例如云南金沙江阿海水电站的三维协同设计运用了Autodesk解决方案[3];派河口枢纽采用了Bentley平台系列软件进行三维协同设计[4];两河口水电站的三维协同设计采用了达索解决方案[5]3;乌东德水电站枢纽工程中也应用了达索解决方案[6]。总结以上使用BIM协同平台的项目的共同特点是项目复杂且涉及专业广泛。虽然不同项目采用了不同的软件解决方案，但各工程协同方式不同，因此研究如何选择协同解决方案十分必要。本文以达索系统作为主平台，详细阐述了三河口水利枢纽供水发电厂房系统协同设计工作，包括生命周期流程、协同设计方法、产品划分、骨架设计、模板应用及应用效果等，以期为同类工程的协同解决方案提供参考。

1 工程概况

三河口水利枢纽是引汉济渭工程的调蓄中枢，为I等大（1）型工程，具有供水、调蓄、发电功能。坝后电站厂房为3级建筑物，电站厂房抽水流量为18m3/s，发电引水设计流量72.71m3/s，发电采用2台常规水轮发电机组及2台可逆式机组。发电工况总装机容量为64 MW，抽水工况泵站总装机功率24 MW[7]。

厂区建筑物主要包括主厂房、副厂房、主变室、GIS楼、供水阀室、进厂道路。供水系统由进水口、压力管道、供水阀室、尾水系统、连接洞等部分组成（见图1）。该项目各专业间交叉度高，需多方协同，适合使用BIM技术通过VPM平台进行专业协同设计，其布置设计的复杂性主要表现在以下几个方面：①供水发电厂房为岸边地面式厂房，布置于坝后消力塘一侧，常规机组与可逆式机组布置于同一个厂房内，其电站（泵站）电气接线设置既要满足机组供水发电和工频运行要求，又要满足水泵抽水和机组变频运行要求[8];②供水和发电系统共用一个进出水流道，工况运行复杂，供水阀的口径和规模在我国供水工程中排名首位[9];③利用封堵后的导流洞作为尾水系统一部分，实现了通过连接洞补充供水至秦岭隧洞和尾水排放的功能。

2 协同设计解决方案

2.1 VPM协同平台

三河口水利枢纽供水发电厂房系统主要采用达索的虚拟产品生命周期管理平台ENOVIAVPM作为协同及产品管理平台（其基本功能主要有创建产品、角色管理、创建顶层节点、管理文档、修改产品结构、生命周期管理等）。CATIA V5R20作为模型的主设计平台，负责完成复杂的BIM设计工作。VPM是达索系统公司基于CATIA平台上的一个既能满足协同设计又能满足虚拟产品生命周期管理的解决方案[10]。

项目经理在VPM平台内定制项目生命周期管理流程（见图2）。产品状态共分为工作中、公开、审查、批准4种，涉及创建零件、数据保存、浏览、数据状态提升等[11]。“工作中”状态对于非权限内的设计角色是非可见状态，当产品发布公开后即为可视状态，供下一级人员审核数据，VPM中可对人员进行角色划分（包括数据管理角色、项目管理角色、设计角色、审核角色）、专业划分、角色权限管理;修改权限可通过锁定机制获得，由管理员设置的用户名密码登录，所有密码均需通过管理员更改，用户不能擅自修改，有效避免了密码在传递过程中泄漏的风险[12]，而通过VPM平台建立的数据会通过加密措施进行处理、保存。

2.2 各专业协同设计方法

地质数据信息是采用有离散光滑插值（DSI）技术的GOCAD软件来完成数据建模，地质数据内容主要涵盖地质断层、岩性、风化层、地下水等，将其导人协同平台中，再由下游专业进行设计方案布置。厂房内部的电气设计是通过博超STD数字化三维变电设计平台完成后导人VPM平台，包括水工、建筑、水力机械、管路布置、金属结构、开挖等专业在内的协同设计工作则是通过CATIA内的模块进行设计（见表1）。通过建立好的数据模型成果，可进一步进行有限元分析计算、工程量计算、出图、效果图、虚拟仿真、漫游、施工交底汇报、人员培训等。

3 产品划分与骨架参数化设计

3.1 产品划分

根据项目结构特点进行产品划分，图3为产品结构树。在ENOVIA在线管理平台按照一定编码规则建立产品节点及骨架设计，骨架是构成工程全三维模型的核心和有效组织形式，一般采取多级树结构，分为总骨架和子骨架，子骨架又可衍生下级子骨架[13]。由图3所示，S004-P10-P1-50000-00000- 3D为三河口水利枢纽总产品下的引水、抽水、发电系统产品节点。通过全局骨架SK结尾的文件内含有由坐标信息建立的引水压力钢管轴线、尾水洞轴线、连接洞轴线、厂房机组中心点及中心线、导流洞轴线等，发布核心控制点、轴线、基准面，为供水系统厂房提供基本位置参考。供水系统厂房产品下的骨架系统根据总骨架发布的厂房机组中心点（带有安装高程信息）、机组方向线及水机发布的机组设备尺寸建立一套厂房的尺寸控制系统，包括厂房的横纵轴网系统、高程系统、厂区范围及一些主要控制参数等，控制厂房的各层高程及体型尺寸。

3.2 骨架参数化设计

图4为厂房参数化骨架传递的设计流程，通过创建参数驱动几何元素实现联动，并通过零件发布功能将参数和几何元素提供给其他节点使用;在被其他产品使用时是外部参考，当上级骨架参数改变，可以手动或自动更新外部参考的元素。该设计融合了水工结构、水力机械，金属结构、电气布置、引水及尾水系统、厂区开挖、排水系统等内容，形成一个在线的BIM数据库，设计节点清晰。产品结构树使设计内容的展示更为直观，通过线上的规范数据存取机制，工程师可实时进行数据的有序管理、设计、查找、修改、校审等工作。

4 模板库及应用

通过CATIA V5的“知识工程及专家系统（ Knowledge Ware）”模块可将用户经验做成参数化模板录入Catalog模板建立標准件库，用户可在VPM协同平台上调用各专业模板。系统单元中的“知识工程顾问”“知识专家”等模块从参数化的角度使设计过程标准化，有利于知识的延续与再利用，是新时期工程技术人员迫切需要的知识与技能[14]。登陆内网便可在工程设计中重复使用知识工程模板（见图5）。模板采用统一编号管理，并建立了相应模板文档说明，帮助设计人员快速了解模板及其使用方法。目前建立了涉及水工、建筑、金结、水机、电气等专业的参数化模板及相应的目录库（见表2）。

5 应用效果

（1）通过以上的BIM数字化的三维协同体系，实现了网络协同设计，以及专业间动态参照，实时查看、设计联动。通过权限保护，保证了模型的正确性与一致性，避免了传统设计中人为提资过程中出现的错漏。通过碰撞检查功能，及时发现协同布置问题，对地面厂房内部的设计（涉及设备布置、消防、交通、排水等）、电站基础体型、二次开挖及厂房分缝分块设计、导流洞改造、尾水洞设计、排水系统设计、止水带设计等做了多次修改和优化。利用地质专业提供的风化模型成果分析厂房的一次开挖和二次开挖（见图6（a）），通过测量功能进行土石方开挖、厂房分缝分块混凝土、厂房混凝土等工程量计算，利用模型进一步得到出图成果等，节约了大量时间。三河口电站厂房分缝分块设计（见图6（b））通过传统方式完成所有图纸、工程量计算及校审工作大约需要7 d，而运用CATIA软件仅需要4d左右，节省时间约40%。

（2）知识工程应用。通过知识工程模板功能建立了关于电站厂房的各专业的模板（近50多个），并导人至模板目录库;使用CATIA知识工程平台中的RULE（满足条件就实施）、LIST工具、设计表等编辑知识工程语言将多种体型融合在一个模板中;利用CHECK等工具设置融人设计规范条款;采用知识工程阵列编辑语言，减轻了人员工作量。

（3）数据规范化。陕西院编制了《CATIA VPM协同设计规范》《信息分类及编码规范》《模板设计及入库规范》等规范，为其他BIM项目建立了基础条件。

（4） BIM数据应用。利用模型对业主及施工方进行供水阀设备原理及分层取水原理动画汇报、厂房施工技术交底汇报、现场设备的操作模拟和参观线路的模拟、整体厂房的实景漫游等。利用模型对主、副厂房结构进行了有限元分析计算（见图6（c）），对导流洞改造尾水洞的封堵体进行了三维有限元计算，从而验证了其稳定性。对厂房中安装间薄厚板结构静动力分析，对两种结构形式的静动力特性进行分析，从而得到安装间结构布置的优化设计。

通过资料调查，对比了采用传统工作模式的下坂地电站厂房工程人力资源情况及变更情况。下坂地枢纽工程为Ⅱ等大（2）型，其地下电站厂房为3级建筑物，主副厂房和安装间洞室面积为1 273 m2，高38.8 m;主变洞室面积为845 m2，高27.8 m，总装机150 MW，电站引用流量89.69 m3/s，工程已于2009年进行发电。对比结果如下：

（1）人力资源情况。下坂地地下电站厂房水工设计人员近16人，三河口电站厂房水工设计人员9人。与下坂地工程不同的是，三河口厂房的设计任务除了要满足发电，还需满足抽水和供水，因此厂房功能分区较多且布置复杂。三河口电站设计体量较下坂地电站大，但人力资源调动更少，却仍满足了进度要求，充分反映了BIM协同工作模式的高效率性和重要性。

（2）变更情况。下坂地电站厂房土建变更文件约120份（4 a），调查资料表明近60%的变更是由于洞挖后地质条件与设计不符，其余40%为体形结构等变化。而截至目前，三河口电站厂房土建变更文件共计19份（3 a）。综合对比上述数据，可反映出传统工作模式在工程设计上的一些弊端，若能在前期进行充分的三维设计协同，部分变更或可避免。

6 结语

将各专业统一在适合项目的CATIA VPM平台上进行整体方案设计，有利于工程数据的传递、分享、沟通、分析、管理。三河口水电站项目在VPM平台上完成的BIM数据量达到2.5G左右，大量的数据会造成服务器负担，影响使用和管理效率，如何轻量化数据并提高数据安全性是需要继续研究的内容。为使BIM产品功能得到延伸，其技术价值得到最大化利用，还应出台水利水电行业领域可行的模型信息数字化交付标准，细化交付要求、深度、方式及标准数据格式等。

参考文献：

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