已建水电站三维建模基准设定研究

陈璐莹

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

习近平总书记在党的十九大报告中提出“建设数字中国、智慧社会”的战略要求。《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》明确指出“推进能源与信息等领域新技术深度融合”、“加快推进能源全领域、全环节智慧化发展”要求。国内核电、国网公司已基本实现数字化交付，采用先进的管理思想、强大的管理功能、领先的开发技术，完善的信息管理系统，对工程全生命周期的数字化进行全过程管理。对于规模大、生命周期长、具有系统性和综合性的水利工程而言，随着现代水利工程的体量和复杂程度的不断增长[1]，在水电站规划、设计、施工、运维的全生命周期中，易造成信息的协同性差[2]，动态数据更新不及时，产生“信息孤岛”[3]。加快推进智慧水利，明显提升水利信息化水平，运用互联网理念和数字化技术为国家水治理体系和治理能力的现代化提供有力支撑与强力驱动成为当务之急[4]。

BIM不仅代表建筑信息模型(Building Information Modeling)，也包含了建筑信息管理(Building Information Management)，是以集成各类相关信息的三维模型为基础，应用于设计、施工和运维的数字化技术。但目前提到BIM，仍主要指代建筑信息模型(BIM模型)。建筑信息模型是水电站数字化升级和智慧化转型的基础[5]，为数字孪生技术提供模型支持，具有信息多元化、参数化驱动、协同合作等优点[6- 8]，可实现设计、施工、运维各阶段的全生命周期信息流通和数据传递[9- 10]。建筑信息模型的复杂程度取决于运行管理要求的精细度，运行管理要求越细数据信息模型越复杂。

对于已建电站来说，其数字化转型需求非常迫切。建立数字化电站可以还原前期工程项目信息模型，形成工程技术电子资产并进行优化管理，通过历史运营数据进行不同维度的数据分析，为工程后期调度管理、技术改造提供参考意见，使得电站在运维阶段提高管理效率，节约运维成本。由于大部分已建电站在设计、施工过程并未进行BIM实施，竣工交付产品中也不包含BIM模型，因此，已建电站数字化转型的第一步就是建立电站BIM模型。建立BIM模型的常用方式有两种：根据图纸进行的三维建模和结合无人机、点云等技术的扫描建模[5,11]。对于根据图纸进行三维建模这一方法而言，水电站涉及专业多，结构复杂，因此竣工图纸量庞大。如何实现各专业的协同作业，进行高效、完整地建模、总装是亟待解决的问题。

进行各专业协同建模的基础是在建模工作开展前统一建模基准。本文以向家坝水电站为例，分析现有建模基准的优势和不足之处，探讨已建电站三维建模基准的设定方法。

1 向家坝水电站现状分析

向家坝水电站位于云南省昭通市水富市与四川省宜宾市叙州区交界的金沙江下游河段上，是金沙江下游梯级开发中最后一级水电站。工程枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、冲排沙建筑物、左岸坝后引水发电系统、右岸地下引水发电系统、通航建筑物及灌溉取水口等组成。其中拦河大坝为混凝土重力坝，电站厂房分列两岸布置，泄洪建筑物位于河床中部略靠右侧，一级垂直升船机位于左岸坝后厂房左侧，灌溉取水口位于两岸岸坡坝段，冲沙孔和排沙洞分别设在升船机坝段的左侧及右岸地下厂房的进水口下部。最大坝高161.00m，坝顶长度909.26m，两岸厂房各安装4台750MW机组，地下厂房跨度31.00m，一级垂直升船机最大提升高度114.20m。坝址控制流域面积45.88万km2，占金沙江流域面积的97%，多年平均径流量3810m3/s。水库总库容51.63亿m3，调节库容9亿m3，回水长度156.6km。

向家坝电站由于建设较早，当时的设计和施工单位均未提交BIM成果。虽已建立数字档案系统，但是多数为PDF扫描图纸或CAD二维图纸，且不能把设备相关的各类信息，从多个维度进行关联查询，降低了工作效率。向家坝电站亟待进行资产数字化提升，建立关联了技术文档、工艺系统、空间位置、质量安全、单元工程及组织结构等多维度信息的三维模型，并在此基础之上，实现电站各类运行维护应用，结合应用场景发挥其在工程建设、枢纽管理、电站管理和流域调度等方面的作用。

向家坝电站布局及建筑物与三峡电站相似，左岸为坝后式厂房，右岸为地下厂房，并设置有升船机。向家坝电站的BIM模型实施范围为挡水建筑物(左岸非溢流坝、冲沙孔坝段、升船机坝段、坝后厂房坝段、泄水坝段、右岸非溢流坝)，泄洪消能建筑物，冲排沙建筑物，左岸坝后引水发电系统(进水口、引水钢管、主厂房、副厂房及户内式开关站)，右岸地下引水发电系统(进水口、引水隧洞、尾水隧洞、主厂房、主变洞、电缆竖井及地面副厂房、地面开关站)和通航建筑物(上游引航道、上闸首、塔楼段、下闸首和下游引航道)，主要包含基础处理、坝体机构、金属结构、电气设备安全检测、建筑等。各单位工程对应的具体实施范围详见表1。

表1 向家坝水电站BIM模型实施范围

根据向家坝水电站的竣工图纸来看，各单位工程具有独立的定位轴网。对于大坝部分而言，主要以坝中心线作为纵向定位轴线，坝轴线作为横向定位轴线；对于厂房而言，以安装间和厂房相接处作为纵向定位轴线，以机组中心线作为横向定位轴线；进水口则以进水口中心线作为纵向定位轴线，除此之外，尾水洞、排沙洞、进厂交通洞等均有独立的定位轴网系统。

2 建模基准设定

2.1 现有建模基准

各专业协同作业建立BIM模型的第一步就是统一建模基准，但就目前的标准及实施情况来看，主要是以一个标段或者一个单位工程来建立建模基准。其优点在于同一单位工程统一建模基准，可以满足该单位工程各专业协同作业的要求，且各单位工程相对独立。对于在建电站而言，在不同的设计和施工阶段，需要水工、金结、电气、给排水、暖通、建筑等多专业反复进行变更确认。其中任一专业的方案变更都会影响到其他专业[12]。而一般建模基准是以特征点为基点，在设计、施工过程中，该特征点也存在变更的可能性，因此对于在建水电站，采用一个单位工程一个建模基准的方式有利于模型的修改变更，不会对其他部分和整体产生较大的影响。但其缺点是需要在收集齐各单位工程模型后，再次进行定位和总装。此时由于各单位工程已集成各专业模型，导致模型数量多，构件多，在移动、旋转等操作过程中易造成构件的丢失且对计算机配置要求高。除了在建模工作开始前各单位工程统一建模基准外，也存在各建模人员各建各的，以自己的习惯进行模型建立(比如以原点为控制点进行建模或自定义轴网)，这对各专业分装和模型总装都带来了巨大的困难，即使后期统一了建模基准，需要各建模人员对模型进行调整，产生重复劳动且浪费时间精力。

在三维建模中，常用的基准定位方式有两种：控制点坐标定位和轴网定位。控制点坐标定位的优点是精确度高，满足绝对位置，但由于控制点数位多，在建模过程中建模人员容易输错，从而导致模型偏差，且不利于各专业协同作业。轴网定位是根据各单位工程中特征位置建立轴网，例如向家坝左岸坝后厂房以机组中心线作为定位轴网，进水口则以进水口中心线作为纵向定位轴线等。轴网定位的优点是单位工程内的相对位置明确，便于水工、电气、水机、暖通、给排水和建筑等各专业协同建模，但绝对位置不明，需要在总装中进行统一调整。此外，水电站中的许多廊道、管道等存在弯段，尾水渠、泄水渠等存在放坡，仅利用轴网定位无法进行精细化地建模，需要借助控制点来实现。

2.2 适用于已建电站的“控制点+定位轴网”建模基准

对于向家坝水电站而言，由于其已经竣工交付并投入使用，各单位工程平面位置已知，控制点坐标(绝对位置)已知，定位轴网(相对位置)已知，因此，可采用“控制点+定位轴网”的建模基准方式来实现快速、高效地图纸建模，具体方法如下。

2.2.1“控制点+定位轴网”建立整体建模基准

首先根据平面布置图的控制点确定各单位工程的绝对位置，再由各单位工程的定位轴网确定建筑物的相对位置，形成一套完整包含控制点坐标信息和各单位工程定位轴网信息的向家坝水电站建模基准。在该建模基准中，挡水建筑物(左岸非溢流坝段、冲沙孔坝段、升船机坝段、坝后厂房坝段、泄水坝段和右岸非溢流坝段)，泄洪消能建筑物，冲排沙建筑物和通航建筑物(上游引航道、上闸首、塔楼段、下闸首和下游引航道)共用大坝定位轴网；左岸坝后引水发电系统(进水口、引水钢管、主厂房、副厂房及户内式开关站)和右岸地下引水发电系统(进水口、引水隧洞、尾水隧洞、主厂房、主变洞、电缆竖井及地面副厂房、地面开关站)的定位轴网则由各自机组中心线确定的厂房定位轴网、进水口中心线确定的进水口定位轴网和不同的隧洞轴网组成。各个定位轴网均由控制点控制，处于绝对位置。该建模基准需要建立于各专业建模人员开始建模前，形成对整个工程的位置把控。

2.2.2各单位工程按建模基准建模

各单位工程从上一步骤建立的建模基准中提取所需的部分。由于向家坝水电站地理位置的特殊性，且已有控制点控制了绝对位置，上一步骤所建立的建模基准与正北向存在一定的角度，与建模人员的建模习惯不符，且可能不易于尺寸的定位及放样。因此，各单位工程各专业可以根据实际情况，对所需的建模基准中的轴线进行旋转，使定位轴网呈水平和竖直向，便于建模。但提交的模型仍需以原建模基准为准。这样既方便建模，也不会对总装造成影响。对于像交通洞、引水管这种既受定位轴线控制又受控制点控制的部分，则可由建模人员自主选择参考建模基准的方式(以定位轴网为主或以控制点为主或两者同时参考)，充分发挥主观能动性。

2.2.3总装

首先由各单位工程对各专业进行分装，由于同一单位工程各专业参考的是同一个定位轴网，因此其相对位置已确定。只需要将各专业模型简单的分装即可。而各单位工程已由控制点控制了绝对位置，总装只需对各单位工程模型进行组合即可得到处于绝对位置的向家坝水电站BIM模型，不需要进行其他的操作(例如移动、旋转等)。大大减少了总装的工作量以及由于操作不当造成的错位、错失等问题。

3 结论

已建水电站各建筑物的绝对位置和相对位置固定，对其进行三维建模，可首先建立一套完整详细且处于绝对位置的“控制点+定位轴网”建模基准，各单位工程依据该建模基准进行建模。该建模基准的优点有：①便于各专业协同建模；②对于水电站中的管廊结构，使用“控制点+定位轴网”的建模基准可以大大提升建模的精确度和速度；③总装无需再次修改各单位工程的相对位置和绝对位置，提高总装效率。而对于在建水电站，由于其设计阶段和施工阶段的BIM模型绝对位置和相对位置存在变动的可能性，因此该建模基准并不适用，需要进行更深入的研究。