BIM技术在乌东德水电站机电设计中的应用

郭学洋 王豪 李玲 郑涛平

摘要：乌东德水电站地下厂房空间狭窄，机电设计要求高，设备、管道及线路复杂，设计难度大。以3DE（3DExperience）为基础平台，灵活应用BIM技术，建立机电资源库，搭建项目结构树，通过原理图驱动三维设计，对总装模型优化调整，实现了乌东德水电站机电BIM正向设计。结果表明：乌东德水电站机电BIM正向设计达到了机电设备三维可视化展示、工程量统计、碰撞检测、工程图定制及成套出图、虚拟施工装配的效果。研究成果可为其他水电工程提供借鉴。

关键词：机电设计; BIM; 3DE; 地下厂房; 乌东德水电站

中图法分类号：TV734 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.005

文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0023 - 06

0 引 言

乌东德水电站位于云南省禄劝县和四川省会东县交界，电站装设12台单机容量85万kW的混流式水轮发电机组。乌东德水电站是世界上已投产发电的第七大水电站，是中国实施“西电东送”战略的骨干电源，首台机组于2020年6月底投产发电，2021年6月电站全部机组投产发电。水电站采用地下式厂房，厂内机电设计需要充分利用空间，要求布置美观又便于运维。乌东德水电站机电设计条件复杂，协调工作繁琐，机电系统由多个专业、多个系统组合而成[1]，管道、线路规模宏大，连接复杂，设计难度较大。近年来随着现代信息技术的发展，人们日益认识到BIM技术的可视化、建模快、模拟性、优化型、协同性和可出图等技术优势[2-4]。随着BIM技术集成应用能力逐步提升，其在工程领域的应用日益广泛，在水电设计行业也逐渐得到重视[5]。

BIM作为一次工程技术的变革，在各行业中仍处于不断摸索、自行提高的阶段[6]。现阶段仍存在许多问题和挑战。BIM技术在水电工程机电设计应用实践中主要表现出的问题有以下几个方面。

（1） BIM技术应用需要投入大量资源，包括软硬件技术条件，如BIM平台、服务器、网络环境等。BIM项目实施需要既掌握BIM平台操作又懂专业设计的工程师。

（2） 与三维技术应用成熟的制造业不同，二维工程图仍为水电行业设计成果的主要交付方式。BIM模型直接生成二维图功能仍不完善，不能完全满足现行制图标准要求，电气专业接地、照明等系统的图纸图面处理工作量较大，效率低下，仍旧采用传统CAD软件作为制图工具。

（3） 与传统方式相比，BIM技术需要设计工作内容在前期更为深化，但作为设计条件输入的具体设备信息模型前期又难以确定。

（4）  BIM技术尚未形成行业生态圈，BIM设计成果在水电项目建设过程或全生命周期管理中还远未发挥出应有的价值。

因此，本文以乌东德水电站机电设计为例，采用达索系统（Dassault Systems）的3DE（3DExperience）平台，探索和实践了BIM技术的应用，实现了对乌东德水电站机电BIM正向设计。本文建立了机电资源库，搭建项目结构树，通过原理图驱动三维设计，对总装模型优化调整，完成BIM模型出圖，达到了机电设备三维可视化展示、渲染效果处理、工程量统计、碰撞检测、工程图定制及成套出图、虚拟施工装配的效果，为BIM技术在其他水电工程设计项目应用提供了借鉴和参考。

1 机电资源库建设

乌东德水电站机电设计包括水机、电气、暖通及厂房等多个专业，探索应用了3DE平台BIM技术正向协同设计方法。3DE平台包含了三维建模、仿真、协同数据管理及信息智能4个方面的大量模块，所有应用APP按用户角色配置提供入口。不同模块之间使用统一的底层数据，各专业协同设计无需通过中间格式进行数据传递。

BIM设计软件的使用使得设计模式发生了根本性的变革，从传统的二维设计转变为三维参数化设计。基于BIM技术的机电三维参数化设计的过程类似于搭积木，机电系统模型由设备、管道、线路等拼接而成。BIM模型构件是模块化设计的基础资源，一般以库的形式组织。模型资源库可以避免大量的重复建模工作。BIM模型资源的建设管理可形成企业的信息资产，通过在设计过程中共享与重复使用，有效提高设计可靠性、效率和质量。考虑ENOVIA系列企业级数据管理平台实施周期较长，乌东德水电站机电设计项目的基础3D模型资源主要采用3DE平台的CATIA系列APP管理。

1.1 模型库结构

标准件库的创建和扩充是BIM设计标准化的重要基础性工作[7]。由于机电设备具有种类繁多、设备部件多、外形复杂等特点，机电模型资源库需按专业和设备类型分为多个目录，包括水力机械图例库、水力机械设备库、管道元件库、电气图例库、电气设备库、电缆库、暖通设备库、风管元件库。以水力机械设备库为例，对常用设备归纳分析，确定水力机械设备库的目录结构如图1所示。

1.2 编码规则

BIM模型资源标准化建设的核心和首要工作是分类和编码。为科学合理应用和管理BIM模型资源，模型信息编码应当遵循一定的规则。各企业或项目实施团队可根据自身具体情况制定规则。模型构件命名考虑的基本原则是：唯一、简明、规范、适用。乌东德水电站管道元件弯头的命名规则示例见图2。

1.3 3DE平台模型资源库实施

完成库架构的建立后，机电设备模型作为项目插入到对应库目录章节。设备模型根据其复杂程度，可以采用不同的建模方法，难以用少量参数驱动的复杂外形设备模型可不使用参数化建模。标准件库建立流程为：① 建立一般元件模型，通过参数约束模型几何特征;② 建立设计表，设计表文件中编写各参数数据列，将设计表数据列关联模型参数;③ 应用表中数据从一般模型衍生系列模型零件并填充至目录库。

2 乌东德水电站机电BIM正向设计

2.1 正向设计实施流程

BIM正向设计的目标是使设计人员可直接在三维环境下进行设计，各专业设计人员应用三维模型进行沟通、方案优化、设计成果输出等。乌东德水电站机电BIM正向设计实施流程为：BIM策划→合作区创建→结构树搭建及任务分解→多专业协同设计→BIM模型应用，项目实施各阶段工作主要内容如下：

（1） BIM策划。明确三维设计内容及BIM成果应用要求。

（2） 合作区创建。在3DE平台创建合作区，给设计人员分派角色、权限。配置合作区机电设计资源。

（3） 结构树搭建及任务分解。结构树分层方法有多种，乌东德水电站机电三维设计结构树按专业划分一级节点，按系统划分二级节点。按系统分派工作任务。这种划分方法更便于工作任务分解及专业间协调，设计人员可以从结构树中直接选择目标产品或零件，不用考虑其空间位置。当需要考虑空间区域内多专业模型零件时可直接在三维模型上应用空间过滤器。乌东德水电站机电设计结构树见图3。

（4） 多专业协同设计。各专业设计人员在分派的各自节点下进行设备模型创建和方案布置。设计过程中进行专业间协调优化，审核或会签人员利用Design Review应用对设计方案进行批注说明，设计人员查看、修改。多专业基于同一套数据模型并行开展设计工作。

（5） BIM模型应用。三维设计完成后，利用BIM模型进行设计方案VR体验、可视化交底、工程量统计、二维出图等。

2.2 系统原理设计

3DE平台以单一数据源和基于流程的应用为核心，原理图驱动三维设计，实现二维与三维设计数据关联，可同步管理，保证数据流的一致性与准确性，提高复杂系统的设计效率和质量。机电系统三维设计有两种方法：① 通过二维逻辑原理图到三维设备的映射;② 直接进行三维设备的布放、管道、电缆通道的创建等[1]。考虑乌东德水电站大型工程的设计工期及BIM应用要求，对于各专业各系统的设计方法根据实际情况区别对待。在乌东德水电站合作区配置完成二维原理图设计资源后，直接调用库中设备元件图例完成2D原理图设计。乌东德水电站右岸电站8号公用电系统接线原理图设计见图4。

2.3 设备布置及管路连接

各设计人员分别根据各自的专业设计角色使用Assembly design，Piping &Tubing 3D design，Electrical 3D design，HVAC 3D design等应用进行机电设备布置。设备布放流程为：进入管路设计模块→初选放置位置→选择库和设备模型→调整设备位置;管道布置流程为：进入管路设计模块→选择管道规格→布置管道→放置管道附件。乌东德水电站透平油系统设备和管路布置示例见图5。

2.4 电缆桥架及电缆敷设

水电站电气设备众多，系统复杂，电缆敷设量较大。在前期使用Electrical sys design 应用完成电气原理图设计后可直接驱动物理模型设计。电气系统三维物理设计流程见图6。乌东德水电站右岸电站8号公用电系统电气设计实例见图7。

3 设计效果

在3DE平臺下，通过多专业实时协同设计，完成了乌东德水电站机电工程三维设计任务。乌东德水电站机电设计BIM技术应用效果主要体现在以下几个方面。

3.1 多专业三维协同设计

传统二维设计需要各个专业间通过二维图纸进行相互参照。由于二维制图用时较长，专业间设计方案沟通滞后，通常会发生由于图纸交换版本不同等原因造成的各专业之间的不协调引起设计变更。乌东德水电站机电多专业三维协同设计，实现了并行协同的工作方式，多个专业在同一个数据模型基础上开展各自的工作，提高了设计效率。设计过程中参考周围相关环境，直接避免或解决冲突碰撞。通过全专业模型的“三维校审”，碰撞检测，发现隐藏的问题，在实际施工之前消除错误碰撞，提高了设计质量。以往现场施工过程中的管线干涉碰撞问题在乌东德水电站发生率显著降低。

3.2 设计方案优化

将大量管道在有限的空间内顺畅排布一直是传统二维设计的难题。乌东德水电站地下厂房相对紧凑，机电设备管线布置尤其复杂，应用BIM技术对机电各专业管线三维空间布置统一优化，使得布置美观又节约空间。乌东德水电站水轮机层下游侧通道是所有纵贯全厂管道、电缆的通道，同时也是设备安装、运输与运维人员通道。通过综合优化排布电缆桥架和油、气、水管线，使得该通道净空由2.0 m提高到2.4 m，实现了业主对美丽机电的需求（图8）。

3.3 三维可视化表达

应用三维模型动态展示功能对乌东德水电站机电设计进行交底，无需专门制作PPT。将设计方案的实际效果进行360°展示、剖切，形象化的直观表达可让人迅速了解工程特点，理解系统设计，掌握设备布置。乌东德水电站地下电站机电模型见图9，电站总体模型剖视效果见图10。

3.4 设计成果VR体验

乌东德水电站项目工地部署配置了整套三维设计软硬件环境，包括一套VR体验设备。将VR技术融入于传统的水利水电工程领域，实现了参建各方对设计方案的全知、全感、全体验，达到业主、施工、监理对设计的准确理解，避免了由于方案理解不清晰、沟通不顺利等因素导致的反复修改、工期拖延、成本增加等问题。

3.5 工程量精准统计

乌东德水电站机电三维模型根据实际设备尺寸建模，为精确统计工程量打下了基础。使用软件计算统计数量、长度、质量等信息，省去了人工算量的过程，解决了机电设备、元件、材料明细统计过程繁琐的难题[2]。使用软件自动计算统计电缆长度，较传统方法节约了2.2%的工程量。管道系统以精确的模型为基础，扣除法兰、弯头、阀门的结构长度，也避免了不必要的过量采购问题。

3.6 二维工程图生成

目前BIM技術在水电工程的应用尚处于普及阶段，图纸仍是重要的设计成果输出形式。在可行性研究阶段，图纸的目的为辅助表达设计意图，应用BIM模型生成图纸可以满足交付要求。施工阶段，图纸的目的为指导施工。复杂管线布置图采用BIM模型生成二维视图，并辅以三维布置轴测图。这种出图方式降低了对读图者的要求，显著提高了参建各方识图效率。

3.7 模拟工程变更方案

应用BIM模型，对实际施工过程中由于偏差等原因造成的变更进行方案模拟，以便于决策。施工现场测量曾发现乌东德水电站6号机技术供水四通阀接口埋管出口偏差较大，四通阀无法按设计方案安装。根据现场测量的数据，调整修改模型，对偏差补救方案进行模拟，提出并比较了不同处理方案的效果。

4 结 语

通过将BIM技术应用在乌东德水电站机电设计中，探索了基于BIM的设计方法，积累了水电工程机电三维协同设计经验和BIM模型资源，实现了水电工程从方案原理到三维布置再到二维施工图的机电正向设计流程。三维设计成果直观形象，利于快速准确理解设计方案，使参建各方沟通更为顺畅。乌东德水电站机电设备安装布局合理，便于运行维护，管线布置有效利用空间，排列有序，层次分明，观感良好，体现出了工业之美，同时还利用精准的材料统计节约了建设成本。

参考文献：

[1] 王豪，郭学洋，彭志远，等. 基于3DE平台的乌东德水电站水力机械BIM设计[J/OL].  中国农村水利水电，2021[2021-09-10]. https：//kns.cnki.net/kns8/defaultresult/index.

[2] 王凤起. BIM技术应用发展研究报告[J]. 建筑技术，2017，48（11）：1124-1126.

[3] 万江龙，潘琼文，徐纪伟，等.  船舶电气系统三维协同设计方法[J]. 船电技术，2019，39（10）：18-21.

[4] 任华春. 基于BIM技术的泵闸工程三维协同集成化设计方案研究[J]. 水利水电技术，2017（5）：67-73.

[5] 李德，宾洪祥，黄桂林. 水利水电工程BIM应用价值与企业推广思考[J]. 水利水电技术，2016（8）：40-43.

[6] 朱毅，孙文彬，陈向东. 水电站水力机械专业BIM设计及应用[J]. 大电机技术，2018（4）：56-60，71.

[7] 李小帅，张乐. 乌东德水电站枢纽工程BIM设计与应用[J]. 土木建筑工程信息技术，2017，9（1）：7-13.

（编辑：江 文）

Application of BIM technology in E&M design of

Wudongde Hydropower Station

GUO Xueyang， WANG Hao， LI Ling， ZHENG Taoping

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract：The underground powerhouse of Wudongde Hydropower Station has features of narrow space， high E&M  design requirements， complex equipment， pipelines and lines， so， the design was difficult. Taking 3DE as fundamental platform and flexibly using BIM technology， we realized the forward design of E&M for Wudongde Hydropower Station through establishing E&M repository and project structure tree，  driving three-dimensional design through schematic diagram， and optimizing and adjusting final assembly model in the design process.The results showed that the forward design of E&M for Wudongde Hydropower Station could achieve these properties of three-dimensional visual display of E&M equipment， engineering quantity statistics， collision detection， engineering drawing customization， complete set of drawings and virtual construction assembly. The design could provide reference for the application of BIM technology in other hydropower engineering design projects.

Key words： E&M design; BIM; 3DE; underground powerhouse; Wudongde Hydropower Station