BIM协同设计在海外大型水电工程中的应用及技术研发

樊少鹏，刘会波，熊泽斌，周 嵩，吕昌伙

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

BIM即“建筑信息模型”，是利用建筑工程项目的各项信息数据构建的建筑模型，对项目进行设计、施工和运营的过程,是为适应建筑行业信息化发展需求而产生的高新技术。通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，达到对项目全生命周期信息的共享和传递，提高信息交互的效率和水平的效果[1]。由于BIM技术中的三维数字模型具有可视化、模拟性、易于协调优化的优点，可以显著减少设计、施工、管理人员的工作量并提升协同工作效率，便于后期数字化管理，在诸多发达国家已广泛应用于工程实践，从全球视角来看，BIM技术的应用已成新时代的主流[1-4]。

目前，汽车制造、航空航天以及市政建筑领域已经有了属于各行业的成熟的BIM技术，推广发展十分迅速。但BIM技术在水利水电行业的应用起步总体较晚且还不太成熟，与常见的生产制作行业不同，大型的水利水电工程通常具有研究设计阶段多、参建部门及专业广、工程结构类型复杂、建设工期长等显著特点，以上因素一方面对于BIM技术全面推广形成了一定阻力，而另一方面为实现水利水电工程全生命周期的高效化、精细化设计管理的要求，又对BIM技术的全面深入应用提出了更为迫切的需求[5-12]。

长江勘测规划设计研究有限责任公司(以下简称“长江设计公司”)也在多个水利水电工程中，均开展了基于BIM技术的工程设计，其中在安哥拉凯凯水电站导流工程、引水发电系统等主体工程设计中BIM技术的应用就是典型代表。

1 工程概况

1.1 项目简介

安哥拉凯凯水电站是安哥拉宽扎河规划的8个梯级电站的第3级，上一级为LAUCA水电站，下一级为ZENZO水电站。坝址处控制流域面积112 663 km2，多年平均流量591 m3/s。水库正常蓄水位630 m，库容4.36亿m3，电站装机容量2 172 MW，年平均发电量85.66亿kW·h。

挡水建筑物采用1座主坝和2座副坝，其中主坝采用碾压混凝土重力坝，布置在主河床，共设5个表孔和2个底孔，最大坝高103 m，坝轴线长度553 m；副坝亦采用碾压混凝土重力坝坝型，用于封闭左岸垭口。凯凯水电站工程首部枢纽建筑物及主坝典型断面见图1。

工程采用首部式地下电站开发，主厂房尺寸为221.00 m×30.37 m×67.55 m，共布置有4台530 MW的发电机组，整个引水发电系统横穿左岸山谷，2条尾水隧洞长分别为5 133、5 161 m。

工程施工导流方面，大坝上下游采用全年土石围堰，在右岸供布置有2条导流洞，断面为城门洞型，断面尺寸为14.4 m×14.4 m(宽×高)，最大高度分别为24、13 m。

1.2 工程特点和难点

安哥拉凯凯水电站因其电站装机容量达2 172 MW，被喻为非洲的“三峡工程”。工程由葛洲坝集团股份有限公司总承包，是长江设计公司首个参与建设的基于“欧美及国际设计标准、业主工程师审查制度”的EPC项目主体工程设计分包合同项目。安哥拉项目业主GAMEK聘请前期负责该项目基础设计的葡萄牙COBA公司作为项目外籍业主工程师。

鉴于项目设计要求高、沟通难度大、审查严格，因此对BIM三维设计提出了迫切需求，以期能够在设计协作、成果校审、方案调整、质量控制、成果展示等诸多方面发挥其特有的优势。

2 BIM技术应用

2.1 BIM设计工作依据

BIM应用标准体系现阶段有国家标准、团体标准、企业标准3类。凯凯水电站BIM设计总体上以GB/T 51212—2016《建筑信息模型应用统一标准》作为总的原则指导。同时，鉴于水利水电BIM联盟团体形成了自身一套庞大的BIM标准体系，其中以《水利水电工程信息模型分类及编码标准》《水利水电工程信息模型设计应用标准》《水利水电工程设计信息模型交付标准》为代表的3项标准亦作为项目BIM策划和执行的主要参考。此外，本项目还严格遵循了长江设计公司近年来颁布的企业标准和程序文件中的技术规定(表1)。

表1 公司级BIM设计内控文件及程序文件

2.2 BIM总体工作流程

凯凯水电站BIM设计总体工作流程按2级层面开展，即项目管理层(项目经理或BIM总监、专业负责人)和项目作业层(主设人、设计人等)，其中：BIM策划工作在项目管理层中完成，按层级分为项目级三维策划和专业级三维策划，前者主要开展总体策划和总体任务分解，后者将根据项目总体策划要求和专业级需要进一步细化任务分解。BIM的具体搭建工作在作业层中完成，主设人和设计人根据具体的任务内容、质量进度要求开展设校审和成果交付归档工作，见图2。

图2 BIM设计总体工作流程

2.3 BIM策划

全过程BIM策划的目的是根据本项目的特点和具体的设计阶段，响应项目的根本应用需求。从体系上来讲，BIM策划可由技术策划、协同策划和管理策划等3个方面(图3)，同时三者基于BIM设计工作的逻辑时序上又是互为关联的一个有机整体(图4)。

图3 BIM设计策划体系划分

图4 BIM设计总体策划内容及工作流程

2.3.1技术策划实施

技术策划是在客户端的设计、建模层面，梳理明确工作目标、深度、方案和边界条件一系列具体问题，其中关键环节内容如下。

a)结构树搭建和工作包分解。依次按照项目节点、专业节点和工作包节点进行拆分。结构树搭建的基本原则为：①地形、地质模型独立创建；②按需分列方案节点；③建筑物按主体功能分解定位；④机电金结等设施设备随建筑物定位。工作包分解的原则为：①基于阶段特点和专业特点，层次清晰，易引用、扩展和继承；②分区、分段、分功能；③先定位，后功能，再细节。工程BIM结构树搭建及工作包分解展示见图5中给出的示例。

a)项目级结构树(BIM总监确定)

b)骨架信息设计与发布。在完成工作包分解后，还需要对坐标系以及骨架信息进行设计和定义，其目的即是为了实现前述原则中所涉及的定位。通过有效的定位信息在平台下进行协同作业。在完成定位前提下，再开展功能和细部结构的设计，可有效避免后期针对各专业不同模型的繁琐装配操作。图6展示了工程在总体层面和专业内的骨架信息定义和引用上的示例。

a)总体定位(点、轴系)

c)模型精细度要求拟定。依据成果交付的相关需求，需在策划阶段对模型精细度进行界定，确认BIM模型信息中需要包含的细化层次结构和对应内容。鉴于水利水电工程所具有非标性和多阶段性，应根据具体项目的特点进行专业化定制，以落实到本项目的项目需求和阶段深度。凯凯水电站施工详图阶段的土建设计尺寸采用大范围，精度0.1 mm；机电金结细部设计尺寸可采用正常范围，精度0.001 mm。本工程各专业的BIM模型涵盖内容和精细度要求见图7。

图7 各专业BIM模型展示内容及精细度要求

2.3.2协同策划实施

BIM应用过程中的一个核心指导理念就是三协协同设计，其本质是基于同一数据源，以可视化三维模型为载体，实现信息的实时更新、流转和利用。在此前提下，总体上按照“组织、专业、设计与分析”3个方面构建了项目的协同体系，见图8。其中组织协同明确了BIM设计的数据组织及使用方式；专业协同是针对前述设计策划的内容，按照不同专业层面的需求进行协调组织管理；设计与分析协同则从基于应用角度，为相关计算分析、模型展示等明确合理的接口关系。

图8 BIM设计协同体系

协同作业模式下，传统的串行工作流程演变为并行工作流程，同一工作起点和交付节点的模式也相应由分部、分序的迭代推进的模式所取代。在此前提下，协同策划工作主要涵盖：①对项目的业务流程进行梳理，找到正向协同设计的接口和模型驱动关键参数；②根据专业协同需求(如专业内主要解决结构设计问题、专业间主要解决方案碰撞问题、水工和地形地质间主要解决布置合理性和工程安全问题)，明确工作包的前后续逻辑关系；③形成项目BIM设计方案流程和进度控制等(图9)。协同策划过程成果将为后续管理策划的基础和指导。

图9 BIM设计协同策划流程

2.3.3管理策划实施

BIM三维协同设计的管理要点包括数据管理(模型数据及相应权限、设计成果等)，进度管理(WBS任务分解和派发、进度跟踪及资源调配)，质量管理(交付要求、设校审全过程记录)，变更管理(大、小级别的设计升版更新)等3个方面。图10给出了本工程管理策划的一个主要节点流程。

图10 BIM设计管理推进及主要节点

基于上述流程，项目的管理策划工作依托于2个管理平台具体实现，见图11。①在项目管理信息系统中，完成文字性工作(报告、校审单、互提资料单、流程的流转)和二维图纸的任务分解；②在3DE中的ENOVIA网络端平台，完成三维设计任务分解，对“工作任务”—“时间计划”—“人员分配及成果流转对接”间的相互关系进行协调和明确。在此基础上，与2.3.1 技术策划中所搭建3DE BIM模型结构树进行对应和挂接。

a)项目整体WBS

通过以上技术、协同和管理三位一体的策划工作，实现了对设计任务合理化排序和分配、对协同作业人员组织和流程精细化管理、对项目推进过程的有效掌控。在具体实施过程中，如某些设计工作存在滞后，项目管理人员能够在第一时间发现问题并加以研判，通过调整人力资源或进度安排来保证项目的推进在有序可控的状态。

3 BIM设计建模及成果

凯凯水电站工程三维模型主要包括地形地质信息模型、主电站引水发电建筑物模型、导流工程模型、机电设备模型、金结设备模型、桥梁工程模型等。

a)三维地形地质建模。凯凯水电站三维地形地质模型根据勘探及地质测绘成果创建而成，见图12。地形范围包括主、副坝区，引水发电系统区、工程场址等，地质模型内容包括覆盖层及基岩、基岩风化层、断层、钻孔及河流、冲沟等地貌信息，内容丰富全面。三维地质模型创建并经审定后，供其他土建专业使用，并基于施工过程中进一步揭露的地质信息，对三维地质模型及时进行更新。

图12 三维地形地质模型

b)引水发电建筑物建模。基于三维地形地质模型，电站专业采用“骨架+模板”的方法完成引水发电系统的土建模型正向设计，包括进水口、引水隧洞、主厂房、母线洞、调压室、排空洞泵房、通风竖井、交通竖井、母线竖井、进厂交通洞、附属交通洞、尾水支洞、岔管、尾水隧洞、尾水出口、地面控制楼、地面变电站等部位的三维模型，见图13。基于该模型成果，在施工详图阶段开展了2D工程图纸的设计出图工作。

图13 引水发电系统建筑物结构模型

c)导流工程建模。基于三维地形地质模型，导流专业完成包括上游围堰、下游围堰、导流建筑物进出口开挖结构、导流洞洞身开挖及进水口结构土建模型正向设计(图14)，相关成果应用于工程量统计计算以及辅助混凝土结构设计等。

a)总布置

d)机电专业建模。目前机电专业建模总体处于初步设计阶段，其中：水力机械已基本完成辅助设备和油气水系统管路的布置，电气基本完成主要电气设备、电缆桥架及电缆敷设的建模与布置，暖通已基本完成主要通风管路的布置，部分成果见图15。

a)技术供水系统设备

e)金结专业建模。基于主电站及导流工程的模型成果，金结专业完成导流洞进水口叠梁门与封堵门埋件整体开槽布置及埋设大样，电站进水口叠梁门、事故门结构及埋件开槽布置及埋设大样等模型的正向设计建模，见图16。

a)导流洞门体埋件整体开槽及一期埋件布置

4 BIM设计技术难点解决方案

4.1 3DE二维工程制图

Dassault CATIA软件已引进长江设计公司并应用十余年，目前更新至3DE2019x版本，但在实际工作中，二维工程制图一直是设计师的使用痛点，主要原因是受制于制图方法和制图环境。3DE的制图方法和工作流程与现有二维绘图工作方式有较大的区别，且默认的制图环境(标准)完全不适用于水利水电工程行业，使得设计人员常迂回采用“3DE建立三维模型并导出各类视图”+“AutoCAD等传统制图软件进行二维出图”的方式完成出图工作。此举一定程度上可规避3DE的既有短板，但三维模型和二维元素之间的数据及逻辑交互链完全被打断。一旦设计方案发生调整，二维图纸中所有元素特征和相关的尺寸标注等均无法通过参数驱动而自动调整更新，设计人需要再次对三维模型进行导出后重复制图操作。

为使3DE平台能够更好地满足行业出图要求，BIM技术研发小组对3DE的Drafting模块开展二次开发，定制了工程制图标准文件及模块应用环境，包括图纸幅面尺寸及图框、字体、线型样式、文本样式、标注样式以及预制的2D部件(包括常用标注部件以及材质库等)。此外，为实现更便捷、高效的软件交互操作体验，还对Drafting模块中的图纸浏览(结构树、浏览器)、工具栏优化集成、右键的多级菜单功能都进行了全面定制，最终Drafting模块界面见图17，实现了在保留模型的参数化制图的便利性同时，全面适配传统制图软件的性能优势。

图17 3DE深度定制后的Drafting模块界面

以凯凯水电站尾水隧洞布置及开挖支护图的施工详图绘制为例，本套图纸实现了在3DE中平滑地完成从建模到出图的整个过程，见图18。当各隧洞间的布置方案、支护参数发生调整后，可调整模型数据并在二维图纸中得到更新，所有的点线元素、尺寸标注值亦无需人工调整干预。

a)三维模型

4.2 水工结构三维配筋

作为水工建筑物设计的重要工作之一，施工详图阶段的钢筋图设计通常需要占用大量的时间和精力，主要原因包括：①针对水工建筑物的规则部位，虽可利用手工进行二维制图，但涉及的编号标注、关系管理、工程量统计等设计工作的效率偏低下，且修改调整极为不易；②水工建筑物更多部位是异形结构，体形复杂多变，不仅设计出图难度大，且有限的结构剖面不能完全表达三维的结构和钢筋。针对上述难点，长江设计公司研究开发了“水工结构三维可视化CAD系统”[14-17]，可开展完整的三维配筋设计及后处理制图工作(图19)。

图19 配筋软件主界面

本配筋软件不仅可提供常规的面线配筋等，还能实现孔口加强筋、螺旋筋、角度配筋、自动配筋等多种灵活强大的布筋命令(图20)，还能将所有的钢筋参数信息(材料型号、直径、长度等)及几何布置信息(布筋面、钢筋范围等)完整地导入二维图纸文件中，并进而实现钢筋表、钢筋材料统计表的自动生成和更新。

a)操作一

a)操作二

以凯凯水电站导流洞进水塔为例，由于其结构复杂，充分利用本配筋软件优势开展了基于三维模型的钢筋图设计(图21)，不仅帮助设计者从琐碎的制图和工程量统计工作中解脱出来，更有效保证了设计成果质量。

a)导流洞进水塔三维配筋

5 结语

凯凯水电站工程作为长江设计公司重点推进三维协同设计的国际项目，项目部从2017年起就开始对BIM应用工作的全面铺开进行研究和部署，通过每年开展BIM策划书编制和BIM推进自查汇报等措施，将BIM任务逐层逐级落在实处，为本项目整体设计水准提高起到了极大的促进，也因此赢得了国内总包方和安哥拉业主的高度认可。

从Dassault CATIA V5过渡至3DExperience，三维平台软件和配套技术方案在不断更新迭代，种种设计难点、痛点也在逐一被解决。与此同时，行业人士对BIM协同设计认识也在不断深入——从“要我用”到“我要用”，从“临时建孤立的专业内模型算工程量”到“关注其他专业接口需求，随时做好协同边界策划”，从“建模和制图分庭治之”到“设计成果全过程数据管理”等等，由此一系列观念的转变可以看到水利水电行业正朝着信息化、智能化的新高度不断推进。