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設計與施工

3D/BIM模型在挪威斯密斯托水電項目設計與施工中的應用

[挪威]赫爾曼·熊·史密斯等

斯密斯托水電項目的土建工程采用了挪威非常規(guī)的EPC模式，為EPC承包商和咨詢公司之間開展更大范圍的協(xié)作創(chuàng)造了機會。同時設計團隊采用3D/BIM模型的創(chuàng)新方法取代傳統(tǒng)的二維平面圖紙，并通過模型將設計成果傳送給承包商，不僅為設計公司和承包商帶來了潛在的高附加值，而且還可使用戶獲得比從二維平面圖更多的信息。通過在模型中構建信息、生成更易于接近的視點、培訓雙方的工作人員等創(chuàng)新方法，取得了滿意的效果。

3D/BIM模型；EPC模式；水電項目；挪威

1 概 述

斯密斯托水電項目是21世紀初以來挪威新建的大型水電項目之一，主要由一條無襯砌地下水道(總長27 km，流經(jīng)多條隧洞和多個豎井)、2座電站(斯密貝爾格(Smibelg)電站和斯圖拉湖(Stor?vatn)電站)、11個取水口、1座泵站、6條水下隧洞及若干座小型水壩組成。

斯密斯托水電站為高水頭、低流量電站，兩座電站獨立分布，水庫庫容大，斯密貝爾格電站裝機容量為33 MW，斯圖拉湖電站裝機容量為(25+8)MW。項目于2015年夏季開工，預計2019年可完工。

該項目位于偏遠沿海地區(qū)，灣峽和山谷之間的風、降水量、氣溫等氣候要素變化多端。項目場址僅可由海路通達，大多數(shù)取水口區(qū)域僅能通過直升機抵達，這對施工規(guī)劃和后勤保障提出了很高的要求。

2 項目實施

根據(jù)EPC合同安排，項目業(yè)主斯密斯托克拉夫特AS公司(Smisoto Kraft AS)將所有土建工程和地下工程的實施合同授予了挪威承包商Hhre Entrepren?r AS公司。液壓機械和機電設備由供應商供貨并負責安裝，合同簽訂及相關協(xié)調工作由項目業(yè)主自行負責。工程設計、采購、施工合同(EPC)意味著EPC承包商將全面負責設計、采購、施工及安裝調試等所有工作，并最終向項目業(yè)主交付一項完整的工程。

綜合咨詢ASA公司(Multiconsult ASA)代表承包商承擔所有土建工程的設計咨詢，以及不同液壓機械和機電設備供應商之間的協(xié)調。

在挪威，水電項目的土建工程很少采用EPC模式，常規(guī)的做法是咨詢公司代表項目業(yè)主進行工程設計。然而，該項目EPC模式的建立，為EPC承包商和咨詢公司之間開展更大范圍的協(xié)作創(chuàng)造了機會。通過前期反復交流勾通，雙方對項目目標有了統(tǒng)一的認識，并計劃通過相互合作實現(xiàn)以下目標，即經(jīng)濟有效的技術方案、現(xiàn)場的高效執(zhí)行力、從概念到施工的高效率的工作流程及完整的文檔編制。

鑒于總包方和設計方共同的利益目標，雙方?jīng)Q定采用3D/BIM模型進行所有設計和繪圖工作，以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的設計與施工方法。設計成果通過模型傳遞給承包商，而不需要打印傳統(tǒng)的二維平面圖紙。

3 規(guī)劃與設計過程

由于采用了非常規(guī)的合同模式及非常規(guī)的3D/BIM模型設計成果傳遞方式，項目規(guī)劃與設計過程中需要進行一些適當?shù)淖兏?。此外，承包商還確認了工作流程和工具使用方面的變更。

設計過程就是所涉及學科之間的不斷迭代，其中一個學科始終是前提學科。通過線性方法將整體過程分解成若干子階段，直到前一子階段中所有學科都完成既定的里程碑后，下一子階段才開始工作，從而獲得較小的迭代循環(huán)和更精簡的設計流程。

項目實施的工作流程基于綜合咨詢公司的理念，但為了實現(xiàn)項目的特定目標，也對綜合咨詢公司的理念做了局部調整。最終采用的工作流程包括下述幾個連續(xù)的子階段：

(1) 設計工作的初始化；

(2) 跨學科的設計過程；

(3) 詳細設計；

(4) 施工工作的跟進。

各子階段明確了整個過程中承包商、供應商和項目業(yè)主各自負責的事項及其先后順序等。

承包商所建議的工作流程已證明可簡化設計工作，而且還減少了通常在類似項目中所需要的修改次數(shù)，從而降低了成本。此外，新的工作流程為項目規(guī)劃和后續(xù)工作提供了一個改進的平臺。

4 模型開發(fā)

為了適應在施工現(xiàn)場直接從3D/BIM模型中檢索信息，而不需準備傳統(tǒng)的二維平面圖紙的目標，承包商專注于在以下方面對傳統(tǒng)方法加以改進：

(1) 現(xiàn)有軟件在設計和施工中的不同用法；

(2) 基于信息利用的目的，對咨詢公司將信息傳輸給承包商的方式進行優(yōu)化；

(3) 采用替代傳統(tǒng)二維平面圖紙的新產(chǎn)品；

(4) 允許通過模型擴展交流。

為了推行適用于現(xiàn)場的相關理念(貫穿于整個設計階段的重點)，設計人員采用了編織Braided設計模型的思維方式。之所以選擇這種模型，是因為它可以通過5個連續(xù)的開發(fā)步驟和數(shù)次的迭代將設計、策略和技術運用三者結合起來。

由于雙方都參與了不同概念的開發(fā)，從而可以在施工現(xiàn)場對不同概念進行連續(xù)性能測試，及對一些新概念進行迭代。下面將會對此做進一步描述。

5 模型使用

結合幾何圖形為擬設計的土建單元定義一組屬性，以便生成所要構建對象的表現(xiàn)形式，這就是通常所說的BIM(建筑信息模型)。

在一張傳統(tǒng)的二維平面圖紙上，幾何圖形是用帶有參考坐標點的平面視圖和剖面圖來表示的，圖紙上的文字說明則給出了材料、安裝技術和質量標準方面的信息。

另一方面，一個三維模型則提供了完整土建單元的幾何形狀及其在最終坐標系中的位置。結合每個單元的指定屬性，三維模型生成該設計的數(shù)字化表現(xiàn)形式。

在斯密斯托項目設計中，設計人員首先明確定義了一組定制的信息參數(shù)和屬性，然后將這些信息分別指定給每個建模單元，包括質量水平、先后順序、單元識別號、設計規(guī)定、說明、防火要求、材料要求及數(shù)量等。當需要時，結合這些信息參數(shù)與建模單元的幾何圖形，便可獲取設計中所有的信息，唯一的較大障礙是必須能在施工現(xiàn)場使用和理解計算機程序。

為了模型構建和便于信息檢索，按以下層次結構對這些模型進行準備與調整：

(1) 編譯模型。巖石與混凝土工程外部界面整體組成及控制的說明。

(2) Solibri軟件中每個主體結構(如電廠、大壩)的集成模型。界面處理、沖突檢測和跨學科協(xié)調,以及施工模擬與土建工程的作業(yè)指導書。

(3) 設計模型，用于隧洞與景觀工程的Autosesk Civil 3D軟件，以及用于其他結構的Revit軟件。IFC模型輸出到集成模型，以及特定模型的輸出，使得在施工現(xiàn)場能夠直接檢索測量數(shù)據(jù)。

5.1 排 序

如前面所述，液壓機械和機電設備由供應商供貨并負責安裝，合同所要求的詳細設計則通過三維模型提供。結合土木結構模型，供應商模型允許進行物理接口處理、早期階段沖突檢測及集成模型中跨學科協(xié)調。

對土木結構按計劃施工順序進行標注，并根據(jù)安裝順序與供應商的單個模型相結合。該標注系統(tǒng)允許在設計階段對施工與安裝的順序進行更高級別的調整。

5.2 質量水平

為了控制模型中的規(guī)劃和設計過程，將所有組件的開發(fā)結構化為指定質量標準，用以表明每個單元在設計、跨學科控制和施工狀況方面所達到的狀態(tài)和質量。當前的質量水平與計劃的施工順序在集成模型中均為可視的。

按計劃的施工順序對土木結構進行標注和開發(fā)。結合質量標準，功能目標的實現(xiàn)就有了保證。過程的可視化開發(fā)成果不僅為項目規(guī)劃和后續(xù)工作提供了一個良好的平臺，也為所有參與方提供了一個交流平臺。

在設計和施工的交叉點上，模型中提供了完整結構的總體可視化效果，但是承包商不能從標注的質量水平低于“S4”的任何組件開始工作。

標注“S5”表示現(xiàn)場完成的單元，根據(jù)EPC承包商控制系統(tǒng)要求，現(xiàn)場執(zhí)行過程受控，并且與設計保持一致，包括執(zhí)行單元的測量工作。在執(zhí)行偏離設計標準時，給出“S5”標注之前需及時對模型作出相應的調整。不斷升級的“已建成”文件，將為電站將來的運行和維護工作創(chuàng)建一個功能性的工具。

質量標準描述了設計過程中每個單元的成熟度，并且不對應一定水平的細節(jié)或信息。在建模過程中，一直采用一定水平的細節(jié)或信息，直到在設計過程開始之前雙方達成一致意見。從理論上講，一個單元即使施工準備還不充分，也可在早期階段生成高度細化的設計成果。相反，一個單元可能無幾何形狀的詳細信息，但可以有足夠的信息用來施工。

6 設計依據(jù)的調整

為了確保EPC承包商現(xiàn)場管理人員和施工人員獲得的信息是正確的，需要對設計模型按層次結構進行準備與調整。由于施工現(xiàn)場擁有現(xiàn)代化的設備，包括用于機器控制和測量的設備，二維平面圖紙并不總是傳遞設計信息的最有效方式?？紤]到不同軟件的特點和施工規(guī)劃方法，需要針對項目的不同特性采取不同的方法：

(1) 為隧道、綠化和巖洞開挖工程而建造的模型，機器控制是執(zhí)行過程中的核心；

(2) 為混凝土工程、鋼筋和其他安裝工程而建造的模型，需要詳細的幾何控制和裝配程序；

(3) 用于測量工作的模型，除了幾何圖形之外，不需要配置一個以上的屬性，Autodesk Civil 3D軟件可用于設計具有以下特征的工程：①豎井和隧道工程。明確中心線和橫截面的要求，承包商需要制定開挖計劃。②綠化工程。定義形狀和界線。

Autodesk Revit軟件用于項目其他工程的設計，選擇這一款軟件的原因是它可以對3D單元的屬性進行結構化分配。而Revit軟件則用于項目下述主要工程的設計：

(1) 地下工程。①巖洞開挖。確定爆破工程量和最小外邊界，以便于編制開挖計劃。②錨桿。定義錨桿的深度、位置、方向、尺寸以及施工要求。

(2) 所有其他土建工程。①諸如灌漿細節(jié)和預留孔洞等混凝土工程。②接地、光電裝置、暖氣、通風及衛(wèi)生設施等技術裝備。

通過模型直接傳遞信息構成了所有就設計進行交流的基礎，包括設計會議。

7 混凝土工程設計依據(jù)

對于混凝土工程，所有單元都按照計劃的澆筑順序進行建模，包括施工縫。這為設計工作提供了準確的依據(jù)，例如對結構計算的影響，以及鋼筋長度和搭接處的正確描述等。通過直接量化反應承包商的額外效益，為項目早期制定施工計劃和開展采購提供了可能性。

對于混凝土工程，整體設計依據(jù)適用于結構的集成模型設計。然而，為了便于信息檢索，增加可用性，可通過實施下列措施在模型中提供分類信息：

(1) 為每一個施工工序生成一套組合的模型視點，顯示原計劃的子工序排序，突出顯示關鍵信息，如預留孔洞和預埋件等。

(2) 鋼筋彎曲表。

(3) 混凝土構件標識與鋼筋之間的關系。鋼筋(和其他相關的細部件，諸如預埋件、斜坡式護坦)被分配給混凝土主單元。

8 挑戰(zhàn)與展望

8.1 挑 戰(zhàn)

當今土建行業(yè)的工作方法得到了廣泛的應用，然而多年來變化不大，正如加拿大愛康(Aecon)集團執(zhí)行主席J.M.貝克所指出的，與50 a前相比，當今建設項目上所采用的工作方法并沒有什么改變。

要想建成一個挑戰(zhàn)常規(guī)方法的項目，所有成員必須目標一致，并采用新的工作方法。在斯密斯托項目中，EPC承包商的目標是使過程盡可能容易被用戶理解，以便現(xiàn)場管理和施工人員及時掌握所需的信息。與從二維平面圖中得到的信息相比，用戶能從模型中檢索出同樣多的甚至更多的信息，但前提是需要學習計算機軟件，如模型查看器等。通過在模型中構建信息、生成更易于接近的視點及培訓工作人員等方法，EPC承包商已經(jīng)獲得了滿意的效果。

大多數(shù)項目的評估是依據(jù)費用、時間和質量等參數(shù)進行的，創(chuàng)新過程通常得不到重視。因此，為了改變當今水電行業(yè)中的常規(guī)方法，需要重視過程、工具和信息傳送的潛在附加值，并且強調各方之間合作的重要性。

8.2 展 望

隨著客戶對尋求有效的解決方案和實施方法越來越感興趣，推動了新技術在項目中的應用。然而，若要成功借鑒斯密斯托項目的技術，所有成員必須目標一致，并采用新的工作方法。因此，針對設計與施工，調動項目團隊的積極性并達成目標共識十分重要，而不是過早使用2D平面圖。斯密斯托項目小組通過以下措施大大促進了項目的順利實施。

(1) 盡量減少耗時的手工操作，例如通過繪制和維護一整套圖紙，減少了發(fā)生錯誤的可能性；

(2) 提供了信息交換和檢索的良好平臺；

(3) 促進跨學科協(xié)調和控制；

(4) 開發(fā)有效的調度工具，包括設計和執(zhí)行工作；

(5) 利用可視化工具完美展現(xiàn)建設項目；

(6) 在項目的任何指定階段直接檢索相關的信息，并簡化工程量計算。

斯密斯托項目人員在規(guī)劃與設計工作中積累了大量的經(jīng)驗，并應用到Hhre Entrepren?r AS公司所有的項目中，但該公司與其他的合作方能在多大程度上實現(xiàn)技術的應用，將取決于具體的項目和外部因素，諸如合同要求、客戶的能力和動機、政府監(jiān)管等。

孫嬋譯

2017-06-19

1006-0081(2017)10-0037-03

TV53

A

孫 嬋，女，長江水利委員會長江科學院，工程師。)

(編輯朱曉紅)