盛曉波

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

BIM技術(shù)是引入“工業(yè)4.0”、“互聯(lián)網(wǎng)+”概念和技術(shù)，發(fā)展起來的一種多維信息模型大數(shù)據(jù)、全流程、智能化管理技術(shù)，是水電工程及大土木工程規(guī)劃設(shè)計、工程建設(shè)、運行管理一體化、信息化的最佳解決方案。BIM技術(shù)的優(yōu)勢是可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性。BIM技術(shù)不僅僅是一個具體軟件、一種設(shè)計工具的更新和升級，而是整個行業(yè)流程的一次革命。

國務(wù)院和住建部正大力推廣BIM技術(shù)的應(yīng)用，已發(fā)文要求“十三五”時期，全面提高建筑業(yè)信息化水平，著力增強BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動通訊、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)集成應(yīng)用能力。要求加快推進建筑信息模型（BIM）技術(shù)在規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工和運營維護全過程的集成應(yīng)用，實現(xiàn)工程建設(shè)項目全生命周期數(shù)據(jù)共享和信息化管理，為項目方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)，促進建筑業(yè)提質(zhì)增效。

1 項目概況

毛俊水庫工程是一座以灌溉為主、結(jié)合供水、兼顧發(fā)電等綜合利用的大（Ⅱ）型水庫，工程總投資約28.34億元，為2014年國務(wù)院常務(wù)會議部署的全國172項重大水利工程之一。工程位于湖南省永州市藍山縣境內(nèi)，水庫總庫容1.165億m3，灌溉農(nóng)田2.74萬hm2（41.15萬畝），水庫電站裝機容量為11 MW，渠首電站裝機容量5 MW。樞紐主要建筑物包括碾壓混凝土重力壩、溢流壩、水庫電站、渠首電站等。灌區(qū)渠系按總干渠、左右分干渠、支渠三級布置。總干渠設(shè)計過流量20 m3/s，干渠總長度約120 km。

工程樞紐部分設(shè)計采用的是Bentley三維協(xié)同設(shè)計解決方案，基于多專業(yè)協(xié)同的工作模式創(chuàng)建水庫大壩、廠房、灌溉渠系、建筑、場地及機電等建筑物和設(shè)備的三維信息模型，進行模型總裝，得到水利水電項目的全信息模型；并基于此模型，進行模型內(nèi)部及不同專業(yè)模型之間的碰撞檢查，開展三維校審工作，提早發(fā)現(xiàn)沖突；根據(jù)三維模型成果抽取二維圖、三維軸側(cè)圖、材料報表；進行渲染及動畫漫游，提交滿足工程級要求的可視化設(shè)計成果。

2 三維協(xié)同設(shè)計平臺

該項目三維協(xié)同設(shè)計采用的是Bentley協(xié)同工作平臺ProjectWise和基礎(chǔ)建模信息平臺MicroStation，以及一系列建立在該平臺之上的、應(yīng)用于各專業(yè)的軟件模塊，在數(shù)據(jù)兼容能力、專業(yè)覆蓋的完整性、企業(yè)管理與協(xié)同工作以及企業(yè)標準化、一體化等方面具有優(yōu)勢。毛俊水庫工程三維協(xié)同設(shè)計所應(yīng)用到的 BIM軟件有 MS、PW、AECOsim Building Designer、Substation、BRCM、PSDS、Solidworks、GEOPAK、PowerGEO、Navigator、LumenRT 等。見圖 1~圖 3。

圖1 毛俊水庫樞紐三維模型圖

圖2 毛俊水庫樞紐效果圖

圖3 湖南院三維協(xié)同設(shè)計平臺

ProjectWise是一款專門針對基礎(chǔ)設(shè)施項目的建造、工程、施工和運營（AECO）進行設(shè)計、建造開發(fā)的項目協(xié)同工作和工程信息管理軟件，是一個流程化、標準化的工程全過程（生命周期）管理系統(tǒng)；與傳統(tǒng)的文檔管理和協(xié)同工作軟件不同的是，ProjectWise是一個協(xié)同工作服務(wù)器和服務(wù)系統(tǒng)。該軟件主要用于管理各種動態(tài)的A/E/C文件內(nèi)容，進行工作文件的創(chuàng)建與人員權(quán)限的管理，以及設(shè)計、提資、校審流程管理和工作空間托管等。為同一個團隊提供了在同一個環(huán)境、同一個標準下協(xié)同完成一個共同目標的統(tǒng)一平臺。PW通過工作共享、內(nèi)容重復(fù)利用和動態(tài)反饋提供業(yè)界公認的可擴展優(yōu)勢，高效的協(xié)同設(shè)計環(huán)境，可提高設(shè)計質(zhì)量和工作效率。

3 三維協(xié)同設(shè)計應(yīng)用

3.1 項目策劃及工作組織

根據(jù)毛俊水庫工程項目特點、建筑構(gòu)成、參與的主要設(shè)計專業(yè)等，對該項目三維協(xié)同設(shè)計工作進行策劃，設(shè)定工作流程，確定三維設(shè)計的目標、范圍、具體內(nèi)容、模型深度、信息顆粒度、交付的成果和要求，并以此進行任務(wù)分解和進度安排，明確應(yīng)遵循的有關(guān)規(guī)范、標準以及其他規(guī)則與要求等內(nèi)容。見圖4。

圖4 毛俊水庫工程三維協(xié)同設(shè)計基本流程

毛俊水庫工程依托PW協(xié)同設(shè)計平臺，建立相應(yīng)的工程項目文件目錄，如圖5所示。項目管理員對本項目的所有參與者進行權(quán)限設(shè)置及 “項目角色管理”，對項目下每個文件夾進行“角色及文件夾類型”設(shè)置，對項目各專業(yè)的審批和提資流程進行設(shè)置和管理。創(chuàng)建種子文件、控制性軸線及軸網(wǎng)、標準圖框等，制定統(tǒng)一的文件命名規(guī)則和模型組裝、總裝要求。

圖5 PW協(xié)同設(shè)計平臺工程項目文件目錄

3.2 工作環(huán)境推送

基于PW平臺的統(tǒng)一工作環(huán)境WorkSpace推送，是三維協(xié)同設(shè)計的重要協(xié)同保障手段。通過工作環(huán)境推送能夠?qū)㈨椖康臉藴驶畔⒅苯油扑椭羺⑴c項目的每一個成員，從而使參與項目的每一個設(shè)計人員都能在制圖標準、參數(shù)化庫的選用、材料統(tǒng)計的信息格式、文件命名規(guī)范等方面，都服從統(tǒng)一的項目設(shè)定。工作環(huán)境推送，能夠有效地保障工程信息模型的統(tǒng)一性、可交互性，為后續(xù)工作提供規(guī)范化保障，使得在協(xié)同過程中信息的規(guī)范化、可讀性增強，協(xié)同效率更高。

項目開始前，由管理員將定制好的標準化工作空間托管至PW上。工作環(huán)境推送保證了在三維協(xié)同設(shè)計過程中，三維模型的材質(zhì)、屬性、工程量信息、二維出圖中的圖框圖簽格式、填充符號、二維符號、線型線寬、文字和尺寸標注的樣式統(tǒng)一。

根據(jù)毛俊水庫工程的項目特點，管理員根據(jù)湖南院的制圖標準定制了標準化的工作空間，并托管于PW平臺上，如圖6所示。

圖6 PW協(xié)同設(shè)計平臺工作環(huán)境推送

3.3 三維建模與組裝

水利水電項目設(shè)計的參與專業(yè)眾多，三維協(xié)同設(shè)計的工作的模式是“并行”加“協(xié)同”，一個專業(yè)的設(shè)計內(nèi)容是由多個人員分工完成的，各部分完成后，要進行專業(yè)內(nèi)模型組裝及檢查（包括碰撞檢查），檢查通過后，形成本專業(yè)總裝模型，為專業(yè)間總裝及出圖做準備。因此，在項目建模工作開展之前，須由項目設(shè)總及各專業(yè)負責(zé)人共同完成任務(wù)分解及工作量估算。任務(wù)分解工作要分專業(yè)進行，結(jié)合設(shè)計階段要求，確定各專業(yè)要完成的三維模型、模型精細度、模型總裝規(guī)則。

測繪專業(yè)采用Geopak軟件的Site模塊對地形數(shù)據(jù)處理，完成壩址區(qū)三維數(shù)字地面模型建立，并對形成的三維地模中存在的不合理地方進行處理，通過相關(guān)處理達到數(shù)據(jù)輕量化。

地質(zhì)專業(yè)建模采用PowerGEO軟件，構(gòu)筑毛俊水庫工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，包括：工程項目、工程地質(zhì)、工程勘探、工程文件。毛俊水庫三維地質(zhì)模型是在前期測繪專業(yè)構(gòu)筑的三維地形模型基礎(chǔ)上，輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)形成各個鉆孔和平硐等，形成各個剖面，進一步形成各個地層及巖性分界線、構(gòu)造面等，最后構(gòu)成三維地質(zhì)模型。提供水工和施工等專業(yè)使用，也可利用模型進行開挖分析、剖面分析、計算分析、專題分析等。見圖7、圖 8。

圖7 毛俊水庫樞紐三維地面模型

圖8 毛俊水庫樞紐三維地質(zhì)模型

水工專業(yè)建模主要采用MicroStation和AECOsim Building Designer兩款軟件，依據(jù)地形數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)模型成果，進行建筑物體型設(shè)計、開挖面設(shè)計、建筑物初步布置，再根據(jù)其他專業(yè)的資料補充進行詳細設(shè)計建模、模型組裝、總裝、碰撞檢查。三維模型可導(dǎo)入其他CAE計算軟件進行有限元等結(jié)構(gòu)計算。本項目水工專業(yè)建立了水庫溢流壩、非溢流壩、渠首電站、水庫電站、發(fā)電引水系統(tǒng)、渠首電站尾水總干渠等建筑物的三維模型。見圖9、圖10。

圖9 毛俊水庫樞紐大壩三維模型

圖10 毛俊水庫樞紐廠房三維模型

水機專業(yè)建模主要采用ABD機電模塊和PlantSpace Design Series軟件，依據(jù)水工布置模型、廠房模型成果，進行機電設(shè)備參數(shù)化設(shè)計、管道綜合總裝，建立了渠首電站和水庫電站的主機、輔機、給排水、暖通等三維模型。電氣專業(yè)建模主要采用ABD機電模塊和Substation、BRCM軟件，完成了渠首電站和水庫電站的電氣設(shè)備、橋架、電纜敷設(shè)、照明等三維模型。金結(jié)專業(yè)建模主要采用Solidworks和ABD軟件，建立了溢流壩、渠首電站、水庫電站、發(fā)電引水系統(tǒng)、分水閘、退水閘等建筑物的金屬結(jié)構(gòu)三維模型。見圖11、圖12。

圖11 毛俊水庫樞紐廠房機電三維模型

圖12 毛俊水庫發(fā)電進水口金結(jié)三維模型

施工專業(yè)建模主要采用GEOPAKSite和MS軟件，建立場內(nèi)交通、場平及開挖三維模型。根據(jù)地質(zhì)資料分析各部分場地的開挖坡比，使用GEOPAKSite中的自動放坡功能提取開挖邊界，生成開挖方案。利用三維開挖地形圖直觀的特點，進行開挖設(shè)計優(yōu)化，最終整理并上傳至PW服務(wù)器用于工程項目總裝。

3.4 碰撞檢查及設(shè)計優(yōu)化

毛俊水庫工程三維模型綜合了各個設(shè)計專業(yè)的成果，可視化和模擬性非常強。文件統(tǒng)一上傳到PW平臺上管理，安全可靠。各專業(yè)在統(tǒng)一平臺上進行三維設(shè)計、碰撞檢查、邏輯校驗，使用的三維模型完整、具有唯一性，減少了內(nèi)部布置的錯、漏、碰、缺現(xiàn)象，從而提高設(shè)計的合理性，優(yōu)化設(shè)計。

碰撞檢查包括靜態(tài)碰撞檢查和動態(tài)碰撞檢查。針對靜態(tài)碰撞，Bentley碰撞檢測管理器提供了對三維模型硬碰撞和軟碰撞的檢測、查看和管理功能。靜態(tài)碰撞對象的選擇支持三種方式：圖層、對象選擇集以及參考文件。模型總裝完畢后，可以直接在MicroStation或Navigator的環(huán)境當中來進行碰撞檢查。

動態(tài)碰撞檢查，借助Navigator V8i在3D虛擬環(huán)境下檢查項目設(shè)計和施工能力，也可以針對維修空間、檢修通道來進行指定路徑的物體運動腳本，模擬正常的人在通道內(nèi)的運動行走。Navigator的動態(tài)碰撞檢查工具，將能夠全自動分析物體在運動過程當中的隱形碰撞，并通過顏色高亮出來，從而避免在施工和運維過程當中存在的隱患。

3.5 三維協(xié)同設(shè)計成果

項目團隊依據(jù)各專業(yè)建立的模型，完成模型總裝、碰撞檢查、三維校審和固化，并根據(jù)總裝模型進行渲染及動畫漫游，提交樞紐總體布置、渠首電站和水庫電站的廠區(qū)及發(fā)電廠房內(nèi)部渲染效果圖和漫游動畫視頻。

BIM精細化建模后，通過AECOsim Building Designer中的建筑模塊給模型賦屬性，以及校審固化模型后就可以開展一系列的出圖工作，可以采用DEM切圖或DV切圖方法，經(jīng)過組圖和標注達到設(shè)計要求。

通過模型切圖，可以快捷、準確地剖切典型剖面圖，圖形自帶材料填充符號，建筑物的剖切與剖視關(guān)系準確，避免了二維思維上的盲區(qū)。所切二維圖也與原模型之間存在著連帶關(guān)系，同樣也帶有數(shù)據(jù)信息，所切二維圖會隨著模型的更改而自動修改。除此之外，還可利用模型直接輸出三維軸測圖。

在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，能直接形成鉆孔柱狀圖、工程地質(zhì)剖面圖、工程地質(zhì)平面圖，能自動完成花紋填充，三維模型越精細，二維出圖的修改量越小。出圖效率極大提高，減少大量的平、剖面不對應(yīng)的情況。

4 結(jié) 語

對于設(shè)計院，三維協(xié)同設(shè)計不僅是一場工具層面的技術(shù)革命，也是設(shè)計流程和設(shè)計理念的革新，BIM技術(shù)的應(yīng)用會帶來整個工作模式的變化。BIM技術(shù)應(yīng)用可以使設(shè)計成果更直觀形象；可以標準化、參數(shù)化設(shè)計，提高效率；可以多專業(yè)協(xié)同，提高設(shè)計質(zhì)量，創(chuàng)造效益。BIM技術(shù)應(yīng)用還可以拓展、增值設(shè)計業(yè)務(wù)，向項目全生命周期擴展，創(chuàng)造數(shù)字電站、智慧水利。