解凌飛，李 德

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430064)

0 引 言

水利水電工程項(xiàng)目都需要針對(duì)特定的地形、水文、地質(zhì)等方面的特點(diǎn)進(jìn)行幾乎全新的設(shè)計(jì)，通常情況下水電工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程非常復(fù)雜，涉及部門(mén)和專(zhuān)業(yè)眾多，生產(chǎn)組織機(jī)構(gòu)龐大，協(xié)調(diào)困難，很難達(dá)到計(jì)劃的精確管理。以常規(guī)的水電工程設(shè)計(jì)流程為例，在不同深度的設(shè)計(jì)階段，都需要水工、地質(zhì)、水文、水能、機(jī)電、金結(jié)、施工、土建甚至概預(yù)算等諸多專(zhuān)業(yè)間的往返提資和變更確認(rèn)。其中任何一個(gè)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)精度和方案變更都會(huì)影響到相關(guān)的其他各專(zhuān)業(yè)，而傳統(tǒng)的基于文件形式的資料互提系統(tǒng)容易出現(xiàn)差錯(cuò)和遺漏或設(shè)計(jì)變更通知不及時(shí)的情況，從而直接影響整個(gè)水電工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量和進(jìn)度。其次，現(xiàn)行的生產(chǎn)組織形式在跨區(qū)域、跨部門(mén)、多專(zhuān)業(yè)的協(xié)作情況下效率偏低，項(xiàng)目設(shè)總需要通過(guò)各科室、專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人才能了解和掌握整個(gè)工程設(shè)計(jì)進(jìn)度和運(yùn)行的大體情況，不能根據(jù)項(xiàng)目情況變化及時(shí)做出調(diào)整和安排。特別是，由于方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一關(guān)聯(lián)和管理，進(jìn)行多方案優(yōu)化比選時(shí)工作量大而煩瑣、重復(fù)勞動(dòng)多、耗時(shí)長(zhǎng)且校核難度大。

從某種意義上講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)和流程在一定程度上制約了企業(yè)在水電業(yè)務(wù)上的發(fā)展。因此，近年來(lái)水利水電工程中三維設(shè)計(jì)也得到越來(lái)越多的認(rèn)可和重視[1]，而B(niǎo)IM的出現(xiàn)使得工程項(xiàng)目中各專(zhuān)業(yè)之間的三維協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能[2]。

本文以歐特克三維設(shè)計(jì)平臺(tái)為例，簡(jiǎn)要論述了基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)、平臺(tái)選擇、BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同設(shè)計(jì)模式、校審流程，并對(duì)水利水電工程各專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行概括說(shuō)明。文中的三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成功運(yùn)用到螺山泵站、鄂北調(diào)水、碾盤(pán)山水利水電樞紐等多個(gè)工程中，帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)施模式

1.1 BIM與協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM(Building Information Modeling)是建筑信息模型的總稱(chēng)，它是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字信息化等關(guān)鍵技術(shù)建立起來(lái)的，包含了建筑工程全部信息數(shù)據(jù)的三維建筑模型。它具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性八大特點(diǎn)。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是基于BIM三維模型設(shè)計(jì)的協(xié)同效應(yīng)。根據(jù)BIM三維模型的特點(diǎn)，協(xié)同平臺(tái)下各專(zhuān)業(yè)可從唯一的BIM三維模型中獲取項(xiàng)目信息，從而保證了項(xiàng)目信息的連續(xù)性和成果的可積累性。BIM三維模型為設(shè)計(jì)的可視化、精準(zhǔn)性提供基礎(chǔ)平臺(tái)，而協(xié)同效應(yīng)則帶來(lái)高效率、高質(zhì)量。三維協(xié)同設(shè)計(jì)的出現(xiàn)為工程設(shè)計(jì)尤其是數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)方法和手段，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑的智能化也提供了基礎(chǔ)條件。

1.2 三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

三維協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)效率向整體效率的過(guò)渡，解決了溝通瓶頸和信息孤島，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量相互促進(jìn)提高的良性循環(huán)。

首先，三維協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)間的配合從串行向并行的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了各專(zhuān)業(yè)間的協(xié)同和配合的實(shí)時(shí)同步，設(shè)計(jì)人員可以把大量耗費(fèi)在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程下各專(zhuān)業(yè)間往返協(xié)調(diào)、會(huì)簽等工作上的時(shí)間花在更高層次的設(shè)計(jì)優(yōu)化和設(shè)計(jì)創(chuàng)新上，從而提高設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量。

其次，協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中，資料和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有唯一性和可追溯性，保證了各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)所需“原始數(shù)據(jù)”的及時(shí)有效，也保持了各設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)成果的連續(xù)性和可積累性，從而大大降低了設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤率，減少了設(shè)計(jì)修改的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率。

此外，三維模型設(shè)計(jì)成果信息豐富多樣但相對(duì)于二維剖面而言卻簡(jiǎn)單明了，提高了專(zhuān)業(yè)配合的溝通效率和溝通質(zhì)量，無(wú)形中進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

1.3 三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的選擇

與機(jī)械行業(yè)和一般意義上的土木工程設(shè)計(jì)不同，水電行業(yè)的三維設(shè)計(jì)具有其獨(dú)特性，簡(jiǎn)單地說(shuō)有如下幾點(diǎn)：

(1)涉及專(zhuān)業(yè)較多，需要多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)，專(zhuān)業(yè)之間接口復(fù)雜，往返提資管理復(fù)雜；

(2)水電工程三維設(shè)計(jì)中涉及大量的企業(yè)知識(shí)的積累和重用；

(3)與地質(zhì)專(zhuān)業(yè)息息相關(guān)，地質(zhì)專(zhuān)業(yè)的精度和效率直接影響到整個(gè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率；

(4)水電工程具有唯一性，除機(jī)電和金結(jié)專(zhuān)業(yè)外，其他專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，絕大多數(shù)情況下難以標(biāo)準(zhǔn)化套圖。

上述水電工程的特殊性對(duì)三維協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)平臺(tái)提出了較高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：必須與水電行業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展相一致；必須具有良好的協(xié)同能力；必須能覆蓋水電工程所有專(zhuān)業(yè)，支持專(zhuān)業(yè)模塊的定制與開(kāi)發(fā)；必須具有良好的數(shù)據(jù)兼容性；必須支持設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的積累、重用和保護(hù)；必須具備易用性、普及性和可開(kāi)發(fā)性。

目前國(guó)內(nèi)水利水電行業(yè)采用的BIM三維協(xié)同平臺(tái)主要有歐特克、Bentley、達(dá)索系統(tǒng)等，這些軟件的 BIM技術(shù)解決方案各有特色。隨著信息化的發(fā)展，沒(méi)有一款軟件可以解決各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)中的所有問(wèn)題，上述協(xié)同平臺(tái)均是由不同功能的軟件構(gòu)成，而設(shè)計(jì)人員在協(xié)同平臺(tái)搭建的軟件環(huán)境下并行工作。

1.4 BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

清華大學(xué)軟件學(xué)院BIM課題組參照美國(guó)NBIMS標(biāo)準(zhǔn)提出了中國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)-CBIMS標(biāo)準(zhǔn)框架體系。目前為止，國(guó)家級(jí)的BIM標(biāo)準(zhǔn)共發(fā)布實(shí)施了四部：《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[3]，《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》[4]，《建筑信息模型分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》[5]，《建筑信息模型設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)》[6]。陸續(xù)發(fā)布的國(guó)標(biāo)還將有《制造工業(yè)工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)框架，我們可以把BIM標(biāo)準(zhǔn)體系分為三層[7]，第一層是作為最高標(biāo)準(zhǔn)的《建筑工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，其次是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括《建筑信息模型分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑工程信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》，第三層為執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，即《建筑工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》、《制造工業(yè)工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》。

在《中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化法》中規(guī)定，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，指導(dǎo)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。中國(guó)BIM標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)覆蓋這4個(gè)層次，形成一個(gè)相互聯(lián)系、相互融合卻又不失層次性的一個(gè)系統(tǒng)框架體系。建筑、市政、交通、鐵路等行業(yè)BIM應(yīng)用起步較早，已經(jīng)不同程序形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施指南。為促進(jìn)水利水電行業(yè)BIM應(yīng)用，2016年10月中國(guó)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)在北京成立中國(guó)水利水電BIM設(shè)計(jì)聯(lián)盟，目前已經(jīng)發(fā)布了《水利水電BIM 標(biāo)準(zhǔn)體系》[8]，BIM分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施指南等陸續(xù)在編制中。

1.5 BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)模式

以歐特克三維設(shè)計(jì)為例，該平臺(tái)上BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)由協(xié)同管理平臺(tái)和設(shè)計(jì)平臺(tái)組成(圖1)。三維協(xié)同管理平臺(tái)(Vault)負(fù)責(zé)協(xié)同設(shè)計(jì)的流程組織、角色分配、權(quán)限管理、模型和文檔的管理與維護(hù)、數(shù)據(jù)安全性等方面的協(xié)同和管理。三維設(shè)計(jì)平臺(tái)由滿(mǎn)足各專(zhuān)業(yè)三維設(shè)計(jì)需求的軟件客戶(hù)端組成。其中Civil 3D負(fù)責(zé)三維地質(zhì)建模、土石方工程設(shè)計(jì)等；Inentor負(fù)責(zé)水工、機(jī)電金等復(fù)雜模型設(shè)計(jì)；Revit負(fù)責(zé)建筑、結(jié)構(gòu)和管路的設(shè)計(jì)；NavisWorks負(fù)責(zé)模型整合、瀏覽、校審、碰撞檢測(cè)、施工模擬、動(dòng)畫(huà)制作；Infraworks負(fù)責(zé)早期規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案比選、大場(chǎng)景模型可視化?；诮y(tǒng)一平臺(tái)架構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了協(xié)同流程，減少了數(shù)據(jù)入口，能有效避免差錯(cuò)和重復(fù)勞動(dòng)，提高了設(shè)計(jì)效率。

基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)要建立一套完整成熟的三維協(xié)同工作流程。首先，基于項(xiàng)目劃分角色、權(quán)限、行為、關(guān)系及節(jié)點(diǎn)，明確各參與方及相互關(guān)系；其次，進(jìn)行各方協(xié)同工作總策劃，明確各方工作界面、信息溝通、建設(shè)階段、專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)用等具體工作；再次，協(xié)調(diào)各方組織關(guān)系，嚴(yán)格依據(jù)各方協(xié)同工作策劃開(kāi)展工作，加強(qiáng)文件及工程變更等信息管理，規(guī)范變更程序；最后，依據(jù)工程項(xiàng)目策劃階段制定項(xiàng)目數(shù)字化交付規(guī)定，開(kāi)展數(shù)據(jù)整理、文件歸檔及數(shù)據(jù)交付工作[9]。圖1為基于歐特克平臺(tái)的水利水電行業(yè)各專(zhuān)業(yè)間的三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程。

圖1 水利水電行業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程Fig.1 3-D collaborative design process for water resources and hydropower industry

水利水電工程設(shè)計(jì)一般都經(jīng)過(guò)科研設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)幾個(gè)階段。在這些過(guò)程中，外部相關(guān)專(zhuān)業(yè)提出的資料數(shù)據(jù)變化是難免的。在傳統(tǒng)的CAD制圖條件下，這種數(shù)據(jù)變化，可能需要重新布置和繪制結(jié)構(gòu)相關(guān)圖紙，但在三維協(xié)同設(shè)計(jì)條件下，無(wú)論外部專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)參數(shù)如何變化，只要重新設(shè)定相關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)三維模型自動(dòng)更新，相關(guān)二維圖紙也自動(dòng)更新，這大大提高了工作效率。

1.6 三維協(xié)同設(shè)計(jì)下的校審流程

BIM模型是各專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，最終成果是虛擬的三維數(shù)字化模型，而現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、提交成果的模式、貫標(biāo)體系等都是建立在二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上的，在這些體系尚未進(jìn)行大幅改革之前，三維模型必然要以二維方式輸出呈現(xiàn)。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)校審模式是結(jié)合貫標(biāo)體系的要求，對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行審查與驗(yàn)證，校審對(duì)象是計(jì)算書(shū)、設(shè)計(jì)報(bào)告和二維設(shè)計(jì)圖紙等內(nèi)容。對(duì)于BIM 三維模型的整體化設(shè)計(jì)方式，需要調(diào)整校審模式才能適應(yīng)這一變化[10]。

與傳統(tǒng)校審內(nèi)容不同的是，面向的對(duì)象是三維模型，只要模型本身正確，在出圖、標(biāo)注、工程量統(tǒng)計(jì)、計(jì)算分析、各專(zhuān)業(yè)間碰撞沖突等方面就具有內(nèi)在邏輯的一致性，這將減輕大量煩瑣的傳統(tǒng)復(fù)核工作，從而能將精力和工作重心轉(zhuǎn)移到對(duì)BIM模型的建立、完善與驗(yàn)證上。BIM 校審的重點(diǎn)內(nèi)容是三維模型的完整性、合理性，以及專(zhuān)業(yè)內(nèi)部和專(zhuān)業(yè)之間是否存在相互沖突碰撞的問(wèn)題。

根據(jù)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，單專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)成果不需要改變?cè)械馁|(zhì)量校審方法。當(dāng)各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作達(dá)到一定程度時(shí)，對(duì)于協(xié)同平臺(tái)上的多專(zhuān)業(yè)整合模型進(jìn)行集中校審，并將通過(guò)校審修改的最終整體模型作為各專(zhuān)業(yè)出圖的依據(jù)，各專(zhuān)業(yè)出圖后再進(jìn)行圖紙的校核即可，無(wú)須審查和其他專(zhuān)業(yè)會(huì)簽。

2 基于BIM技術(shù)的水利水電工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)繪、地質(zhì)專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)

2.1.1 三維地形曲面制作。

測(cè)繪專(zhuān)業(yè)將無(wú)人機(jī)正射影像生成的具有地理影像信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D生成地形曲面，并上傳至Vault協(xié)同平臺(tái)。創(chuàng)建的三維地形曲面滿(mǎn)足了下游專(zhuān)業(yè)在渠道設(shè)計(jì)、土方開(kāi)挖、力學(xué)計(jì)算、可視化創(chuàng)建等工作上對(duì)曲面精度的要求。在InfraWorks中添加生成的地形曲面、配準(zhǔn)衛(wèi)星影像及原地面地物要素創(chuàng)建原始三維實(shí)景，然后再添加設(shè)計(jì)開(kāi)挖曲面，水工、機(jī)電金及建筑景觀專(zhuān)業(yè)三維模型，創(chuàng)建設(shè)計(jì)三維場(chǎng)景，用于項(xiàng)目的站址分析、初步概念設(shè)計(jì)、效果展示、方案比選以及后期的施工及運(yùn)維管理。

2.1.2 BIM+GIS應(yīng)用

結(jié)合GIS系統(tǒng)在模型管理、三維分析以及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以將Inventor、Revit模型以及InfraWorks場(chǎng)景模型導(dǎo)入到GIS系統(tǒng)中，應(yīng)用BIM +GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)出數(shù)字移交平臺(tái)。這就把BIM模型和各類(lèi)施工、建設(shè)管理和運(yùn)維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了BIM模型與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防洪調(diào)度系統(tǒng)等的信息共享。BIM +GIS打通了設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的全生命周期流程，提高了工程信息化質(zhì)量，節(jié)省了工程投資，保障了工程工期，在具有大場(chǎng)景特點(diǎn)的水利水電項(xiàng)目中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.1.3 地質(zhì)三維建模

地質(zhì)專(zhuān)業(yè)可以通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)行地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)的測(cè)量、收集、整理，再把采集到的地質(zhì)信息直接導(dǎo)入Civil 3D中，并根據(jù)測(cè)繪專(zhuān)業(yè)生成的地形曲面，通過(guò)地質(zhì)數(shù)據(jù)管理庫(kù)自動(dòng)建立各地層三維曲面和地質(zhì)體模型，實(shí)現(xiàn)了下序?qū)I(yè)設(shè)計(jì)人員直觀、快速、準(zhǔn)確地了解項(xiàng)目工程區(qū)域地質(zhì)情況。該三維地質(zhì)模型基于Civil 3D平臺(tái)，可自動(dòng)生成地質(zhì)分析成果與報(bào)告報(bào)表，也可方便、快捷的完成地質(zhì)體剖切出圖(圖2)，最后通過(guò)Vault平臺(tái)與下序各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行協(xié)同。

圖2 地質(zhì)三維實(shí)體及二維剖面出圖Fig.2 Geological three-dimensional entity and two-dimensional profile mapping

2.2 水工專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)

水工專(zhuān)業(yè)承擔(dān)主體建筑物的設(shè)計(jì)，也是其他設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)，BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有樞紐布置、基礎(chǔ)開(kāi)挖、建立三維實(shí)體模型、結(jié)構(gòu)分析、與其他專(zhuān)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同、二維出圖(結(jié)構(gòu)圖和鋼筋圖)。

2.2.1 水工三維模型及工程量統(tǒng)計(jì)

水工專(zhuān)業(yè)建模方式多種多樣，有些結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性，有些結(jié)構(gòu)具有一定的共性，因此水工結(jié)構(gòu)建模時(shí)要注意對(duì)結(jié)構(gòu)的劃分，并對(duì)具有共性的結(jié)構(gòu)運(yùn)用參數(shù)化草圖和族庫(kù)模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，模板建完后可以通過(guò)修改參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速修改，并且可在類(lèi)似工程中重復(fù)運(yùn)用，可大為減少重復(fù)建模所花費(fèi)的時(shí)間。

BIM模型所見(jiàn)即所得，且自帶屬性信息，方便查詢(xún)。Inventor、Revit建立的三維實(shí)體模型可通過(guò)特性查詢(xún)實(shí)體體積。利用Civil 3D的放坡和道路裝配功能，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)開(kāi)挖、回填以及渠道、道路等的設(shè)計(jì)工作，進(jìn)而可以快速求出基礎(chǔ)開(kāi)挖、回填方量。

2.2.2 二維工程圖

從可研到技施階段均要出大量的二維結(jié)構(gòu)圖，傳統(tǒng)CAD繪制的二維圖之間缺少關(guān)聯(lián)，易出錯(cuò)，且專(zhuān)業(yè)間的干涉不易查找，方案變更時(shí)可能要重新繪圖。而參數(shù)化的BIM模型可直接剖切生成具有邏輯關(guān)聯(lián)二維圖，三維模型修改后二維圖也相應(yīng)更新，有效提高了設(shè)計(jì)效率，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

Inventor和Revit中有工程圖設(shè)計(jì)模塊，通過(guò)“樣式和標(biāo)準(zhǔn)編輯器”可以方便的定制符合設(shè)計(jì)要求的工程圖樣式，這樣就能快速、便捷的生成符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖。在BIM所出的二維剖面圖的基礎(chǔ)上增加三維軸側(cè)圖(圖3)，使圖紙表達(dá)更加直觀，工程人員更容易理解設(shè)計(jì)人員的意圖。

圖3 基于BIM的三維建模及二維出圖Fig.3 Three-dimensional modeling and two-dimensional drawing based on BIM 說(shuō)明：①本圖尺寸除樁號(hào)、標(biāo)高以米計(jì)外，余均以厘米計(jì)；高程系統(tǒng)為黃海高程。②設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-Ⅱ級(jí)。③設(shè)計(jì)洪水位30.36 m，梁底控制高程為31.50 m。④橋面：預(yù)制梁架設(shè)完畢后現(xiàn)澆8 cm厚C50混凝土整平層，并在其上涂一層防水劑，最后施工C40混凝土橋面鋪裝。⑤附屬設(shè)施：橋臺(tái)處設(shè)置80型伸縮縫，橋面排水采用橫向排水方式，鑄鐵泄水管。預(yù)埋在人行道板中。本圖欄桿僅為示意。⑥下部構(gòu)造：橋臺(tái)為避免開(kāi)挖量過(guò)大采用輕型橋臺(tái)，橋墩采用圓形截面雙柱式墩，墩柱直徑110 cm，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑120 cm。

2.2.3 樞紐整合布置

水電站前期設(shè)計(jì)主要是對(duì)各種方案進(jìn)行比較，比如壩線比較、正常蓄水位比較、裝機(jī)容量比較、機(jī)組臺(tái)數(shù)比較、樞紐布置比較、壩型比較等。BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)能高效、真實(shí)地把這些方案歸集在一起，并且以盡可能直觀的方式來(lái)體現(xiàn)。在三維設(shè)計(jì)中最能體現(xiàn)樞紐布置設(shè)計(jì)精髓的就是骨架的搭建。樞紐整合之前，先由牽頭專(zhuān)業(yè)沿樞紐軸線建立包含地理坐標(biāo)信息的整體骨架，該骨架作為各專(zhuān)業(yè)三維設(shè)計(jì)整合的基礎(chǔ)。同樣，各專(zhuān)業(yè)為了方便建模也可以建立子骨架。各專(zhuān)業(yè)BIM模型設(shè)計(jì)完成后，由牽頭專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)把各專(zhuān)業(yè)的三維模型與整體骨架裝配約束在一起，再與地質(zhì)三維模型一起導(dǎo)入Navisworks進(jìn)行樞紐整合、瀏覽、校審、碰撞檢測(cè)、虛擬漫游(圖4)。整合模型是一種輕量化的模型，它包含所有的BIM模型信息以及Navisworks特有的數(shù)據(jù)，如審閱、標(biāo)注、測(cè)量等。

圖4 水利水電工程樞紐整合圖Fig.4 Consolidation chart of water conservancy and hydropower project hub

由于采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，當(dāng)各專(zhuān)業(yè)的三維模型的控制長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，整合后的建筑物將根據(jù)整體骨架自動(dòng)更新，而不需像常規(guī)二維設(shè)計(jì)那樣進(jìn)行索資、提資，有時(shí)還由于通知不及時(shí)而忘了根據(jù)新提資進(jìn)行布置和修改，避免耗費(fèi)大量的時(shí)間在資料流通的環(huán)節(jié)上，極大地節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間和提高了工作效率。

2.2.4 數(shù)值計(jì)算仿真

目前主流的BIM軟件均與ANSYS、ABAQUS等大型有限元軟件實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接。采用Inventor軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)建模，然后一鍵導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行劃分有限元網(wǎng)格和計(jì)算分析(圖5)，計(jì)算結(jié)果和模型數(shù)據(jù)再導(dǎo)入《水工三維配筋軟件》進(jìn)行配筋，配筋結(jié)果可以直接轉(zhuǎn)化為二維CAD圖紙。通過(guò)三維設(shè)計(jì)的方式，一次建模，由一套模型數(shù)據(jù)完成設(shè)計(jì)、分析和配筋的所有工作。這就實(shí)現(xiàn)了水電三維協(xié)同設(shè)計(jì)和三維鋼筋圖設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，避免了另起爐灶在其他軟件中進(jìn)行有限元計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，極大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，體現(xiàn)了高效、集約的設(shè)計(jì)思路[11]。

圖5 Inventor模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行有限元計(jì)算Fig.5 Inventor model is imported into ANSYS Workbench for finite element calculation

2.2.5 三維鋼筋圖

對(duì)水工設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，施工圖階段工作細(xì)、任務(wù)重，尤其是鋼筋制圖是一項(xiàng)十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，幾乎占設(shè)計(jì)總時(shí)間的60%以上。采用《水工三維配筋軟件》可以導(dǎo)入BIM軟件生成的.sat格式文件，用戶(hù)通過(guò)在三維結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建鋼筋模型，經(jīng)過(guò)切取剖面，自動(dòng)生成鋼筋詳圖和信息表(圖6)，滿(mǎn)足施工詳圖階段鋼筋圖的供圖。當(dāng)模型結(jié)構(gòu)發(fā)生了修改時(shí)，不影響原來(lái)已布設(shè)的鋼筋，只需修改因結(jié)構(gòu)變動(dòng)而需改變的鋼筋。在對(duì)二維圖作了編輯調(diào)整后，若因設(shè)計(jì)修改而需要在三維中修改鋼筋，原二維圖已作過(guò)的編輯調(diào)整位置可以被記錄，避免了重復(fù)勞動(dòng)，使整個(gè)軟件性能達(dá)到了工程實(shí)用化水平。

圖6 某泵房底板三維配筋及二維出圖Fig.6 Three-dimensional reinforcement and two-Dimensional drawing of the bottom plate of a pumping house

在統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)和唯一的數(shù)據(jù)源下，設(shè)計(jì)人員可方便而準(zhǔn)確的調(diào)用各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)完成的三維模型進(jìn)行三維數(shù)值分析或配筋設(shè)計(jì)，同時(shí)數(shù)值分析的成果亦可反饋至數(shù)據(jù)庫(kù)，指導(dǎo)三維配筋設(shè)計(jì)或三維模型的修正，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水利水電設(shè)計(jì)中三維模型設(shè)計(jì)、三維數(shù)值分析、三維配筋設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的高度集成和有機(jī)結(jié)合。

2.2.6 虛擬展示

利用BIM技術(shù)把場(chǎng)地周邊的房屋建筑信息和場(chǎng)地信息全部提取，在InfraWorks中真實(shí)還原一個(gè)完整的周邊建設(shè)場(chǎng)地模型。然后將整合后的整體樞紐導(dǎo)入InfraWorks與場(chǎng)地模型整合于一體，可實(shí)現(xiàn)建設(shè)方案的樞紐布置和多方案比選分析(圖7)。結(jié)合VR技術(shù)，可以突破空間限制，三維可視化瀏覽工程布置情況，并能實(shí)現(xiàn)不同天氣的場(chǎng)景切換，瀏覽模式多樣。逼真展現(xiàn)工程的完建場(chǎng)景，通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行場(chǎng)景漫游，使觀看者有如身臨其境，提高參與方對(duì)工程整體的認(rèn)識(shí)。

圖7 某泵站樞紐整體效果Fig.7 Overall effect of a pumping station hub

2.3 水機(jī)、金結(jié)、電氣專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)

2.3.1 專(zhuān)業(yè)模板庫(kù)的積累

機(jī)電金專(zhuān)業(yè)的三維設(shè)計(jì)主要是在三維空間狀態(tài)下布置已經(jīng)定型、成熟的機(jī)電設(shè)備、管路零件以及其他部件。機(jī)電專(zhuān)業(yè)的特殊性決定了它不需要每一次都對(duì)設(shè)備進(jìn)行三維建模，而是在項(xiàng)目中通過(guò)總結(jié)和歸類(lèi)，把不同類(lèi)型、型號(hào)和功能的設(shè)備都建模錄入到機(jī)電設(shè)備庫(kù)中(圖8)，在今后的設(shè)計(jì)使用過(guò)程中，只需根據(jù)設(shè)備的參數(shù)就可以方便的調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備模型并進(jìn)行布置。機(jī)電金設(shè)備的參數(shù)化建模與入庫(kù)在Revit軟件的族庫(kù)模塊中完成，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，創(chuàng)建與模型參數(shù)相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)表格，定義零件類(lèi)型、屬性、編碼等信息。Revit軟件可以自動(dòng)提取模型的屬性參數(shù)，并以表格的形式顯示圖元信息，從而自動(dòng)創(chuàng)建、輸出各類(lèi)構(gòu)件、材質(zhì)統(tǒng)計(jì)明細(xì)表。對(duì)于模型的任何修改，明細(xì)表將會(huì)自動(dòng)更新。

圖8 機(jī)電金專(zhuān)業(yè)模板庫(kù)建立Fig.8 Establishment of professional template library of mechanical and electrical funds

2.3.2 與水工專(zhuān)業(yè)的協(xié)同

水機(jī)、電氣、金結(jié)專(zhuān)業(yè)三維建模主要在Revit軟件中實(shí)現(xiàn)，與水工專(zhuān)業(yè)的協(xié)同主要通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞和骨架約束。當(dāng)水工專(zhuān)業(yè)三維模型、專(zhuān)業(yè)骨架確定以后，生成adsk文件并鏈接到Revit中生成中心文件，并將生成的中心文件放置在Vault協(xié)同管理平臺(tái)中。機(jī)電金專(zhuān)業(yè)將其副本下載到本地生成本地文件并進(jìn)行設(shè)備及管線布置，最后通過(guò)與中心文件同步，水機(jī)、電氣專(zhuān)業(yè)可以在布置管線設(shè)備時(shí)看到其他專(zhuān)業(yè)實(shí)時(shí)進(jìn)度，在設(shè)計(jì)中最大程度避免線路碰撞，從而達(dá)到整體的協(xié)同，大幅提高了工作效率。

2.3.3 碰撞檢測(cè)及校審

牽頭專(zhuān)業(yè)通過(guò)Navisworks軟件的碰撞檢測(cè)功能(圖9)，可以檢查專(zhuān)業(yè)與專(zhuān)業(yè)間及專(zhuān)業(yè)內(nèi)部的空間碰撞與干涉情況，從而趁早解決與水工、建筑等土建專(zhuān)業(yè)的沖突，實(shí)現(xiàn)精確預(yù)留預(yù)埋，使布置更優(yōu)，減少返工。碰撞檢測(cè)功能可對(duì)硬碰撞、最小間隙檢查和凈空進(jìn)行設(shè)置，碰撞結(jié)果可生成檢測(cè)報(bào)告。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以快速找出碰撞部位，相關(guān)專(zhuān)業(yè)點(diǎn)擊碰撞部位后可返回Revit中進(jìn)行修改更新。

圖9 Navisworks中碰撞檢測(cè)Fig.9 Collision detection in Navisworks

通過(guò)Navisworks的審閱菜單，校審人員可進(jìn)行三維模型瀏覽、尺寸測(cè)量和碰撞結(jié)果預(yù)覽，對(duì)問(wèn)題部位進(jìn)行紅線批注、標(biāo)注、注釋?zhuān)徑Y(jié)果可實(shí)時(shí)反饋給設(shè)計(jì)人員。

2.4 施工專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)

2.4.1 施工三維設(shè)計(jì)

施工專(zhuān)業(yè)在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上引用測(cè)繪、地質(zhì)、水工等專(zhuān)業(yè)的BIM模型，在Civil 3D中可以實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)流建筑物、施工道路、邊坡開(kāi)挖、土方平衡、料場(chǎng)開(kāi)采、生產(chǎn)加工系統(tǒng)以及施工布置等相關(guān)設(shè)計(jì)[12]。Civil 3D自帶的部件編輯器功能可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型創(chuàng)建，通過(guò)標(biāo)簽、樣式定義可生成符合設(shè)計(jì)要求的二維剖面圖。通過(guò)BIM的可視化和協(xié)同功能，在InfraWorks和Navisworks中可對(duì)地形、地貌、各專(zhuān)業(yè)模型、渣場(chǎng)、料場(chǎng)、道路、施工機(jī)械等匯總生成可視化的施工總布置，并進(jìn)行三維漫游、4D施工模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了可視化的施工監(jiān)督，方便各參建方了解施工過(guò)程中的技術(shù)工藝、工程造價(jià)、工程關(guān)鍵技術(shù)、工程重點(diǎn)環(huán)節(jié)等，優(yōu)化了施工管理效率，提高了施工質(zhì)量。

2.4.2 施工過(guò)程4D模擬

將各專(zhuān)業(yè)建立的BIM模型按施工控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分并導(dǎo)入NavisWorks中，可以實(shí)現(xiàn)包含時(shí)間參數(shù)的4D施工過(guò)程和工藝模擬(圖10)。根據(jù)任務(wù)分解關(guān)系，自動(dòng)生成甘特圖和4D施工過(guò)程動(dòng)畫(huà)。通過(guò)4D模擬可以充分展示設(shè)計(jì)意圖，了解施工全貌和整體布局，掌握工程的施工過(guò)程，減少因技術(shù)錯(cuò)誤和溝通不暢帶來(lái)的協(xié)調(diào)問(wèn)題。也可以定義機(jī)械設(shè)備和施工人員的各種動(dòng)作，模擬多種施工方案的可操作性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)而選擇最優(yōu)的施工方案，增強(qiáng)施工的安全性，減少返工現(xiàn)象。針對(duì)比較復(fù)雜的施工工藝、工程構(gòu)件或難以二維表達(dá)的施工部位，利用4D施工模擬進(jìn)行三維交底，從而保證施工質(zhì)量[13]。

圖10 某水利樞紐4D施工模擬Fig.10 4D construction simulation of a water conservancy project

NavisWorks中通過(guò)BIM三維模型和進(jìn)度控制技術(shù)的信息錄入，可以自行統(tǒng)計(jì)匯總，實(shí)現(xiàn)快速精確的成本核算、預(yù)算工程量動(dòng)態(tài)查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)、限額領(lǐng)料與進(jìn)度款支付自動(dòng)管理等功能，從而達(dá)到以施工預(yù)算控制人力資源和物資消耗、造價(jià)信息實(shí)時(shí)跟蹤等目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文依托歐特克三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，討論了基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)施模式，并對(duì)水利水電行業(yè)主要專(zhuān)業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，為水利水電行業(yè)中三維協(xié)同設(shè)計(jì)的推廣提供借鑒。

(1)在基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)內(nèi)，通過(guò)不懈的探索和大膽的創(chuàng)新，可實(shí)現(xiàn)水利水電各專(zhuān)業(yè)三維模型設(shè)計(jì)、三維數(shù)值分析、三維配筋設(shè)計(jì)、4D施工模擬及虛擬展示等環(huán)節(jié)的高度集成和有機(jī)結(jié)合。在統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)和唯一的數(shù)據(jù)源下，運(yùn)用BIM技術(shù)可以高效地完成設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全生命周期管理，可實(shí)現(xiàn)三維技術(shù)(包括三維設(shè)計(jì)、分析及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù))向水利水電業(yè)務(wù)各層面、各專(zhuān)業(yè)、各環(huán)節(jié)的滲透，極大地提高了水電工程設(shè)計(jì)進(jìn)度和質(zhì)量水平。

(2)基于BIM的三維協(xié)同是一種設(shè)計(jì)方法，更是一種“文化”，不僅需要先進(jìn)的協(xié)同設(shè)計(jì)管理軟件和設(shè)計(jì)方法，還需要與協(xié)同設(shè)計(jì)相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)管理體系、生產(chǎn)管理流程、技術(shù)支撐標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)等企業(yè)管理環(huán)境的支持，以及強(qiáng)有力的、可持續(xù)創(chuàng)新的實(shí)施應(yīng)用團(tuán)隊(duì)。

(3)BIM應(yīng)用一方面要進(jìn)行全專(zhuān)業(yè)間的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，另一方面要深度挖掘BIM內(nèi)在隱含的信息。將BIM與互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、3D打印、VR/AR/MR技術(shù)以及3DGIS等結(jié)合在一起，使BIM技術(shù)平臺(tái)有了更為廣闊的市場(chǎng)。

□