劉漢霞

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著BIM技術(shù)的不斷推廣，各設(shè)計企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點已偏向三維設(shè)計和BIM技術(shù)應(yīng)用。由于BIM技術(shù)應(yīng)用投入大、周期長、市場機制暫未形成及高端技術(shù)人才短缺等原因，全過程的BIM正向設(shè)計還較少，大部分仍停留在翻模、可視化效果展示等階段[1]。下文以童埠智慧泵站工程為例，詳細(xì)介紹了BIM正向設(shè)計的全過程，成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

童埠圩位于安徽省青陽縣西北部，屬大通河流域下游沿江圩區(qū)，總面積29.00km2，其中，圩區(qū)15.89km2，丘陵區(qū)13.11km2。為保障童埠圩的生產(chǎn)及青陽經(jīng)濟開發(fā)區(qū)童埠園區(qū)的防洪安全，新建童埠智慧泵站1座，采用潛水軸流泵6臺：4大2小，設(shè)計流量為32m3/s，總裝機功率4000kw，泵室總體尺寸為順?biāo)飨?8.30m，垂直水流向27.50m。項目主要建設(shè)內(nèi)容包括：泵室、清污機橋、進水池、出水渠等3級建筑物；出水池、出水箱涵、防洪閘等2級建筑物；前池、進水渠護岸等永久性次要建筑物等4級建筑物。

2 BIM應(yīng)用前期策劃

2.1 協(xié)同設(shè)計組織

考慮到本項目設(shè)計周期短且涉及專業(yè)眾多，不同專業(yè)間數(shù)據(jù)交換格式多樣且過程復(fù)雜，有序合理的三維協(xié)同工作流程可以有效提高專業(yè)間溝通效率，減少修改與返工，確保項目在規(guī)定時間內(nèi)高效、高質(zhì)量地完成。通過梳理各專業(yè)設(shè)計內(nèi)容、工作開展前置條件和輸出成果，制定了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程，如圖1所示。

圖1 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程圖

目前，運用較為普遍的協(xié)同設(shè)計方式主要為鏈接協(xié)同設(shè)計和工作集協(xié)同設(shè)計2種[2-4]，本項目在局域網(wǎng)環(huán)境下，采用2種協(xié)同設(shè)計相結(jié)合的方式進行BIM正向設(shè)計應(yīng)用。

(1)鏈接協(xié)同，即在一個BIM三維模型文件中通過鏈接功能，引用其他文件的相關(guān)模型或CAD數(shù)據(jù)，與AutoCAD的外部引用功能相似。部分專業(yè)之間由于設(shè)計軟件的不同，需采用鏈接方式進行模型組合裝配。鏈接協(xié)同解決了不同軟件之間的設(shè)計溝通，并且可以更加方便地追蹤文件的版本，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高設(shè)計模型的質(zhì)量。

(2)工作集協(xié)同，指通過建立中心文件、創(chuàng)建工作集的方式實現(xiàn)不同設(shè)計人員之間的實時協(xié)同設(shè)計，它與鏈接協(xié)同之間存在著本質(zhì)上的區(qū)別。對于建筑物體量較大且較為復(fù)雜的工程，采用工作集協(xié)同可實現(xiàn)多用戶同時在本地模型中同步完成設(shè)計，避免重復(fù)工作并提高溝通效率。

2.2 數(shù)據(jù)互通

BIM技術(shù)相關(guān)應(yīng)用軟件眾多，本次正向設(shè)計過程中各專業(yè)軟件應(yīng)用情況見表1。

表1 BIM正向設(shè)計軟件應(yīng)用情況表

根據(jù)表1可知，不同專業(yè)所使用的軟件也有所不同。為提高模型數(shù)據(jù)互通性、減少重復(fù)建模工作量，梳理總結(jié)各軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲格式，以實現(xiàn)各專業(yè)間的“一模多用”，提高設(shè)計效率。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲格式見圖2。

圖2 BIM正向設(shè)計數(shù)據(jù)流流程圖

3 BIM正向設(shè)計應(yīng)用

3.1 勘察BIM應(yīng)用

為了更加直觀、真實地展現(xiàn)工程區(qū)域及周邊場景，項目采用無人機傾斜攝影對地表基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行采集，提取DOM、DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Infra works軟件中建立三維實景模型，直觀反映工程與周邊環(huán)境關(guān)系、實現(xiàn)了大場景的地形地貌巡視漫游和高程、距離、面域的量測[5]，并可進行任意位置的剖切，大幅減少現(xiàn)場踏勘工作量，與業(yè)主的溝通也變得快捷、高效、準(zhǔn)確。

利用三維地質(zhì)軟件，以地勘鉆孔、剖面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，融合地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息，構(gòu)建三維地質(zhì)模型，直觀展現(xiàn)了地層、構(gòu)造、地下水等信息。在此基礎(chǔ)上模擬基坑開挖，提供各土層的詳細(xì)開挖量，直接生成剖面圖及鉆孔柱狀圖，直觀地顯示項目區(qū)軟弱土層的分布；通過三維地質(zhì)模型與地基處理設(shè)計模型的融合，直觀準(zhǔn)確反應(yīng)地基處理設(shè)計的合理性。

3.2 各專業(yè)BIM模型創(chuàng)建

(1)水工結(jié)構(gòu)模型。工程范圍內(nèi)水工結(jié)構(gòu)，主要包括泵室主體、涵閘、翼墻及清污機橋等，水工專業(yè)采用Revit軟件，通過創(chuàng)建中心文件，進行多人實時協(xié)同設(shè)計。涵閘、翼墻及清污機橋，可調(diào)用南京市水利規(guī)劃設(shè)計院的參數(shù)化模型構(gòu)件庫，通過調(diào)整參數(shù)快速放置構(gòu)件創(chuàng)建模型。泵室結(jié)構(gòu)，由于其自身結(jié)構(gòu)特點，參數(shù)化程度較低，設(shè)計人員采用常規(guī)模型樣板，根據(jù)輪廓放樣、旋轉(zhuǎn)、融合等操作，創(chuàng)建泵室三維模型。水工結(jié)構(gòu)整體模型及單體模型如圖3所示。

圖3 水工結(jié)構(gòu)模型

(2)建筑結(jié)構(gòu)模型。建筑專業(yè)通過建立適合水利工程項目特點的建筑專業(yè)模板，定義了門、窗、欄桿等建筑族塊。在建模過程中，重點對站房內(nèi)、外墻體及粉刷做法、地板、吊頂、屋面、保溫等進行精細(xì)化建模，從而實現(xiàn)同類型站房的快速創(chuàng)建。泵房及管理房模型如圖4所示。

圖4 泵房及管理房模型

目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計成果交付物仍是二維圖紙，因此結(jié)構(gòu)正向設(shè)計流程首先采用PKPM-BIM軟件進行三維建模，然后導(dǎo)入PKPM-SATWE進行整體穩(wěn)定及配筋分析計算，需要利用PKPM模型直接輸出二維工程圖。

(3)金屬結(jié)構(gòu)模型。童埠智慧泵站金屬結(jié)構(gòu)，主要模型包括泵站進水側(cè)攔污清污設(shè)備、泵室出水側(cè)事故斷流設(shè)備、出水箱涵閘門井防洪設(shè)備，以及上述設(shè)備的埋件和附件。針對該工程金屬結(jié)構(gòu)的特點，運用Inventor軟件進行閘門、攔污柵的三維參數(shù)化模型創(chuàng)建，并將創(chuàng)建的金屬結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出為.rfa格式上傳至Vault協(xié)同平臺，設(shè)計人員根據(jù)各構(gòu)件相對位置進行模型的鏈接裝配。攔污柵、事故閘門及出水箱涵閘門模型如圖5所示。

圖5 金屬結(jié)構(gòu)三維模型

(4)水機模型。水機專業(yè)傳統(tǒng)的建模方式，是采用UG進行三維模型創(chuàng)建，但在模型總裝過程中，需解決與Revit軟件之間的模型轉(zhuǎn)換問題。由于兩款軟件的底層幾何引擎不同，存在不完全兼容等問題，導(dǎo)致導(dǎo)入模型失真。為更好地解決問題，項目使用三維建模軟件Inventor及Revit進行水泵機組及輔助設(shè)備建模。

水泵機組由葉輪段、導(dǎo)葉段、導(dǎo)流錐、電機及地腳螺栓等構(gòu)成。其中，葉輪段和導(dǎo)葉段由葉片和輪轂組成。本次BIM建模，水泵機組葉輪段和導(dǎo)葉段涉及葉片翼型，形狀較為復(fù)雜，因此，這兩部分建模在Inventor中完成。葉輪段及導(dǎo)葉段三維模型如圖6所示。

圖6 葉輪段及導(dǎo)葉段三維模型

輔機系統(tǒng)，設(shè)備包括供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等，涉及管道及其附件、供水泵、排水泵等。本次輔機系統(tǒng)建模，基于revit軟件在協(xié)同平臺上直接建模，通過協(xié)同工作減少配套設(shè)備設(shè)計和建筑、結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)錯誤，同時，可以利用碰撞檢查工具，及時發(fā)現(xiàn)管道系統(tǒng)繪制中存在的問題。輔機系統(tǒng)三維模型如圖7—8所示。

圖7 常用管道附件族庫中調(diào)用的排污泵模型

圖8 供排水系統(tǒng)布置

3.3 數(shù)值仿真分析及方案優(yōu)化

現(xiàn)有主流BIM軟件，基本都實現(xiàn)了與Ansys、Abaqus、Midas等大型有限元軟件的無縫對接[6-8]，即采用BIM軟件創(chuàng)建三維實體模型，并導(dǎo)出為有限元軟件可識別的數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入有限元軟件創(chuàng)建三維數(shù)值模型，極大地提高了有限元模型前處理效率。文中采用Revit軟件創(chuàng)建涵閘結(jié)構(gòu)內(nèi)部及下游河道水體模型，將創(chuàng)建的模型導(dǎo)入Midas NFX軟件，進行網(wǎng)格劃分、荷載添加及CFD邊界設(shè)置，通過對各工況下閘門開啟時的下游河道流態(tài)仿真計算分析，可以得到最不利沖刷區(qū)范圍。設(shè)計過程中根據(jù)數(shù)值仿真分析結(jié)果優(yōu)化方案，對該區(qū)域進行加固防沖設(shè)計，確保工程運行安全。下游河道CFD流態(tài)仿真分析最不利沖刷區(qū)范圍如圖9所示。

圖9 下游河道流態(tài)仿真分析

3.4 三維配筋

結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計是施工圖階段的重要工作之一，在傳統(tǒng)的二維制圖方式下，設(shè)計人員需繪制多個剖面鋼筋圖以確保配筋意圖的準(zhǔn)確表達，但由于二維設(shè)計的局限性，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表達及設(shè)計意圖的溝通和傳遞仍有一定阻力。三維配筋軟件采用可視化界面，可直接導(dǎo)入BIM軟件生成的.sat格式三維模型，設(shè)計人員按照拆分規(guī)則將模型細(xì)分為單個構(gòu)件進行配筋，便于查錯、后期修改和模型替換。配筋完成后，設(shè)計人員可在三維模型上通過剖切、投影和軸測等方式，自動生成鋼筋詳圖及鋼筋表，避免了人工統(tǒng)計鋼筋時的錯漏問題。

3.5 虛擬仿真展示

BIM優(yōu)越于傳統(tǒng)設(shè)計的一大亮點是其仿真功能。真實、直觀的仿真模型，能加深各參建方對建設(shè)工程的認(rèn)識程度，促進各方之間的順暢溝通。項目運用BIM+GIS技術(shù)，基于Infraworks導(dǎo)入BIM模型及DOM、DEM等GIS數(shù)據(jù)，搭建工程區(qū)及周邊三維場景，快速實現(xiàn)涵蓋各要素的總體布置和多方案比選分析，為工程方案的確定提供了直觀、科學(xué)的依據(jù)。泵站整體效果良好，達到規(guī)劃設(shè)計預(yù)期。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)不僅是對設(shè)計工具的改變，更是對傳統(tǒng)設(shè)計思維方式及協(xié)作模式的變革。目前，由于設(shè)計平臺多樣化、技術(shù)積累薄弱及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善等各方面因素的制約，BIM技術(shù)在工程全生命周期的應(yīng)用仍有許多困難需要解決。研究以童埠智慧泵站工程為例，系統(tǒng)介紹了BIM正向設(shè)計的方法及流程，對協(xié)同設(shè)計組織方式、不同軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式及設(shè)計流程進行梳理總結(jié)，研究內(nèi)容可為類似工程BIM正向設(shè)計提供可參考的技術(shù)路線。

BIM技術(shù)應(yīng)用的核心，是設(shè)計成果所攜帶的信息和數(shù)據(jù)的全生命周期流轉(zhuǎn)，未來，應(yīng)進一步挖掘BIM設(shè)計成果的信息和數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，助力水利行業(yè)的智慧化發(fā)展，為推動水利高質(zhì)量發(fā)展增磚添瓦。