厄瓜多尔CCS水电站沉砂池BIM应用

刘增强 郭莉莉 董甲甲 王陆

（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003）

厄瓜多尔CCS水电站沉砂池BIM应用

刘增强 郭莉莉 董甲甲 王陆

（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003）

厄瓜多尔CCS水电站沉砂池具有引水量大、工程规模大、泥沙含量大等特点。设计施工阶段，面临多种方案的优化对比、特殊复杂工艺的准确表达、大量异形结构的配筋施工图设计和异常严格的设计咨询审查等技术问题。为确保项目高质量顺利实施，将BIM技术成功应用于沉砂池设计施工阶段，提高了项目产品质量和设计效率，改变了技术问题沟通方式，为类似工程的BIM应用提供借鉴。

CCS水电站；沉砂池；BIM应用；拓展应用

1 工程概述

Coca Codo Sinclair（科卡科多·辛克雷水电站，简称CCS）水电站为引水式电站，位于南美洲厄瓜多尔国北部Napo省与Sucumbios省交界处Coca河（亚马逊河二级支流）南岸，电站总装机容量1 500MW。工程由首部枢纽、引水隧洞、调节水库、压力管道及地下厂房等组成，工程的主要任务是发电，工程总体布局见图1。

首部枢纽主要由面板堆石坝、溢流坝、冲沙闸及沉砂池组成。首部枢纽流域多年平均年径流量291m3/s，日均泥沙含量1.62kg/m3，年均淤积量为466万t。首部枢纽最高洪水位1 288.3m，最大泄量1.5万m3/s。沉砂池设计引水流量222m3/s，主要由取水闸、过渡引渠、沉砂池室、出水闸、静水池、侧向溢流堰和冲沙廊道等建筑物组成。

取水闸为17孔带胸墙的闸，其中16孔取水经过渡引渠进入沉砂池室，向下游引水发电，单孔过流尺寸3.10m× 3.30m（宽×高）；1孔取水经冲沙廊道向下游河道提供生态流量，同时输送沉砂池冲沙系统泥沙到下游河道，单孔过

流尺寸1.50m×3.30m（宽×高）。引水闸与沉砂池室之间布置过渡引渠，同时在引渠布置3道整流栅，调整水流平顺进入沉砂池。引渠下部布置冲沙廊道及冲沙系统的输沙管廊道，引渠墩墙布置了冲沙系统控制竖井。沉砂池室共8条，两池室一联，单池室净宽度13m，上部为矩形深8.2m，下部为漏斗状，深3.5m。沉砂池后接出水闸及静水池，水流出沉砂池后经静水池后进入无压输水洞向下游引水。出水闸布置检修闸门，当沉砂池池室放空检修时防止水流从静水池进入；静水池左侧布置侧向溢流堰，通过液压翻板闸门下泄多余水量，控制静水池内水位，保证进入输水隧洞的流量不超过设计引水流量。

图1 工程总体布置

2 项目特点

厄瓜多尔CCS水电站沉砂池除具有多项技术特点外，在建设及运行期还需面临多种复杂环境，突破和解决此类问题是顺利进行工程建设和运行的重中之重。

2.1 工程规模大

CCS水电站建设对外总投资20亿美元，是厄瓜多尔国内最大水电站，装机容量1 500MW，建成后将满足厄瓜多尔全国1/3的电力需求。据统计，该水电站沉砂池是全世界最大规模的沉砂池。

2.2 地震烈度高

作为地震多发国家，厄瓜多尔处在全球最主要的地震带——环太平洋地震带上，这个地震带上集中了全世界80%以上的浅源地震、几乎全部中源和深源地震，这个地震带又被称为“火环”。该工程地处高烈度区（9度抗震设防）。

2.3 处理工艺要求高

冲砂系统采用国际专利技术——Sedicon冲砂系统，为首次应用在大型水电工程中；处理流量222m3/s，要求0.25mm以上泥沙沉降率100%。

2.4 咨询审查苛刻

合同要求，所有的设计图纸必须经过咨询审查通过才能用于施工，而传统设计的很多成果需要反复多次才能最终进入施工环节。

2.5 语言沟通不便

本项目设计工程语言有西班牙语、英语和中文，一个技术沟通往往需要多种语言的不断翻译和切换，影响设计效率，增加沟通成本。

3 BIM应用概况

针对上述项目特点，为顺利完成CCS水电站沉砂池这一世界难题，项目组基于黄河勘测规划设计有限公司在BIM方面的研究与生产技术积累，组织策划并积极采用BIM技术（沉砂池全貌见图2）。通过BIM技术主要开展了以下工作：①建立符合工程实际的院级BIM设计平台实施产品设计；②设计过程贯穿概念设计、基本设计、详细设计各阶段整体方案优化与结构详细设计，以至施工阶段的现场指导；③对基于BIM模型拓展应用于各类分析计算与验证；④基于BIM模型制作沉砂原理动态说明书，信息传递无障碍；⑤形成数字档案用以运维管理。

图2 沉砂池全貌

4应用BIM创新亮点

在BIM模型建立过程中，对沉砂池主要水工建筑物采用法国达索的CATIA进行建模，该软件具有异形体快速、参数化、建模化和关联性等特点［1］；对沉砂池顶部的配电房、取水闸启闭机房及冲沙闸启闭机房等房屋建筑采用欧特克公司的REVIT进行建模，该软件具有标准化程度高、建筑门窗等族库丰富、易于搭建等特点。为形成统一、完整的、信息丰富的BIM模型，将所有模型转换至Navisworks软件中，并集成各类设计与施工信息。

4.1 基于院级的BIM设计环境

结合在多个研究生产项目中的实施经验，参考我国相关BIM标准，及时总结并制定了一系列完善且符合实际生产需要的建模标准；基于已有院级研究应用成果，二次开发形成集环境资源、信息资源、业务流程、业务协同、交付标准及过程控制的协同设计环境（见图3）。

图3 BIM设计环境组织结构

①BIM不是一个软件能完成的工作［2］，高效的BIM环境资源，需要融合多种常用BIM设计软件，包括CATIA、REVIT、Navisworks和三维配筋软件等，只需轻轻一点鼠标，即可进入相应的软件设计环境，软件集成度高，内容全面，软件之间切换方便。

②ProjectWise是一个软件系统，其通过使用Mod⁃elServer®技术和Internet，使您能够在分布于世界各地的站点间交换工程项目信息。ProjectWise为所有指定的人员在任何时间、任何地点安全且精确地提供了最新的项目信息。每一个人都能够依靠于一个单一的、一致的项目信息资源。

基于ProjectWise协同设计，是解决大型复杂工程BIM设计的必要手段，可以实现公司本部不同专业之间，本部设计人员与CCS工程现场人员不同时空的同步设计、信息实时共享、安全访问等，节约工程成本，提高设计效率。

③信息资源中拥有丰富的、符合公司标准的水利工程专用模板库和机电专业模板。水利工程专用模板库，通过前期大量积累的标准结构参数化构件，整理出适合水工建筑使用的模板库，减少由大量草图及参数一步步建立模型的繁琐过程，缩短设计时间，大幅提高工程建筑物建模效率和模板标准化程度。机电模板库由水机和电气专业三维设计带头人负责评定入库，每个入库模板均经过不同项目的应用检验，为本项目全专业应用BIM技术提供了强有力的技术支撑和基础保障。

④BIM平台中还集成了黄河勘测规划设计有限公司经过多年研究应用，总结并发布的各类过程控制、交付标准和应用流程方面的文件。过程控制文件主要是通过行政方式进行BIM技术的全面推广；交付标准涵盖模型细节层级、命名标准等；应用流程包括BIM设计中项目不同角色所要进行的工作，并进行了相应权限的约束。通过这些文件，规范了项目设计流程，提高了设计标准化程度。

4.2 工程设计全阶段BIM应用

通过沉砂池BIM模型在概念设计、基本设计到施工图设计阶段的持续深化设计，合理优化了沉砂池、冲砂廊道布置，使概念设计复杂的冲砂系统得以简化；为缩减设计施工周期、节省工程投资等起到关键支撑作用。另外，经复核，招标设计的6条长120m的沉砂池池室设计不满足沉砂要求，需增加池室数。综合考虑，沉砂池最终采用了8条池室，每条池长150m［3］。

基于CATIA的复杂结构的参数化构建优势，实现沉砂池在各设计阶段的高精度异型结构建模。利用CATIA快速准确重构地质模型，基于正确的三维地址模型，进行基础桩基处理方案的详细设计。通过桩径、间距及桩长等参数的实时调整设计，优化群桩基础处理方案。另外，利用BIM技术参数化、精细化设计及方程图形化，最大程度地提高复杂结构的建模精度，在沉砂池过渡渠段的设计精度最大偏差不超过1mm。

施工图设计阶段，钢筋图设计工作量非常大，加之本项目的设计咨询严格等要求，按照传统设计是很难完成此项工作的，且晚提交设计成果存在索赔的风险。因此，项目组决定，在BIM设计中全面采用三维配筋技术，相比传统配筋设计，其具有设计工作量小、钢筋不易遗漏且布筋准确度高，钢筋表容易统计准确无误且一次成表，重复修改量极小等特点。其使复杂结构的配筋设计不再繁重，节省大量人力，避免图纸交付风险，也提高了设计质量，图纸标准化程度高（标注、字体及各类符号），一次通过咨询审查率提高到100%，全面解放了设计生产力。三维配筋结果不仅可以输出到CAD中作为施工用二维图，而且可以导入CATIA软件，建立完整的设计模型；合成后统一导入Navisworks软件中，进行沉砂池结构和配筋属性的输入，作为BIM模型的重要组成部分。具体的三维配筋设计过程见图4。

图4 三维配筋设计过程

图5 碰撞检测

本项目涉及土建、电气、水机、金结等多个专业协同设计，通过Navisworks的碰撞检测功能，在计算机内虚拟检查同一专业内不同结构、设备管线，或不同专业之间的软、硬碰撞，提前解决施工中可能遇到的错、漏、碰撞等问

题，避免在施工时发现而事后补救（见图5）。例如，工程中的栏杆与路灯在土建与电气专业设计中缺少沟通，在BIM模型碰撞检测中发现了位置重叠，随后由电气专业队路灯的位置进行了调整，才避免了将来在施工中发现的问题。

4.3 基于BIM模型的拓展应用

基于BIM同一模型，鉴于CATIA软件强大的三维建模能力及其良好的开放性［4］，设计人员直接导入AN⁃SYS、Fluent等分析计算软件进行前处理，省去在这些分析计算软件中二次建模工作。采用ANSYS计算软件进行结构计算分析，采用Fluent进行水力学分析。另外，通过BIM同一模型，通过剖切、隐藏、缩放等方式，全方位实现结构体型细节的可视化展示，使水力学试验有据可依，对优化体型、确保流态符合设计要求了起到关键作用。

通过BIM模型的拓展应用（见图6），在源数据统一的情况下，解决了设计与计算分析脱节问题，保证了结构设计的安全可靠，整体缩短了分析计算周期，充分发挥了BIM模型的新价值。

图6 BIM模型的拓展应用

图7 沉砂工艺管道布置

4.4 复杂冲砂系统的可视化设计

在水利水电工程中，利用沉砂池对含沙水流进行泥沙处理是一种行之有效的措施，且应用十分广泛。采用沉砂池的主要原理是，水流进入尘沙池后，流苏显著减小，使得水流挟沙力大大降级，从而改变了原有水流泥沙的状态，从而达到尘沙的目的［5］。

CCS水电站沉砂池排水系统选用的是SEDICON冲砂系统，整个系统结构及沉砂过程异常复杂。但采用BIM技术的三维精细化“所见即所得”设计，使复杂的尘砂工艺通过可视化手段很轻易地表现出来，使参建各方在关键技术的沟通上不存在障碍。同时，通过可视化设计，使沉砂工艺的复杂结构避免了出现错、漏、碰等问题，确保了沉砂系统布置及运行的安全可靠。其中，尘砂工艺管道布置情况见图7。

4.5 BIM助力施工深化

设计移交给施工方的是基于Navisworks平台的BIM模型，施工方进行节点深化设计，提高成本控制能力，降低现场沟通成本，提高施工效率和质量，降低工程风险。

通过BIM模型虚拟建造技术，可为设计单位的设计可行性提供可靠佐证，同时为施工单位提供验证施工工艺是否可行的平台。BIM模型融合专业全面，提前解决了机电、土建专业之间的错、漏、碰，在施工现场指导施工单位进行计划安排、混凝土、钢结构及机电管线的制安。具体的BIM深化模型与现场施工情况见表8。

图8 BIM深化模型与现场施工

4.6 信息丰富的数字档案

数字档案的产生是一个过程，是由机关、团体、企事业单位、其他组织及个人在社会活动中直接形成的，是真正档案的形成过程，而不是由档案管理部门将档案数字化后形成的数字化档案［6］。数字档案的基本构架见图9。

本工程的BIM模型是一个真正意义上的信息丰富、全面的“活”档案，是在生产活动中由参加各方共同努力形成的。其不仅包含规划、设计及建设阶段的各类文档、图纸、审查文件、会议文件、咨询意见、图片及视频信息，而且包含运维期间各类设备的更新换代等动态信息。其是不断变化却始终最新，且能保证各项痕迹的保留可查

询系统。在任何时候、任何地点，通过技术手段都可以查询需要的工程信息。因为多种信息都统一绑定在三维模型上，所以追根溯源以及进行后期的相关工作都非常方便。

图9 数字档案基本架构

5 结语

①BIM是行之有效的有形工程语言。尽管工程规模大，布置复杂，设计繁杂，通过BIM方便设计、咨询、施工等各方理解设计意图和项目沟通决策，打通国界语言（西班牙语、英语和中文）的障碍。

②BIM是提高产品质量和设计效率的最佳手段，个性化的平台定制很关键。针对本工程，量身定制个性化的设计平台，可以有效提高产品质量和设计效率。

③不同设计阶段BIM细节层级表达应准确、到位，不宜超阶段进行。不同阶段BIM细节表达不同，符合阶段要求的细节表达不仅可以说明项目情况，而且可以节省大量的人力物力。

④广泛进行BIM成果的拓展应用，全方位提升BIM技术深层价值。要不断深挖BIM成果深层价值，如在分析计算等方面的应用，才能给工程带来更多实际效益。厄瓜多尔当地时间2016年4月16日发生7.8级强烈地震，工程经受住了强震考验，并为抗灾提供电力保障。以“中国技术和中国质量”为救灾工作提供电力保障。

⑤BIM指导现场施工、工程运维具有无可替代的作用。把设计阶段的BIM模型扩展至施工及运维阶段，延伸BIM应用链，增加BIM应用附加值。

［1］郭莉莉，李斌，王小平，等.水工建筑物三维建模应用（1）［M］.郑州：黄河水利出版社，2014.

［2］何关培.BIM和BIM相关软件［J］.土木建筑工程信息技术，2010（4）：110-117.

［3］李志乾，耿波，台航迪.CCS水电站大型沉砂池设计［J］.珠江水运，2014（22）：60-61.

［4］许文龙.水利水电工程地质数据库管理系统及数值计算前处理研究［D］.长沙：中南大学，2014.

［5］华根福，刘焕芳，汤骅，等.尘沙池中水流流态的数值模拟［J］.石河子大学学报，2019（4）：482-486.

［6］梁惠卿.档案数字化、数字化档案和数字档案概念辨析［J］.档案管理，2013（1）：38-40.

BIM Applications in Ecuador CCS Hydropower Station Grit Chamber

Liu ZengqiangGuo LiliDong JiajiaWang Lu
（Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Grit chamber in Ecuador CCS hydropower station has large water diversion,engineering scale,sediment concentration and some other features.During design and construction phase,it faces a lot of technical problems,in⁃cluding optimization comparison of various programs,accurate expression of the special complex process,a large amount of special-shaped structure reinforcement construction drawing design,abnormal strict design consulting and so on.To ensure the smooth implementation of the project quality,BIM technology was successfully applied to the de⁃sign of sand basin construction stage,it has improved the product quality and design efficiency,changed the commu⁃nicative way of technical problems,to provide a good reference for BIM applications in similar projects.

CCS hydropower station；grit chamber；BIM applications；expanding application

TV673.1；TV732

A

1003-5168（2016）10-0021-05

2016-09-11

刘增强（1979-），男，本科，高级工程师，研究方向：水利水电工程数字化应用研究。