3D/BIM模型在挪威斯密斯托水电项目设计与施工中的应用

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设计与施工

3D/BIM模型在挪威斯密斯托水电项目设计与施工中的应用

[挪威]赫尔曼·熊·史密斯等

斯密斯托水电项目的土建工程采用了挪威非常规的EPC模式，为EPC承包商和咨询公司之间开展更大范围的协作创造了机会。同时设计团队采用3D/BIM模型的创新方法取代传统的二维平面图纸，并通过模型将设计成果传送给承包商，不仅为设计公司和承包商带来了潜在的高附加值，而且还可使用户获得比从二维平面图更多的信息。通过在模型中构建信息、生成更易于接近的视点、培训双方的工作人员等创新方法，取得了满意的效果。

3D/BIM模型；EPC模式；水电项目；挪威

1 概 述

斯密斯托水电项目是21世纪初以来挪威新建的大型水电项目之一，主要由一条无衬砌地下水道(总长27 km，流经多条隧洞和多个竖井)、2座电站(斯密贝尔格(Smibelg)电站和斯图拉湖(Storåvatn)电站)、11个取水口、1座泵站、6条水下隧洞及若干座小型水坝组成。

斯密斯托水电站为高水头、低流量电站，两座电站独立分布，水库库容大，斯密贝尔格电站装机容量为33 MW，斯图拉湖电站装机容量为(25+8)MW。项目于2015年夏季开工，预计2019年可完工。

该项目位于偏远沿海地区，湾峡和山谷之间的风、降水量、气温等气候要素变化多端。项目场址仅可由海路通达，大多数取水口区域仅能通过直升机抵达，这对施工规划和后勤保障提出了很高的要求。

2 项目实施

根据EPC合同安排，项目业主斯密斯托克拉夫特AS公司(Smisoto Kraft AS)将所有土建工程和地下工程的实施合同授予了挪威承包商Hhre Entreprenør AS公司。液压机械和机电设备由供应商供货并负责安装，合同签订及相关协调工作由项目业主自行负责。工程设计、采购、施工合同(EPC)意味着EPC承包商将全面负责设计、采购、施工及安装调试等所有工作，并最终向项目业主交付一项完整的工程。

综合咨询ASA公司(Multiconsult ASA)代表承包商承担所有土建工程的设计咨询，以及不同液压机械和机电设备供应商之间的协调。

在挪威，水电项目的土建工程很少采用EPC模式，常规的做法是咨询公司代表项目业主进行工程设计。然而，该项目EPC模式的建立，为EPC承包商和咨询公司之间开展更大范围的协作创造了机会。通过前期反复交流勾通，双方对项目目标有了统一的认识，并计划通过相互合作实现以下目标，即经济有效的技术方案、现场的高效执行力、从概念到施工的高效率的工作流程及完整的文档编制。

鉴于总包方和设计方共同的利益目标，双方决定采用3D/BIM模型进行所有设计和绘图工作，以挑战传统的设计与施工方法。设计成果通过模型传递给承包商，而不需要打印传统的二维平面图纸。

3 规划与设计过程

由于采用了非常规的合同模式及非常规的3D/BIM模型设计成果传递方式，项目规划与设计过程中需要进行一些适当的变更。此外，承包商还确认了工作流程和工具使用方面的变更。

设计过程就是所涉及学科之间的不断迭代，其中一个学科始终是前提学科。通过线性方法将整体过程分解成若干子阶段，直到前一子阶段中所有学科都完成既定的里程碑后，下一子阶段才开始工作，从而获得较小的迭代循环和更精简的设计流程。

项目实施的工作流程基于综合咨询公司的理念，但为了实现项目的特定目标，也对综合咨询公司的理念做了局部调整。最终采用的工作流程包括下述几个连续的子阶段：

(1) 设计工作的初始化；

(2) 跨学科的设计过程；

(3) 详细设计；

(4) 施工工作的跟进。

各子阶段明确了整个过程中承包商、供应商和项目业主各自负责的事项及其先后顺序等。

承包商所建议的工作流程已证明可简化设计工作，而且还减少了通常在类似项目中所需要的修改次数，从而降低了成本。此外，新的工作流程为项目规划和后续工作提供了一个改进的平台。

4 模型开发

为了适应在施工现场直接从3D/BIM模型中检索信息，而不需准备传统的二维平面图纸的目标，承包商专注于在以下方面对传统方法加以改进：

(1) 现有软件在设计和施工中的不同用法；

(2) 基于信息利用的目的，对咨询公司将信息传输给承包商的方式进行优化；

(3) 采用替代传统二维平面图纸的新产品；

(4) 允许通过模型扩展交流。

为了推行适用于现场的相关理念(贯穿于整个设计阶段的重点)，设计人员采用了编织Braided设计模型的思维方式。之所以选择这种模型，是因为它可以通过5个连续的开发步骤和数次的迭代将设计、策略和技术运用三者结合起来。

由于双方都参与了不同概念的开发，从而可以在施工现场对不同概念进行连续性能测试，及对一些新概念进行迭代。下面将会对此做进一步描述。

5 模型使用

结合几何图形为拟设计的土建单元定义一组属性，以便生成所要构建对象的表现形式，这就是通常所说的BIM(建筑信息模型)。

在一张传统的二维平面图纸上，几何图形是用带有参考坐标点的平面视图和剖面图来表示的，图纸上的文字说明则给出了材料、安装技术和质量标准方面的信息。

另一方面，一个三维模型则提供了完整土建单元的几何形状及其在最终坐标系中的位置。结合每个单元的指定属性，三维模型生成该设计的数字化表现形式。

在斯密斯托项目设计中，设计人员首先明确定义了一组定制的信息参数和属性，然后将这些信息分别指定给每个建模单元，包括质量水平、先后顺序、单元识别号、设计规定、说明、防火要求、材料要求及数量等。当需要时，结合这些信息参数与建模单元的几何图形，便可获取设计中所有的信息，唯一的较大障碍是必须能在施工现场使用和理解计算机程序。

为了模型构建和便于信息检索，按以下层次结构对这些模型进行准备与调整：

(1) 编译模型。岩石与混凝土工程外部界面整体组成及控制的说明。

(2) Solibri软件中每个主体结构(如电厂、大坝)的集成模型。界面处理、冲突检测和跨学科协调,以及施工模拟与土建工程的作业指导书。

(3) 设计模型，用于隧洞与景观工程的Autosesk Civil 3D软件，以及用于其他结构的Revit软件。IFC模型输出到集成模型，以及特定模型的输出，使得在施工现场能够直接检索测量数据。

5.1 排 序

如前面所述，液压机械和机电设备由供应商供货并负责安装，合同所要求的详细设计则通过三维模型提供。结合土木结构模型，供应商模型允许进行物理接口处理、早期阶段冲突检测及集成模型中跨学科协调。

对土木结构按计划施工顺序进行标注，并根据安装顺序与供应商的单个模型相结合。该标注系统允许在设计阶段对施工与安装的顺序进行更高级别的调整。

5.2 质量水平

为了控制模型中的规划和设计过程，将所有组件的开发结构化为指定质量标准，用以表明每个单元在设计、跨学科控制和施工状况方面所达到的状态和质量。当前的质量水平与计划的施工顺序在集成模型中均为可视的。

按计划的施工顺序对土木结构进行标注和开发。结合质量标准，功能目标的实现就有了保证。过程的可视化开发成果不仅为项目规划和后续工作提供了一个良好的平台，也为所有参与方提供了一个交流平台。

在设计和施工的交叉点上，模型中提供了完整结构的总体可视化效果，但是承包商不能从标注的质量水平低于“S4”的任何组件开始工作。

标注“S5”表示现场完成的单元，根据EPC承包商控制系统要求，现场执行过程受控，并且与设计保持一致，包括执行单元的测量工作。在执行偏离设计标准时，给出“S5”标注之前需及时对模型作出相应的调整。不断升级的“已建成”文件，将为电站将来的运行和维护工作创建一个功能性的工具。

质量标准描述了设计过程中每个单元的成熟度，并且不对应一定水平的细节或信息。在建模过程中，一直采用一定水平的细节或信息，直到在设计过程开始之前双方达成一致意见。从理论上讲，一个单元即使施工准备还不充分，也可在早期阶段生成高度细化的设计成果。相反，一个单元可能无几何形状的详细信息，但可以有足够的信息用来施工。

6 设计依据的调整

为了确保EPC承包商现场管理人员和施工人员获得的信息是正确的，需要对设计模型按层次结构进行准备与调整。由于施工现场拥有现代化的设备，包括用于机器控制和测量的设备，二维平面图纸并不总是传递设计信息的最有效方式。考虑到不同软件的特点和施工规划方法，需要针对项目的不同特性采取不同的方法：

(1) 为隧道、绿化和岩洞开挖工程而建造的模型，机器控制是执行过程中的核心；

(2) 为混凝土工程、钢筋和其他安装工程而建造的模型，需要详细的几何控制和装配程序；

(3) 用于测量工作的模型，除了几何图形之外，不需要配置一个以上的属性，Autodesk Civil 3D软件可用于设计具有以下特征的工程：①竖井和隧道工程。明确中心线和横截面的要求，承包商需要制定开挖计划。②绿化工程。定义形状和界线。

Autodesk Revit软件用于项目其他工程的设计，选择这一款软件的原因是它可以对3D单元的属性进行结构化分配。而Revit软件则用于项目下述主要工程的设计：

(1) 地下工程。①岩洞开挖。确定爆破工程量和最小外边界，以便于编制开挖计划。②锚杆。定义锚杆的深度、位置、方向、尺寸以及施工要求。

(2) 所有其他土建工程。①诸如灌浆细节和预留孔洞等混凝土工程。②接地、光电装置、暖气、通风及卫生设施等技术装备。

通过模型直接传递信息构成了所有就设计进行交流的基础，包括设计会议。

7 混凝土工程设计依据

对于混凝土工程，所有单元都按照计划的浇筑顺序进行建模，包括施工缝。这为设计工作提供了准确的依据，例如对结构计算的影响，以及钢筋长度和搭接处的正确描述等。通过直接量化反应承包商的额外效益，为项目早期制定施工计划和开展采购提供了可能性。

对于混凝土工程，整体设计依据适用于结构的集成模型设计。然而，为了便于信息检索，增加可用性，可通过实施下列措施在模型中提供分类信息：

(1) 为每一个施工工序生成一套组合的模型视点，显示原计划的子工序排序，突出显示关键信息，如预留孔洞和预埋件等。

(2) 钢筋弯曲表。

(3) 混凝土构件标识与钢筋之间的关系。钢筋(和其他相关的细部件，诸如预埋件、斜坡式护坦)被分配给混凝土主单元。

8 挑战与展望

8.1 挑 战

当今土建行业的工作方法得到了广泛的应用，然而多年来变化不大，正如加拿大爱康(Aecon)集团执行主席J.M.贝克所指出的，与50 a前相比，当今建设项目上所采用的工作方法并没有什么改变。

要想建成一个挑战常规方法的项目，所有成员必须目标一致，并采用新的工作方法。在斯密斯托项目中，EPC承包商的目标是使过程尽可能容易被用户理解，以便现场管理和施工人员及时掌握所需的信息。与从二维平面图中得到的信息相比，用户能从模型中检索出同样多的甚至更多的信息，但前提是需要学习计算机软件，如模型查看器等。通过在模型中构建信息、生成更易于接近的视点及培训工作人员等方法，EPC承包商已经获得了满意的效果。

大多数项目的评估是依据费用、时间和质量等参数进行的，创新过程通常得不到重视。因此，为了改变当今水电行业中的常规方法，需要重视过程、工具和信息传送的潜在附加值，并且强调各方之间合作的重要性。

8.2 展 望

随着客户对寻求有效的解决方案和实施方法越来越感兴趣，推动了新技术在项目中的应用。然而，若要成功借鉴斯密斯托项目的技术，所有成员必须目标一致，并采用新的工作方法。因此，针对设计与施工，调动项目团队的积极性并达成目标共识十分重要，而不是过早使用2D平面图。斯密斯托项目小组通过以下措施大大促进了项目的顺利实施。

(1) 尽量减少耗时的手工操作，例如通过绘制和维护一整套图纸，减少了发生错误的可能性；

(2) 提供了信息交换和检索的良好平台；

(3) 促进跨学科协调和控制；

(4) 开发有效的调度工具，包括设计和执行工作；

(5) 利用可视化工具完美展现建设项目；

(6) 在项目的任何指定阶段直接检索相关的信息，并简化工程量计算。

斯密斯托项目人员在规划与设计工作中积累了大量的经验，并应用到Hhre Entreprenør AS公司所有的项目中，但该公司与其他的合作方能在多大程度上实现技术的应用，将取决于具体的项目和外部因素，诸如合同要求、客户的能力和动机、政府监管等。

孙婵译

2017-06-19

1006-0081(2017)10-0037-03

TV53

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孙 婵，女，长江水利委员会长江科学院，工程师。)

(编辑朱晓红)