厄瓜多尔CCS水电站BIM综合应用

刘增强，史玉龙，梁春光

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

1 项目概况

厄瓜多尔CCS水电站位于亚马逊河二级支流科卡河上，处于高地震的热带雨林地区，邻近活火山，自然条件十分复杂。工程主要由拥有流量达222m3／s沉砂池的首部枢纽、长达25km多的输水隧洞、调蓄水库（库容2818万m3）、压力管道和地下厂房（212.0m×27.5m×46.8m）等组成；同时拥有616.74m的高水头和537.8m高压力竖井。

该电站是厄瓜多尔战略性能源工程，总投资23亿美元，是世界同类水头冲击式机组总装机最大的电站，总装机容量150万kW，年均发电量约87亿kW·h；工程于2010年7月开工，2016年11月全部8台机组成功并网发电，满足厄瓜多尔全国三分之一人口的电力需求，结束该国进口电力的历史，使该国由电力进口国直接跨入电力出口国，因此，受到中厄两国元首共同高度关注，被誉为厄瓜多尔“第一工程”。2016年4月厄瓜多尔发生了7.5级地震，电站经受住了考验，安然无恙。震后第二天，电站即紧急恢复发电并增加发电量，以“中国技术”和“中国质量”为救灾工作提供电力保障。

图1 CCS水电站工程布置示意图

2 工程难点

CCS水电站在设计建设过程中面临着重重压力和挑战，主要表现在：

非同寻常的时间要求：首部枢纽施工、输水隧洞TBM掘进及调蓄水库库盆开挖等问题直接制约工程总体建设。根据CCS项目EPC主合同协议，项目违约金为US$800，000／d，这个数字对于任何项目参与方都是无法承受的压力。

全新的设计模式：本工程设计成果必须先后经过公司内部设、校、审和三道严格的技术审查（国内专家组、CCS设计研究院、国外咨询ASOC）后交现场施工，而ASOC的审查平均一般要经历三到四版的报批工作，通过难度很大。ASOC咨询要求所有的图纸按照三步曲流程（计算准则、计算书、设计图纸）提交，即所有的施工图纸必须附带计算书和计算准则才是完整的设计成果，在施工周期异常紧张的条件下，不仅要按要求完善、修改设计成果，而且要积极面对面解释设计理念。CCS水电站的设计工作中要求采用美国及国际规范，无疑增加了设计及审查难度，为此设计方迅速转变思路，全部按照全新的设计标准和理念来推动工作。

异常困难的沟通：设计要面对中（设计语言）、英（过渡语言）、西（成果语言）三种语言的频繁交流，还要面临“不需要经验，要计算！”的严格要求。

图3 全阶段BIM应用

图2 电站厂房机电主设备管路

3 BIM技术的引入

面对重重困难，积极引入BIM技术，在项目概念设计、基本设计和详细设计三个阶段，规划、勘测、坝工、厂房、机电和施工等专业积极应用。基于CATIA的骨架设计、参数化、知识工程，先后建立了结构复杂、颗粒度高的全专业BIM模型，如图3所示；模型与分析软件接口通畅、二次开发与设计流程的定制化应用优势，使产品质量迅速提升，审查通过率达100%，设计效率直接攀升，棘手专业技术问题迎刃而解，受到了参建各方的高度认可。

4 BIM技术在项目中的全面应用

（1）基于BIM的沟通与协同

本项目利用ProjectWise协同平台的数据远程共享、异地访问安全等优势，搭建项目设计组织，解决项目多专业、两国（中国和厄瓜多尔）三地（郑州、基多和现场）的水电站BIM协同设计，实现了设计周期减少、沟通交流高效便捷，其优秀表现得到参建各方充分肯定。

（2）基于统一BIM的分析计算

通过BIM模型的拓展应用，在源数据统一的情况下，解决了设计与计算分析脱节问题，保证了结构设计等的安全可靠，整体缩短了分析计算周期，充分发挥BIM模型的新价值［1］。

规划专业基于完整构建的调蓄水库BIM，导入分析计算软件进行水库流速和沉沙分析，得到设计需要的技术数据，支撑规划专业技术结论。

厂房专业针对洞群三向薄岩壁问题，基于统一的地下厂房洞室BIM，结合地质及监测数据，在Flac3D软件中多次动态反馈分析，优化支护参数，提出了最佳解决方案，如图4所示。输水隧洞出口CFD分析和厂房尾水洞水流CFD分析，解决了分析计算软件前处理困难等问题，获得了国家专利一项。

水机专业采用BIM技术建立冲击式水轮机系统模型，在国内首次提出尾水有压无压工况稳定分析，成果在瑞士洛桑的水轮机模型试验中已得到验证，填补了国内该研究领域的空白，直接为CCS水电站年均增加发电量45000万kW·h。

电气专业基于BIM模型，导入专业分析软件，进行了电气安全空气净距校验和电气防雷计算。实现了校验点在三维模型中实时捕捉，坐标自动识别；根据应用场景，自动计算；整个校验全过程工作均在三维场景中进行，如图5所示，简洁直观。

图4 基于BIM的地下洞群围岩稳定分析

图5 电气安全空气净距校验

（3）BIM指导水力学试验和现场施工

基于BIM直接指导了调蓄水库输水隧洞出口、尾水洞及沉砂池等建筑物的水力学试验，并与数字模拟水力学分析结果进行比较。同时，在机电设备管路的碰撞检查、预先优化方面发挥了巨大作用。在指导现场施工过程中，基于BIM的技术沟通，赢得外方称赞与认可。

图6 分析验证拓展应用

图7 BIM与实际安装对比

（4）BIM出图

目前，施工图仍然是工程建设行业设计、施工、运营所依据的法律文件［2］。调蓄水库库盆边坡设计中，BIM技术充分发挥了才能，设计人员在现场利用BIM 4天时间解决了常规设计人员需要2个多月才能设计完成的调蓄水库开挖方案确定、设计及出图。主要原因：①模型的精准、合理、高效，符合实际情况；②充分利用参数模板技术，调整便捷，事半功倍；③基于BIM清晰表达复杂边坡开挖空间关系，准确获取开挖工程量。最终取得了一次性通过审查，满足业主特殊要求。

（5）BIM成果的标准化与管理

BIM设计统一采用同一个BIM集成化设计平台，其融合多重信息，集成度高、内容全面，提高设计成果的标准化和管理程度。制定一系列的BIM标准、应用指南，保证执行力，确保成果质量满足要求。制定相应的保障措施，三体系文件中增加过程控制程序，实现可控管理。

图8 BIM集成化设计环境

（6）BIM信息集成与传递

CCS水电站工程数字化档案管理系统集成不同设计阶段、不同专业、图纸、文档及设计施工过程资料等信息。实现用户的交互式操作，如模型的任意查看，数据的查询、上传、维护等，并保证与数据库的一致性。实现不同阶段和不同专业间信息的有效传递，避免遗失数据或破坏其完整性，直接作为后期运维阶段运行管理的基础。

沉砂池运维管理时，可抛去冗繁的文字描述和图片说明，直观、显性化的动画视频使工艺清楚明朗；同时，沉砂池首次将SEDICON系统成功运用于大型水电工程，创造性的将生态系统用水流道和冲砂系统结合布置，集成多种工程信息的沉砂池BIM，可直接被用于后期运维管理。

（7）BIM信息集成与传递

以数字近景摄影测量、数字图像处理和GIS技术，获取目标影像快速方便，可以节省大量外业工作时间。照片自动拼接，自动计算裂隙产状，自动生成CAD图形和三维模型，查看更加直观。三维模型、图形图像与BIM融合，为运维数字化成果提供丰富详实的地质资料。全面提高施工地质编录在数据采集、处理和管理方面的工作效率。

（8）施工方案、施工工艺模拟

创建一期、二期围堰模型，模拟导截流方案，进行方案比选论证，助力决策。导截流方案融入BIM并交付业主，作为运维信息基础数据，随时被检索追溯。将施工工法转换为直观可视的动画，指导现场施工。施工交底沟通方便、表达到位，因其通用性、代表性强可被不同工程重复应用。施工工法动画附加在工程BIM中，为运维期工程提供有用的基础信息。

图9 BIM集成化设计环境

5 创新点

（1）参数化

有效容积为2 000 mL的高压反应釜，烧杯1 000 mL，量筒1 000 mL，电子天平，计时器，真空泵，抽滤瓶，热风循环烘箱，高速粉碎机，80目标准筛。

将CATIA强大的参数化优势，引入到输水隧洞管片设计中，确保了常规设计极难达到0.1mm误差精度，准确表达了管片楔形量。基于CAITA二次开发建筑物智能建模系统，通过关键参数的调整实现建筑的自动创建和优化，打通了专业知识经验与软件的深层接口问题。参数设置合理最优，以最少且能突出反映建筑结构特征的关键参数来表达。

（2）流程化设计、开发工具

基于API函数自主开发流程化设计（土石坝、电站厂房和水闸等），将模板、参数化、设计经验和规程规范等融入其中，实时、快速、准确地创建出电站各类建筑物BIM，操作过程可见、可控。同时，结合工程实际需要，广泛应用自主二次开发的三维桩号标注、工程制图辅助和自动分缝分块等工具。

（3）基于Composer的信息集成技术

基于Composer ActiveX控件和API，创新性实现模型交互和数据集成。运用先进的BIM技术，创建三维可视化、动态可操作、交付信息可查询的工程交付模型。通过移植CATIA Composer结构树、剖切等基本模块，建立Composer的轻量化模型与数据库（含属性及图文档）的对应关系，构建基于BIM的图文档交互式（查询、附加和修改等）管理方法，并通过动画视频对工程进行动态展现，通过三维预设视图的方式对工程特定场景或特定部位进行互动式的详细展现。提供智能化三维模型搜索方式，搜索结果可根据需要进行突出亮显或单独显示，不仅实现了对指定模型的快速精准定位，而且有助于获取指定模型的附加信息。

（4）可视化

将BIM模型通过CATIA Composer轻量化，利用其优异的展示功能，将BIM模型快速转换为需要的图片及视频。通过Composer自带的更新功能，快速将轻量化模型更新为最新版本，同时更新视图和动画，无需重新制作，实现工程技术问题的可视化表达。直接替代大量冗繁的文字和配图描述，使类似复杂沉砂池工艺那种非常难以理解的工艺或原理直接被快速接受。

（5）BIM+VR

BIM+VR技术具有1∶1的沉浸式体验，无损展现产品尺寸、比例和细节，如图10所示。项目期间协助参建各方感知水轮机组和电站厂房各层的不同设计方案、色彩配置方案等，提前感知质量问题，确认空间布局的合理性，对机组关键部位的机械设备、管路维修性进行辅助设计。

图10 VR虚拟体验

（6）3D打印

根据实际需要，经多次比较优选确定3D打印采用 SLA方法，打印比例采用 1∶1000，精度0.05mm。与三维虚拟模型互为补充，进行了BIM模型的构件重叠和结构间缝隙检查。另外，打印方式契合水工建筑实际施工顺序，实现过程预先检查。打印出的作品为满足内部观察，采用创新手法，将BIM结构巧妙拆分打印。为节约打印成本，平衡大体积结构轻量化处理和3D打印产品力学特性，经深入研究，设置合理的结构支撑体系，减少打印成本超过40%。实现从虚拟到现实的过渡，是虚拟设计碰撞检测的延续性验证方式，具有可行性和广阔应用前景。［3］部分打印成品如图11所示。

图11 3D打印成品及设置的结构支撑

（7）激光扫描

由于距竖井顶部400m左右的极不规则塌腔体外形异常不规则，传统物探结果不能满足要求，故首次引进三维激光扫描技术，通过多点布置进行高精度、快速、完整地扫描塌腔体，获得海量的点云数据［4］，快速构建出结构复杂且不规则的塌腔体三维可视化模型，如图12所示，提高效率又省时省力。为塌腔体处理方案的设计提供了一手关键依据，加快了施工总体进度。

图12 三维激光扫描

6 BIM在本项目中的价值

本项目从初期三维设计基础性应用到后期BIM高阶综合性应用，经历了从项目局部到系统，再到企业级的BIM实施延伸提高，充分体现了BIM技术的不断发展和给实际生产带来的直接和间接效益，为今后企业更高层次的数字工程设计平台创建提供了积累，同时也成就了企业良好的BIM应用氛围、造就了一批BIM复合型人才。

（1）BIM成为工程师新兴的高效交流语言

本项目经历了三维设计从初期的局部应用到后期BIM系统性应用全过程，特别是在2012年大量施工图送交墨西哥咨询审查。由于中西语言直接交流障碍重重，导致咨询图纸审批通过十分困难，工期压力一度上升到最高级别，通过引入BIM这种无障碍交流语言，使得咨询面对“所见即所得”的真实设计消除了疑虑，开始逐渐接受我方的设计理念，施工图审批通过率一度攀升至100%。

（2）BIM助力破解艰难设计模式的僵局

位于南美的厄瓜多尔是美国的“后花园”，其对设计的严格也是前所未有。项目所有的施工图必须附设计准则和计算书，全部审查通过才能提交施工备料。工期进度的压力一度聚焦于施工图审批环节，采用BIM进行设计和出图，再辅以其他的有效措施，使得设计产品品质提升，图纸低级错误消失殆尽。

（3）BIM协同设计环境让年轻工程师成长迅速

CCS水电站装机规模大，电站设计复杂。各专业工程师在统一的电站枢纽协同环境中开展本专业设计工作，更加明确设计目标和相关专业的避让，同时也接触到很多跨专业的知识，这对于参与本工程的年轻工程师收益匪浅，提升了本项目的设计品质，通过本项目的历练，一批既懂专业又擅长BIM的年轻工程师正在成为多专多能高效复合型人才。

7 结语

创新设计思路，积极引进先进的信息化技术，通过BIM技术在本项目的大量广泛应用，发挥了实际价值，业主收获了高质量的设计产品，同时确保了工程工期和建设速度。工程按期施工和完工发电为业主带来了巨大的经济价值和政治影响力。2016年4月强震，正值该水电站首批四台机组发电之时，经历强震工程完好无损，并且加大发电运行，为强震后的国度送去支持，造福一方民众！

BIM技术从设计阶段开始策划应用，可以顺畅地拓展到施工、运维阶段，丰富设计产品的内涵、延续产品的全生命周期，拓展水利水电业务范围、延续价值产业链，同时结合VR／AR、3D打印等创新手段和新一代信息技术，加快水利水电行业向高品质、绿色、生态、智慧型发展，为行业发展探索注入了新思路和新方法。面对当今快速发展的信息化和BIM技术，以及住建部及各省市推进BIM技术的指导意见，未来BIM将是进入市场的准入证，谁掌握了BIM的全过程运用，谁就掌握了未来！［5］

［1］刘增强，郭莉莉，董甲甲，等.厄瓜多尔CCS水电站沉砂池BIM应用［J］.河南科技，2016（10）：21-25.

［2］何关培.BIM和BIM相关软件［J］.土木建筑工程信息技术，2010（04）：110-117.

［3］李忠富，何雨薇.3D打印技术在建筑业领域的应用［J］.土木工程与管理学报，2015，02）：47-53.

［4］马俊伟，唐辉明，胡新丽，等.三维激光扫描技术在滑坡物理模型试验中的应用 ［J］岩土力学，2014（05）：1495-1505.

［5］刘辉.水利水电工程勘测设计行业信息发展思考［J］.水利规划与设计，2017（01）：78-81.