两河口水电站BIM技术研究与应用

敖 翔，杨晨光，侯东奇

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 工程概况介绍

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，为雅砻江中、下游的“龙头”水库。电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪。电站采用坝式开发，水库正常蓄水位高程2865.00m，水库总库容107.67亿m3，消落深度80m，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。电站装机容量3000MW，多年平均年发电量110亿kW·h。［1］

两河口水电站枢纽建筑物采用拦河砾石土心墙堆石坝（高295m）、左岸地下洞室群（洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流竖井泄洪洞、中后期导流洞）和右岸地下洞室群（地下发电厂房、引水及尾水建筑物、初期导流洞）的工程枢纽总体布置格局，枢纽布置错综复杂。枢纽建筑物主要工程量：土石开挖约2400万m3、土石填筑约4160万m3、混凝土约365万m3。枢纽总体布置如图1所示。

图1 枢纽总体布置

300m级高土石坝与左右岸地下洞室群在深切河谷中施工布置难度极大，施工道路总长约120.95km（含隧洞约65.45km），尤其施工道路与左右岸地下洞室群纵横交错，空间关系复杂，工程难度大。施工总体布置与场内公路如图2所示。

图2 施工总体布置与场内公路

两河口水电站为藏区在建最大水电站，筹建准备工程于2005年12月陆续开工，工程计划于2020年11月下闸蓄水，2021年8月第一批机组具备发电条件，2023年12月底基本完工，工程历时长。

2 BIM应用规划

工程全生命周期管理是对建筑物整个生命周期（规划、设计、施工、运营、拆除）过程信息的综合管理。它不是一种技术，也不是一套解决方案，它蕴含着集成化、系统化的信息管理和知识管理的理念，在这一理念下产生很多实现工程全生命周期管理的技术手段和解决方案，而BIM技术就是实现工程全生命周期管理的重要基础。

两河口水电站具有地质条件复杂、枢纽工程布置错综复杂，施工条件差，施工工期长的特点，结合工程设计、施工、运维等全生命周期的各个阶段，对工程BIM技术应用进行了详细的规划，并提出各阶段BIM技术的应用程度和主要内容，方便设计人员、施工人员以及业主可以全面地管控项目。工程全生命周期BIM技术应用总体规划见表1。

图3 数字化设计解决方案总图

表1 工程全生命周期BIM技术应用总体规划

3 BIM技术体系

成都院数字化设计总体解决方案以工程生命周期管理为目标，基于统一的协同平台，构建基于三维数字化的企业最佳实践资源库和标准规范，各专业采用便于集成的专业工具创建信息模型，在协同平台上进行综合集成，形成工程数据中心，为各项工程设计应用和全生命周期管理提供数据支撑，以减少浪费、降低成本、减少返工、缩短工期，提升工程的经济社会价值。利用BIM进行信息管理，能够有效支持信息在各阶段间无损传递和实时共享，使项目的各参与方协同工作，大幅提高信息交流的效率，为分析和决策提供支持，实现建筑全生命期的可预测性和可控制性［2］。数字化设计总体方案如图3所示。

水电工程涉及到的数据内容可分为：基础图形数据（由GIS地理信息数据和BIM建筑信息模型数据组成［3］）、非实时性业务信息数据、非结构化文档数据、监测类实时传输数据。这些数据按照数据的组织形式可以分为属性数据和空间数据。

针对全生命周期管理系统数据信息具备多元、异构、庞大的特点，需建立统一的信息模型，以实现空间相关信息模型和业务的集成，实现系统从空间维度和时间维度的查询管理，从宏观和微观层面管理各类数据，建立数据、人员、业务、应用的统一编码体系，形成人、数据和业务的组织关系［4］。其中，数据由GIS地理信息数据、BIM三维模型数据、空间标注数据、业务对象数据构成，GIS数据通过空间编码与其他内容关联、BIM模型数据通过模型编码与其他内容关联、标注数据通过标注对象编码与其他内容关联、业务数据通过业务对象与其他内容关联。在内容层，通过附加时间属性和空间属性实现与对象其他内容关联［5］。

人员由组织、角色和权限构成，通过人员编码与内容关联。业务数据是对数据内容的提取与组织，根据业务需求，通过对象编码和人员编码提取数据，实现进度、质量、投资等业务的呈现，信息模型结构如图4所示。

图4 信息模型结构

4 BIM技术应用

针对两河口水电站的特点，根据各专业BIM应用目标，以工程数据中心为核心，制定模型分类、编码规程、建模精度等标准，集成多源数据，开展项目多阶段、多专业BIM设计。

可行性研究设计阶段，注重项目总体布置，注重模型轻量化、三维可视化，主要输出成果为三维方案布置、主要工程量，主要目标是辅助不同设计方案的对比分析与效果展示，以利于方案决策。

测绘专业以测量数据为基础，结合GIS信息，构造工程区域的三维场景，其他专业在此基础上进行工程地质、枢纽建筑物、施工布置等专业设计。利用BIM准确与所见即所得的特点，多专业协同设计，在同一场景下进行不同设计方案的比选。右岸地下洞室群工程地质三维模型和枢纽建筑三维模型及空间布置如图5、6所示。

图5 右岸地下洞室群工程地质三维模型

图6 枢纽建筑三维模型及空间布置

在招标设计、施工图设计阶段，设计工作全面前移，项目开工建设之前基本完成枢纽布置BIM设计、施工总布置BIM设计和厂房-机电综合布置BIM设计三大系统，开展项目级多专业协同设计的研究与应用。

枢纽布置BIM设计重点在于完成枢纽布置格局优化、单体结构详细设计、三维钢筋设计、三维设计二维出图、碰撞检查、工程量统计等工作；施工总布置BIM设计重点在于施工场地布置、优化、施工交通规划、导截流建筑物设计、渣场、料场开采设计，物料动态平衡设计等工作；厂房-机电综合布置BIM设计重点在于协调复杂的水机、电气、通风、通风、供水等设备、线路与厂房土建工程的错综复杂关系，提高设计质量，减少设计变更，其模型图如图7所示，复杂地下空间布置如图8所示。

在工程施工阶段，BIM工作重点在于全面集成设计、施工、监控等过程数据，实现数据提取、数据管理、外部信息链接、系统更新、设计施工管理一体化应用等功能，重点开展了基于施工进度、料源质量的两河口水电站坝体填筑与料源供需统筹管理的5D-BIM技术研究与应用。

图7 厂房-机电综合布置模型

图8 复杂地下空间布置

两河口水电站坝体填筑方量约为4000万m3，具有填筑工程量巨大，料场多且料源差异性大，建设工期长，气象条件复杂的特点，对工程进度、质量和成本控制影响较大。其中，大坝防渗土料场共5个（分12个料区），料源分散，质量各不相同，部分料场分区分层且空间分布相变较大；石料场共2个，料场地质分层复杂，各层料源质量差异明显。因此，如何在时空关系上将料场开采与坝体填筑进行协同设计、施工与管理，达到施工阶段工程进度、质量和成本的精细化管控是工程的关键。

应用5D-BIM技术通过建立料场信息化三维地质模型、大坝结构分区三维模型，以工程施工进度计划为载体（4D-BIM），快速进行料场开采与坝体填筑进度、质量、流向等信息的数据交互与反馈，达到料源特性（5D-BIM）与坝体填筑参数对称信息条件下的料源利用与坝体结构优化，提出料场开采与坝体填筑的协同3M管控（进度Schedule、质量Quantity、成本Cost）解决方案，推进设计施工管理一体化，达到基于5D-BIM的3M管理技术的精细化管理目的。

项目实施过程中主要涉及到以下关键技术：

（1）三维原始地形及实时三维地形捕捉

开展基于激光测绘技术、摄影测绘技术及无人机技术，对料场地形及坝体填筑数据进行实时、快速、精确的数据采集，同时利用三维逆向建模技术开展地形三维建模的研究，提出地形快速测绘及三维模型构建与对比的方法及流程。

（2）料场三维地质模型及实时动态追踪

以三维地形和二维数据为基础，研究复杂料场分区分层地质界面空间关系，形成三维地质表达可视化、分析可视化和过程可视化的工程地质数字化平台。过程中以动态三维地形界面及二维数据及时更新为条件，实现三维模型修正过程的动态追踪。

（3）料源供需统筹管理动态跟踪、预警与预测

开展多个复杂料场使用规划，利用三维模型云计算技术，从质量、进度、投资等多方面进行使用规划优化，提出相应的优化评价方法；对料场开采的实时动态调整，并结合动态三维模型及施工全过程仿真，采用敏感性分析方法，达到跟踪、预警与预测的结合与统一。集成坝体填筑料源数据库，为后期的工程验收、安全鉴定和施工期、运行期安全评价提供强大的信息服务平台。

（4）料源开采和运输及心墙填筑可视化仿真

基于数字大坝（需求侧）、数字料场（供给侧）、数字坝料（土料特性），研究复杂料场筑坝材料的动态优化配置计算模型和方法；在大坝进度仿真4DBIM的基础上，形成“三维模型+进度+材料特性”的5DBIM土料优化方法。

综合利用物联网技术、虚拟现实、增强现实、混合现实等技术，实现料场开采与动态储量→料源物理特性→运输监测信息→填筑碾压监测信息→坝料物理特性等全生产流程的智能化监测，综合信息集成、追溯、分析预测和预警，如图9所示。

图中分别展示了10月份、11月份两河口石料场开采过程中有用料界线、分区填筑界线，并和可研勘探成果得剥离情况作了对比分析。

图9 基于料场地质三维模型的源供需动态跟踪、预警与预测统筹管理

两河口水电站通过基于施工进度、料源质量的5D-BIM技术，实现坝体填筑与料源供需统筹管理，优化利用料源约40万m3，直接节约投资约为2000万元，经济效益显著。

5 BIM应用展望

BIM技术应用结合大模型、大数据、施工信息化、虚拟现实技术，在竣工期和运维期以及流域调度中进行深加工，提供更为全面的信息平台，推进BIM技术的应用与发展。

（1）两河口水电站工程边坡规模大，地下洞室群复杂，纵向扩展将工程监测模型集成并监测数据，采用云图技术直观体现工程枢纽的变形，结合三维工程地质模型和建筑物模型，提供工程评价及解决方案，实现智慧工程运维管理。

（2）两河口水电站提前开展电厂虚拟化技术，为电厂管理人员提供实时观测和判断电厂的实际运行状态及资源调配的信息平台，及时掌握电厂各节点的状态信息、通信的网络状况，并与电厂调度自动化等管理系统联动，实现智慧电厂运维管理。

（3）两河口水电站库区范围约100km，地质灾害风险点多，且随着工程运行和自然条件变化，通过3D-BIM技术进行工程安全分析和地质灾害评估等，实现库区地质灾害风险评价管理平台。

（4）两河口水电站作为雅砻江流域中、下游的“龙头”水库，具有多年调节库容，对下游电站补偿效益显著，基于3D-BIM技术，外延至流域调度、洪水期蓄泄量平衡与风险分析、达到发电效益最大化，实现智慧流域调度管理。

6 结语

两河口项目BIM技术应用密切联系工程实际，立足科研创新和技术进步，逐步实现由纵向打通设计全专业，到横向打通工程建设全过程的价值创造，形成了全过程日趋成熟的BIM应用技术体系。BIM技术与两河口工程建设过程的深度融合，提升了项目设计品质、优化了施工资源配置，提高了工程建设管理水平，为工程建设创造了可观的经济效益与社会效益，BIM技术的应用于发展必将在今后的工程建设过程中发挥更大的价值。

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