三维设计促进流域快速规划多方案比选研究

蒋 艺，文 雯，李 鹏

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

近年来，国家大力号召BIM建设，力争项目从规划、预可、可研、招标到施工详图及施工运营管理阶段全面实现数字化。BIM建设以其标准化、可视化、快速化及协同作业效率高等优点引起越来越多的注意，BIM技术的引入将在水电项目全生命周期建设、管理过程中发挥越来越重要的作用。

对于水电工程的三维设计，现有研究主要集中在预可、可研和施工详图阶段。例如，文献［1-2］采用CATIA软件，对水利水电工程进行三维地质建模，进行可视化分析、二维成图和模拟开挖；文献［3］采用集成CAD／CAE分析技术，结合水电工程设计特点，实现了水电枢纽布置方案的三维设计；文献［4］介绍了三维建模为各专业设计优化提供了条件，大大减少了设备碰撞检查，提高了设计和理性，进而促进了施工进度和精度。文献［5］采用REVIT三维软件进行水电站厂房协同设计，并开发大体积结构三维配筋辅助系统，建立了参数化模型库和图元库，提升设计效率和服务水平。文献［6-7］针对水电站压力岔管常规设计方法存在的不足，采用三维设计方法，结合工程实际阐述了Y形三岔管三维建模过程，效率高、更直观、实用性强。文献［8］利用三维数字化地形图及3DMAX等软件实现工程量自动计算及三维施工模型设计。文献［9-10］介绍如何采用三维设计软件快速完成设计，推广三维数字化移交技术，提高水电站信息管理水平档次，满足工程需要。但是，三维设计在水电项目规划阶段尚未涉足。对水工设计的地形开挖，传统规划采用二维设计，一般以总平面布置图和典型断面的形式给出。由于工程区域较大，梯级方案众多，建筑结构复杂，往往需要设计人员设计很多典型断面，利用三维设计进行快速方案比选的研究也较少。

本文依托实际水电工程，以促进流域快速规划及方案比选为目标，采用Geopak三维协同设计软件，探索BIM技术在水电规划阶段应用的具体方式及实施流程。研究成果将对国家同类项目水电工程快速规划产生较好的参考价值。

1 规划概况

项目流域干流落差4250m，河长65km。最大支流落差 4010m，河长 46km。流域平均海拔1500m、集雨面积逾2000km2、多年平均气温16℃、多年平均流量近100m3／s，水力资源理论蕴藏量超过1000MW。

考虑到该河流规划河段长约100km，各方案内梯级众多，且外业工作尚未全部完成，设计工作时间极短，而三维协同设计由于变更设计方案便捷，可显著提高工作效率，本文首次尝试将三维协同设计与水电规划工作相结合，充分利用三维协同设计直观、形象、高效、准确的优点，将三维协同设计在水电规划的方案拟定、方案设计、方案比选、成果展示的各个工作环节进行深度应用，探索并研究三维协同设计在水电规划阶段深度应用的具体方式及实施流程。

在项目设计任务紧张的情况下，本次规划干流初拟3种开发方案，如图1所示；3种开发方案的影响主要在梯级1，梯级1的开发方式分为：梯级1高坝混合式方案、梯级1低坝引水式方案和梯级1高坝坝式方案。干流3种开发方案梯级布置分别为：

方案一（梯级1高坝混合式方案）：梯级1（高坝）（正常蓄水位 2100m）+梯级2（正常蓄水位1690m）；

方案二（梯级1低坝引水式方案）：梯级1（低坝）（正常蓄水位 2000m）+梯级2（正常蓄水位1690m）；

方案三（梯级1高坝坝式方案）：梯级1（高坝）（正常蓄水位 2100m）+梯级 3（正常蓄水位1850m）。

图1 流域开发方案

2 快速建模

建模采用Geopak三维设计软件，软件允许对不同的设计方案进行快速的浏览，并能通过功能强大的场地模型工具对设计进行可视化的编辑。软件最大优势在于能够很容易的建立和修改设计。拖放式的编辑功能，可大幅提高工作效率。功能强大的可视化工具，能够迅速展现设计成果，用于工程项目的快速评估，从而选取最优的设计方案。完善的土木工程软件包广泛应用于基础开挖项目，如建筑场地平整、坝基开挖、水利枢纽开挖组装等，其出色的内部算法和对计算机运算能力的充分应用，有效地减轻了复杂场地开挖图设计的负担，且准确快捷的工程量统计优化了传统设计方法，极大的提高工作效率。

以方案一为例：梯级1大坝坝型拟采用沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高125.0m，水库正常蓄水位2100m。梯级2大坝初拟坝型为混凝土闸坝，最大坝高26.0m，水库正常蓄水位1690m。采用Geopak软件对两个梯级规划阶段的坝工、水道、厂房的地形进行全三维开挖设计。首先采用基础平台软件Microstation软件分别建立坝工、水道、厂房的三维模型，如图2所示，然后参考至三维地形的真实标高，抽取模型底面，投影到地形进行开挖（结合地质资料进行确定开挖坡比）。同时读取等高线作为部分开口线，辅助开挖。该方案开挖之后的模型如图3所示，与二维设计相比，除了更直观、可视化程度高以外，三维设计可以将各专业各梯级组装在一起融合在数字地面模型上，并进行碰撞检查，设计更精确。同时利用软件功能可以快速精确进行工程量统计，缩短设计时间。

图3 梯级1高坝混合式方案三维效果图

从表1可以看出，三维设计在坝工、水道、厂房模型建立、地形开挖出图以及工程量统计方面的用时都比二维设计大大缩短。统计的工程量和二维设计计算结果相差也在5‰以内，二维设计工程量统计用时较长的原因主要是一般设定并调整每10～20m一个典型剖面，通过计算每个剖面的工程量，乘以间隔距离并累加，得出最终的工程量。这种统计方式不但速度慢，精度也不高，尤其是对地形变化大的区域，典型断面必须选的足够多才能保证一定的精度。见表2，其中挖方和填方的工程量，三维与二维相差较大，这主要是地形急剧变化引起的，三维设计应较二维设计准确性更高。

表1 二维、三维设计用时对比表 单位：工日

表2 方案一梯级1电站主要工程量

3 方案比选

方案二，梯级1为引水式开发，坝址位于方案一坝址下游约50m处，拦河大坝初拟坝型为混凝土闸坝，最大坝高26.0m；引水线路布置于右岸，采用隧洞引水，引水线路长13.3km左右；电站厂房布置方案与方案一一致。水库正常蓄水位2000.00m。梯级2与方案一相同。方案三，梯级1为坝式开发，坝址和枢纽布置与方案一相同；梯级3为引水式开发，坝址位于上游，拦河大坝初拟坝型为混凝土心墙堆石坝+混凝土闸坝，最大坝（闸）高28.0m；引水线路布置于右岸，采用隧洞引水，引水线路长14.6km左右；水库正常蓄水位1850.00m，利用水头约为480.0m。

同样采用Geopak三维软件进行设计和快速工程量统计，见表3。总体而言，方案一工程量略大，方案三工程量次之，方案二工程量相对较小。

流域干流3个开发方案经济指标对比：从单位kW投资、单位电度投资、枯水期电量的单位电度投资等指标综合分析，方案一经济性相对较优，方案二次之，方案三相对较差。

同时，据统计，整个三维协同设计方案比选所需时间比二维设计所需时间节约了一个月，而且修改设计的优势更加明显。

表3 3个开发方案工程量比较成果表

4 结论

依托实际水电工程项目，以促进流域快速规划及方案比选为目标，采用Geopak三维协同设计软件，探索BIM技术在水电规划阶段应用的具体方式及实施流程，得出了以下结论：

（1）与二维设计相比，除了更直观、可视化程度高以外，三维设计可以将各专业各梯级组装在一起融合在数字地面模型上，并进行碰撞检查，设计更精确。同时利用软件功能可以快速精确进行工程量统计，缩短设计时间。

（2）挖方和填方的工程量，三维与二维相差较大，这主要是地形急剧变化引起的，三维设计应较二维设计准确性更高。而Geopak全三维开挖设计是一种新兴设计理念，快速高效的进行工程量统计及可视化展示，辅助决策。

（3）采用Geopak三维软件进行三个开挖方案设计和快速工程量统计，发现方案一工程量略大，方案三工程量次之，方案二工程量相对较小。从单位kW投资、单位电度投资、枯水期电量的单位电度投资等指标综合分析，方案一经济性相对较优，方案二次之，方案三相对较差。三维设计进行方案比选及修改所花时间也比二维设计大大缩短。

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