BIM+VR技术在CCS电站厂房设计中的应用

蒋昊良 史玉龙 潘自林

摘要：随着工程设计难度逐步增高，传统的二维平面设计不仅难以支撑复杂与特殊外形的设计，更无法对项目各阶段进行统一的协同设计、施工与管理。BIM技术体系覆盖项目全生命周期，在设计阶段其强大的三维设计能力不仅可以解决复杂设计难题，更实现了各专业的协同设计，但其缺陷是效果表现力有所欠缺，而虚拟现实技术（简称VR）特有的沉浸式漫游可以有效解决“设计非所得”的难题。提出了BIM+VR技术体系，将BIM设计与VR进行有效融合，并应用于实际工程设计阶段。应用结果表明，BIM+VR技术体系有效解决了水工建筑物中压力管道、地下厂房系统建筑物等的设计难题，对设计内容的科学性与美观性检验提供了有效支撑，并利用VR模拟了水轮机等部件的运行情况。

关键词：水利水电工程;建筑信息模型;参数化设计;虚拟现实

中图分类号：TV222.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.02.024

近年来工程项目复杂度日趋升高，传统的二维设计愈发难以满足现阶段的设计需要，三维设计模式逐步映人设计者的眼帘。建筑信息模型（ Building Infor-mation Modeling或Building Information Management，簡称BIM）以三维设计为基础，兼备设计、施工、运维于一体，贯穿项目全生命周期，在建筑、交通等行业已经有了深度应用。近年来水利水电工程行业逐步转变设计思维，开始运用BIM设计软件开展设计工作。

BIM设计软件将传统的二维平面设计转换为三维设计，结合相关计算软件，大幅度提升了设计工作的科学性与高效性。但其纠错和展示能力较为欠缺，设计者虽可以从多角度审查工程设计内容，却无法从空间上确认设计布局的合理性与科学性，也难以合理感知设计内容的色彩搭配。尤其在水利水电工程领域，工程实体通常为复杂结构的异形体，这给设计者的审查和设计带来较大困难。而虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术可以其特有的沉浸式角度有效增强设计阶段BIM模型的可视化效果，使得设计者或用户身临其境地感知设计结果，实现“所见即所得”的设计效果。同时，BIM设计软件为VR体验提供了强大的模型与数据支撑，因此在BIM设计的基础上借助VR技术进行体验、审查、纠错等将对传统水利水电工程设计产生巨大的变革。

1 BIM+VR技术概述

BIM是一套技术体系，也是一套管理方法[1]。国家住建部自2012年起相继出台相关政策大力推进BIM技术的行业应用，其最先被应用于建筑行业[2]，并迅速扩展至众多行业设计领域。现阶段BIM设计主要以BIM设计软件为核心，如Autodesk Revit、CATIA V5等[3].借助BIM设计软件强大的三维可视化设计功能，设计者们可以更为直观地了解设计内容，解决设计难题[4]。

VR技术自2016年起风靡全球，成为当今的热门黑科技之一。其借助1100广角的头戴式设备，利用双目成像原理将计算机中的图像直接传输于头盔内的双目前方，并借助手柄的触觉反馈、头盔的听觉反馈等技术使用户产生一种“身临其境”的沉浸式感觉，目前被广泛应用于建筑、军事、工业仿真等多个领域[5]。

VR技术是一个需要载体才能发挥特色的工具，BIM模型和数据为VR技术的实现提供了有效支撑，而VR技术以沉浸式和高真实度为核心，弥补了BIM设计阶段对空间布局理解的欠缺以及对外形、材质设计的美观性不足等问题，尤其针对复杂性极强的水利水电工程领域。因此，BIM+VR将工程BIM模型与VR沉浸体验进行融合，形成完美的互补，从空间关系、融人构件信息到交互式体验，从总体到局部，实现了更具意义的可视化虚拟体验，对设计优化起到了重大作用。

2 CCS工程项目概况

厄瓜多尔Coca Codo Sinclair（简称CCS）水电站总投资23亿美元，被誉为厄瓜多尔“第一工程”，受到中厄两国元首共同关注。工程处于高地震烈度区的热带雨林地区，邻近活火山，自然条件十分复杂。项目设计难度系数高，是世界同类水头冲击式机组总装机最大的电站，年均发电量约87亿kW·h，拥有616.74 m的高水头和537.8 m高的压力竖井，以及长达25 km的复杂输水引水系统。CCS水电站主要包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等，水电站建成后，其发电量可满足厄瓜多尔72%的用电需求，使厄瓜多尔直接从电力进口国变成电力出口国。

项目建设时间要求非常紧迫，首部枢纽施工、输水隧洞TBM掘进及调蓄水库库盆开挖等直接制约工程总体建设进度，同时施工图要经过黄河设计公司内部、中国专家组、CCS设计院及墨西哥咨询的多道异常严格的审查，BIM是高度认可的沟通新方式，基于BIM模型基础的多维度分析计算可直接满足各方审查，使更多的专业棘手技术问题迎刃而解。

BIM+VR技术体系的应用贯穿规划、勘测、坝工、厂房、施工、机电、金属结构等众多专业模块，本文仅以CCS水电站厂房BIM设计和地下水轮机VR展示为例介绍BIM+VR技术的应用。

3 BIM+VR技术应用环境

3.1 实施方案

工程设计包含了概念设计、基本设计和详细设计三个阶段。CCS项目在概念设计阶段制定了详细的BIM应用方案[6]，涵盖了规划、勘测、坝工、厂房、机电和施工等专业：在基本设计和详细设计阶段，利用BIM参数化、模板化等技术手段建立首部枢纽（含泄洪闸、沉砂池及面板堆石坝等）、输水隧洞、调蓄水库（输水隧洞出口闸室、面板堆石坝、溢洪道及压力管道进口塔架等）、压力管道、地下厂房洞群土建及机电金属结构设备管线等BIM模型（见图1）。

在设计中后期校审阶段采用BIM+VR技术使设计人员以沉浸式的方式对所设计内容的空间合理性、碰撞检测、美观性等方面进行检查，确保设计的合理性与可行性，同时加深操作工人对专业部件安装、运行方面的理解。

3.2 应用软件与措施

该项目以CATIA软件为BIM建模核心软件，结合Substation、ANSYS等软件进行相关运算，采用自上而下的协同骨架设计思路，以参数化为BIM建模核心，运用知识工程快速构建模板，最终与展示软件无缝对接，实现可视化预览。

4 BIM+VR技术在CCS厂房设计中的应用

4.1 难点分析

CCS水电站为径流式电站，电站厂房为尾部式地下厂房，安装8台冲击式水轮机组，总装机容量1 500MW。该工程发电水头较高，且机组安装高程较高，下游尾水不受下游河道水位的顶托影响。但是，CCS水电站原设计下游河道流量为1 600 m/s时，河道水位与机组安装高程之差仅为2.6 m，而机组正常发电需要的该数值最小为3.8 m.再考虑原尾水洞约600 m水道长度产生的水头损失，不采取特殊的工程措施将无法满足要求。因此，对地下厂房系统建筑物的设计提出了更高的要求，其稳定性计算、边坡计算等难度均大幅度提高。另外，业主对厂房等建筑物的内部美观性和合理性提出了较高要求，并对诸如水轮机等设备的运转情况提出了仿真要求。传统的二维设计或BIM三维设计难以满足要求，BIM+VR技术体系可以为其提供有效支撑。

4.2 BIM+VR应用路线

为满足项目的要求，根据意大利ELC公司概念设计资料，结合当前国内外地下厂房的设计做法及经验，对原设计进行了多项修改，最终决定将概念设计、基本设计、详细设计和VR查验四大阶段作为BIM+VR技术体系整体的应用路线。

概念设计阶段的主要工作是厂房设计复核和方案比选，在结合南美地区习惯之后，为满足施工进度要求，对厂房进行了如减高、增加安装间等设计变更，在此基础上进行基本设计。在基本设计阶段，依据《CCS水电站基本设计报告及国内专家审查意见》等6项设计依据和200 a一遇洪水的设计标准，对压力管道及地下厂房系统建筑物开展BIM设计，同时基于BIM设计阶段建立的模型进行稳定性计算、结构计算等相关工作。在基本设计工作结束后，针对基本设计中每一条要求开展详细深化设计，如重点部位结构的分析优化、冲击式水轮发电机组的物理试验等。最后通过VR技术对所设计的建筑物、尾水洞、冲击式水轮机等的合理性、美观性、科学性进行查验。厂房设计BIM应用路线具体内容见表1。

4.3 BIM參数化建模

在进行BIM+VR技术应用路线的规划后，针对详细设计中列举的内容展开BIM参数化建模。项目采用CATIA软件作为BIM建模软件，CATIA软件提供了强大的参数化功能，从尺寸、骨架、曲线方程、模板、文档的参数化，以及知识工程阵列、设计表参数、系列零件自动解析等，解决了地下厂房支护方案设计、厂房等建筑物土建及机电管路设备的整体快速设计等，地下厂房洞室参数化建模如图2所示。

在参数化建模的基础上，项目融人了流程化设计思想与相应的开发工具，以及大量标准化模板、规范规程、设计经验等软性知识，通过关键参数的调整即可实现建筑的自动创建和优化，解决了专业知识经验与软件的深层接口问题。

4.4 基于BIM模型的计算

在BIM模型的基础上，针对地下洞群围岩、冲击式水轮机等重要设计模块展开数值分析与计算。其中，地下洞群围岩的稳定性分析是非常重要的一环，地下厂房洞群的三向薄岩壁问题加剧了主厂房与主变室之间围岩的破坏性，围岩稳定问题突出。以地下厂房洞室BIM模型为计算基础，根据开挖揭示地质及监测数据，在大型分析计算软件中多次反馈分析，优化支护参数，提出围岩稳定问题最佳解决方案，比传统的计算模式更为直观和准确。

尾水洞的设计也是厂房设计中非常重要的一环。该项目在BIM模型的基础上首次提出了尾水有压无压工况稳定分析，并基于此进行虚拟仿真与实地仿真，填补了国内此项技术的空白，如图3所示。

4.5 VR校审与展示

在BIM模型的基础上，借助相应的引擎与CATIA模型格式进行无缝对接，通过附以与真实设计相一致的材质，协助参建各方感知不同设计方案、色彩等配置方案，为设计师、业主提供更加真实的仿真环境。与此同时，借助VR技术预先感知质量，确认空间布局的合理性，检查大型机械设备、管路等的可维修性。

此外，项目针对冲击式水轮机制作了VR运行仿真模型，模拟了冲击式水轮机在实际环境中的运转情况，使得业主、设计师、参观者等多方人员更加直观地了解水轮机的相关情况，如图4所示。

5 结语

以CCS水电站厂房设计为例，系统介绍了BIM+VR在其中多个模块的深度应用，该技术的应用极大提高了工程设计的准确性、高效性和美观性，颠覆了传统设计模式。

鉴于BIM软件接口不完善、工程复杂度强的因素，目前BIM+VR技术在水利水电工程行业的应用仍较少，较为完善的应用均处于项目设计阶段，极少或不存在施工与运维阶段的应用。因此，参照BIM技术在其他行业的应用情况.BIM+VR在水利水电行业施工阶段的应用可作为下一阶段重点关注内容。

参考文献：

[1]MCARTHUR J J.A Building Information Management （BIM）Framework and Supporting Case Study for Existing Building Op-erations， Maintenance and Sustainability[J]. Procedia Engi-neering， 2015，118：1104-1111.

[2] 何清华，钱丽丽，段运峰，等.BIM在国内外应用的现状及障碍研究[J].工程管理学报，2012，26（1）：12-16.

[3] 王帅，王彤，基于地面三维激光扫描及VR技术的BIM工程应用研究[J].水利规划与设计，2018（2）：52-56.

[4] 李钰，吕建国，基于BIM和VR/AR技术的地铁施工信息化安全管理体系[J].工程管理学报，2017，31（4）：111-115.

[5]姜学智，李忠华，国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报，2004（2）：238-240.

[6] 杨文博，高峰，朱洁，等.BIM+VR技术在打造精品住宅工程中的应用[J].土木建筑工程信息技术，2017（4）：26-30.