碾盘山水利水电枢纽工程BIM设计与应用

解凌飞，李 德，杨 丽，郑慧娟，陈 雷

（1.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064；2.湖北省水利水电科学研究院，武汉 430070；3.湖北省水利水电科技推广中心，武汉 430070）

0 引 言

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程位于湖北省荆门市的钟祥市境内，上距丹江口水利枢纽坝址261 km，下距钟祥市区10 km。该工程是国务院批复的《长江流域综合规划》中推荐的汉江梯级开发方案中的重要组成部分，也是国务院确定的172 项节水供水重大水利工程之一。工程的开发任务为以发电、航运为主，兼顾灌溉、供水，为南水北调中线引江济汉工程良性运行创造条件。枢纽为Ⅱ等大（2）型工程，航道标准为Ⅲ级，船闸设计标准1 000 t级。坝址控制流域面积14.03 万km2，平均流量为1 550 m3/s，电站装机180 MW。枢纽从左至右依次布置左岸连接土坝、泄水闸、电站厂房、混凝土连接坝（含鱼道）、船闸及右岸混凝土连接坝，轴线总长1 200.0 m［1］。

本工程设计主要存在以下难点：①工程规模大，结构型式复杂多样，设备种类繁多，质量要求高、工期控制严。②工程功能复杂，协作方多，管理协调难度大。③项目作业交叉面广，工序穿插复杂，设计流程与专业协调繁杂多变。

为解决上述难点，项目组从可研阶段就开始采用BIM 技术开展全专业三维协同设计［2］，挖掘BIM 技术的创新应用价值［3］，探索BIM 技术与其他新技术的融合［4］，为本工程的BIM 技术应用提供了合理的方案，促进BIM 技术在水利水电行业的应用推广。

1 BIM设计流程及应用标准

1.1 BIM设计流程

项目以欧特克BIM 系列三维设计软件为主，辅以相关专业软件及自主开发软件，在Vault 数据管理平台下通过协同设计、碰撞检测、数值仿真、施工模拟、二次开发实现了多专业基于同一BIM 模型的三维协同设计流程（图1）。在Civil 3D 中实现三维地质建模，以及边坡、渠道、土石坝、堤防、道路等设计；在Inventor 中进行水工、水机、电气、金结等复杂模型、设备和造型设计；在Revit 中进行建筑、结构和管路（暖通、给排水）的设计；在Navisworks 中进行模型整合、浏览、校审、碰撞检测、施工模拟、动画制作；在Infraworks（AIW）中进行早期规划设计、方案比选、大场景模型可视化。

图1 项目BIM设计流程图

测绘、地质、水工、水机、电气、金结、建筑、施工等专业的协同设计主要通过数据传递和轴网定位约束。水工专业按项目单位工程的相对位置关系建立项目整体轴网定位文件，并将其链接到Revit 中生成中心文件，再将生成的中心文件放置在Vault 协同管理平台中。各专业将中心文件副本下载到本地生成本地文件并进行结构设计、设备及管线布置。本地文件与中心文件同步后，设计人员可以实时看到其他专业进度（图2），在设计过程中最大程度地避免错、漏、碰等问题，从而达到整体的协同，大幅提高了工作效率［5］。

图2 碾盘山电站厂房协同设计完成效果

1.2 BIM应用标准

为推进BIM 技术的发展，规范及流程化各设计阶段中的BIM应用行为，提高BIM模型应用的效率和效益，根据已发布的国家［6-8］、行业、地方BIM 标准，结合工程需求，制定了碾盘山水利水电枢纽工程项目级BIM 应用标准。主要包括模型创建和管理规定、BIM 设计资源建设、BIM 协同设计、BIM 应用流程、BIM模型审核及交付等内容。

该项目级BIM 应用标准不仅描述和约定了项目BIM 成果交付的要求，而且描述和约定了达成这些成果所必须的过程要求。这些过程要求包括了各专业自身工作的内容要求和深度，相互之间协调配合的工作内容要求，针对各专业间的信息交换和专业上下序BIM 应用的设计流程，同时也包含了针对这些过程要求的检查，从而保证了所有BIM 数据的统一规范，推动企业BIM应用向标准化方向发展［9-11］。

2 BIM技术综合应用

2.1 BIM设计及出图

厂房和船闸等复杂模型难以全面参数化，采取的建模方式是控制整体外形尺寸，采用自底向上、孔洞挖除的建模方式。而对挡土墙、泄水闸、设备、管路等结构相对简单、适用范围广、变化有规律的模型，可运用参数化草图、族库、部件库等进行参数化模板设计［12］，通过模板参数对结构进行快速修改并在类似工程中重复应用，大幅减少重复建模所花费的时间，便于多方案快速比选（图3）。对碾盘山工程常用建筑结构和设备的尺寸、型号、材质、插入点、可见性、连接件等进行参数化族定制，实现了快速设计、布置和修改。目前各专业已搭建了挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、通航建筑物和厂房等五个类目的模板库，并成功运用到了多个工程中。

图3 碾盘山水利水电站枢纽工程方案比选

根据定制好的出图模板剖切BIM 模型，生成具有逻辑关联二维图（图4），并附三维轴侧图，使传统的二维图纸表达更加清晰明了。BIM 模型修改后二维图也实时更新，有效提高了设计效率和质量。

图4 碾盘山泄水闸剖面图

2.2 碰撞检查

电站厂房内油、气、水、电等线路纵横交错，专业涵盖多，施工单位交叉作业密集，这大大增加了机电管线设计的复杂性。利用BIM 软件平台的碰撞检测功能，实现了建筑与结构、结构与暖通、机电安装以及设备等不同专业图纸之间的碰撞，同时加快了各专业管理人员对图纸问题的解决效率。

项目在Revit 中完成数据整合之后导入Navisworks，并利用Clash Detective功能进行碰撞检查，进一步确认专业模型间有无碰撞，并及时在设计阶段对碰撞点讨论解决。设计过程中发现电气桥架与水工结构相碰撞（图5），发现问题后电气设计师与水工专业及时联系，经过讨论，电气专业将桥架高度下调，碰撞得到解决。碰撞检查功能还可对最小间隙和净空尺寸进行检查，碰撞结果可生成检测报告。通过检测结果快速找出碰撞部位，相关专业点击碰撞部位后可返回设计软件中进行修改更新。

图5 碰撞检查协同修改

2.3 金结设备运行模拟

传统设计中，金属结构设备的运行过程轨迹很难表达，启闭设备及金属结构件的运行过程与土建及管线等有无碰撞或干涉难以有效反映。BIM 设计中，可以通过软件对金属结构设备的运行进行模拟演示，能直观、有效的检查碰撞问题（图6）。另外，部分复杂闸门的联合调度也难以通过传统手段清晰表达，而BIM 模拟演示动画可以完整的表现出各类设备之间的配合运行，从而为管理单位的运行调度提供指导。

图6 设备的运行进行模拟图

2.4 仿真计算分析

在碾盘山水电站工程的结构设计过程中，水工专业需要对结构进行稳定计算和结构应力计算。由于水工建筑物体积较大，形状不规则，且与地基相互作用，传统的结构力学方法需要进行一些假定和简化，计算过程人工干预较多、十分复杂，计算结果与结构实际受力存在较大的差异，要对结构进行优化设计十分困难。而以建好的BIM 模型为基础，采用有限元数值分析方法进行结构分析已经成为解决此类的普遍方法，可以使三维设计过程更为精确和高效。

本工程电站厂房结构复杂，在可研和初设阶段实现了BIM模型与ANSYS有限元软件的无缝对接［13］，完成了结构和温控方案有限元计算仿真分析（图7），数值计算的成果归纳整理后用于三维配筋设计，实现了水利水电设计中三维模型设计、三维数值分析、三维配筋设计环节的高度集成和有机结合，在确保设计质量的基础上，显著提高了生产效率。

图7 厂房有限元计算结果

在三维协同设计的过程中，还对厂房流道和鱼道水力学性能、泄水闸泄洪过程、厂房上部建筑通风进行了流体力学仿真计算，快速的实现了优化设计（图8）。将厂房上部建筑模型导入Pathfinder中进行紧急疏散仿真模拟，准确地得到了建筑内部人员的疏散全过程，为紧急情况下建筑内的人员疏散提供了参考（图9）。

图8 结构流体力学仿真计算分析

图9 发电厂房紧急疏散仿真模拟

2.5 4D施工模拟

施工总进度是整个项目在时间上的布置，为业主的资金筹措、施工单位的材料准备以及设计单位的供图计划提供重要依据。需综合考虑防洪度汛、物资供应、特殊季节施工等各个因素。以Excel 文件为媒介，可将P6 平台与Navisworks 进行联动，在P6 平台上进行施工进度编排及后续调整时，可直接联动到Navisworks 的Timeliner 控件，进行施工进度4D 施工模拟的生成与即时调整（图10），并将构成工程实体的建筑物与对应的人、材、机等进行联动，可以协助进行资源消耗量分析，为资源配置计划提供依据。

图10 4D施工总进度模拟

Navisworks 中通过BIM 三维模型和进度控制技术的信息录入，还可以自行统计汇总，实现快速精确的成本核算、预算工程量动态查询与统计、限额领料与进度款支付自动管理等功能，从而达到以施工预算控制人力资源和物资消耗、造价信息实时跟踪等目的。

2.6 三维技术交底

对项目造型复杂，结构部位通过二维图纸难以表现的部位，通过三维图片或者三维动画进行交底，使复杂的结构清楚、直观地呈现出来，能有效避免设计、施工过程中的质量问题。

以碾盘山水电站项目围堰土工膜结构为例，其纵向围堰的土工膜为竖向布置，横向围堰的土工膜按1∶3的坡度斜向布置，在横向围堰与纵向围堰衔接部位的结构连接很难用二维平面图纸表达，为施工现场技术交底带来一定障碍。通过BIM 模型（图11），在项目施工现场向项目部、施工单位展开设计交底，改变了传统的二维设计图纸交底模式，增强了施工团队对设计的理解和认识，同时为施工单位土工布下料的尺寸和形状提供数据支撑。

图11 横向围堰与纵向围堰连接施工图

3 BIM技术拓展应用

3.1 无人机正直摄影测量技术与BIM技术结合

无人机平台搭载不同遥感设备可进行不同类型的摄影测量作业，主要有正直摄影测量、倾斜摄影测量和三维激光扫描测量等。碾盘山项目采用一架成都纵横大鹏系列CW-10C 固定翼无人机搭配Sony-A7RⅡ数码相机进行了正直摄影测量作业，航测成图比例尺1∶1 000，地面分辨率0.08 m，航向重叠度70%，旁向重叠度65%，拍照间距127 m，相对航高620 m，航线间距222.7 m。通过两个架次的飞行完成外业航摄，均匀布测17 个像控点，共计拍摄像片519 张，航摄数据通过内业空三加密生成了三维立体模型，最后按1∶1 000 比例尺生产了测区数字正射影像，如图12（c）。

通过无人机获取的施工现场正射影像，不仅带有坐标信息，还带有高程信息，结合BIM 模型对项目进行了动态平面布置、场地转换模拟，辅助规划场平布置，并实时有效地核验现场施工进度、建筑物放样位置、关键部位高程等关键信息，为施工现场动态管理和有效监督提供了帮助（图12）。

图12 正直摄影测量技术与BIM技术结合

3.2 基于Dynamo可视化编程平台的二次开发研究

碾盘山泄水闸采用桩基基础，桩基平面布置和长短随着地层结构的变化而变化，桩的根数和总长不易统计。项目组采用Dynamo可视化编程平台在Revit中实现了泄水闸桩体的快速布置（图13）。利用自适应桩的自适应点实现了桩端与开挖基础面、持力层面的自动对齐，桩体顶部延伸长度、底部延伸长度、桩径和材质等均进行参数化设置。一次批量生成全部基础桩，调整参数实时改变全部桩的特性，自动统计桩体工程量，显著提高了设计效率。编制完成的Dynamo 群桩建模程序也可应用于其他工程项目中，通过调整桩基参数实时更改模型，从而避免机械式的重复劳动，达到高效准确的目的。

图13 泄水闸桩基础带闸室渲染

基于Dynamo 可视化编程平台还开发了混凝土结构三维快速配筋工具，通过调用结构模型，输入配筋参数便可快速自动地创建出三维钢筋（图14），还可方便的进行钢筋量统计、出二维钢筋图，极大地提高了配筋效率。尤其对于水工钢筋图在校审后经常会进行结构调整和钢筋调整的状况，能快速修改，不易出现因人为因素导致的错误，减少了设校审人员的工作量，提高了配筋设计效率。此外，采用三维配筋手段可视化程度高，对于画钢筋图的新手和对结构认识不太深刻的人员，三维配筋能帮助他们更快的熟悉结构，提高出图效率。

图14 碾盘山泄水闸闸底板配筋

3.3 WEB端BIM+GIS管理平台

为了整合碾盘山设计阶段所产生的各类BIM 设计数据和成果，为设计汇报、信息查询、设计交底和工程管理等提供便利，项目组在BIM+GIS 应用的基础上开发了交互式的WEB 端管理平台［14-18］（图15）。平台采用B/S体系典型的三层架构实现WEB 应用，便于引入开源组件和技术框架。前端结合Skyline TerraExplorer Pro 二次开发，采用Layui 框架，实现页面布局、UI设计和前后端交互；后端以开源ThinkPHP 6.0 框架为基础，以严密的MVC分层结构，实现代码的层次化、可复用和高扩展性；数据库层采用Skyline GIS 平台和PostGIS 地理信息数据库相结合，兼有GIS平台和关系型数据库两者的优点。

图15 碾盘山WEB端BIM+GIS管理平台

WEB 端BIM+GIS 管理平台主要功能模块有：BIM+GIS 场景模块，负责项目的动态演示、数据分析、查询、量算、场景导航等；项目规划管理模块，负责对项目相关数据的管理和集中展示；项目设计管理模块，负责对项目设计过程中涉及的BIM 模型、文档、图纸及其他数据的管理和集中展示；视频动画管理，负责对其他模块中涉及的视频资料、演示动画、可视化成果的管理和集中展示。该平台为BIM 设计和工程管理提供工程信息、BIM 模型信息、三维GIS信息、三维可视化等数据信息服务，提高了工程的设计、建设和管理水平，可为水利水电工程BIM+GIS技术拓展应用提供借鉴。

4 结 语

（1）在碾盘山水利水电枢纽设计过程中，项目组进行了技术方案比选、专业协同设计、参数化建模、碰撞检测、仿真模拟、三维技术交底、BIM+GIS、拓展开发等多方面的BIM 技术综合应用。在BIM 技术的助力下，各专业高质高效地完成了设计工作，工程年内即将发电，产生了明显的社会效益和经济效益。

（2）目前，工程正基于BIM+GIS 技术开展数字孪生建设，实现运维阶段防洪兴利智能预报调度、工程安全智能分析预警、生产运营智慧综合管理、库区智慧巡查监管、综合决策支持、视频会商等业务应用。