乌东德水电站K25溶洞集控楼三维设计关键技术研究

王 宁，李 丽 君，周 自 清，殷 俊

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

随着国家和行业相关技术标准和规范的不断落地与完善，三维设计与BIM技术已成为水利工程勘测设计的重要技术手段，在不少在建的大中型水利工程中得到普遍应用。水利工程三维设计与BIM技术应用已从设计单个阶段、单个专业的应用往全阶段、全过程、全专业的应用转变。多专业协同设计成为现阶段水利工程三维设计发展的主要趋势。

与建筑工程相比，水利工程一般具有体量大、结构复杂、涉及专业众多、施工周期长、现场环境因素影响较大等特点。因此水利工程三维设计过程更加复杂，对于三维设计软件的要求更高。目前水利工程三维设计平台主要有“ABC”三大软件平台，即Autodesk Revit、Bentley MicroStation、达索的CATIA(3DE)。限于软件技术局限性，单一软件平台很难满足水利工程全过程三维设计应用需要，因此多软件协作成为目前较为常见的技术方式。

作为一个典型的大型水利枢纽，乌东德水电站在设计阶段即采用了多平台协同的三维设计方式。其中大坝主体与附属主要水工构筑物采用CATIA软件进行三维设计，而项目配套的管理房及集控楼采用了Revit软件进行设计。由于设计方案中该集控楼位于大坝右坝肩K25溶洞，为三维设计带来了技术难题。鉴于乌东德水电站集控楼的地形特殊性及本身的复杂构造，本文采用了以SketchUp、Revit等多种软件相结合的设计方式，通过三维方式解决洞壁地形、复杂的建筑外形及内部布局问题，并最终完成集控楼三维设计出图工作。

1 K25溶洞集控楼项目介绍

1.1 乌东德水电站与K25溶洞概况

乌东德水电站坝址位于四川省会东县和云南省禄劝县交界的金沙江下游河段，是金沙江下游河段4个梯级(乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝)中的第一个梯级电站，为Ⅰ等大(1)型工程，枢纽工程主体建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成[1]。紧邻大坝右坝肩处存在天然岩溶斜井K25溶洞[2]，该溶洞有“形态不规则、大跨度、高边墙、小夹角”的工程特点。文献[2]中提出采用“上部封闭、中部拦挡、下部置换”的处理方案，斜井内充填物开挖前，对顶部位进行了修型、锚固处理，以防止下部充填物开挖时顶部掉块。基于大坝主体水工结构受力及安全需要，溶洞下部采用混凝土回填，至标高988 m处与大坝坝顶齐平。溶洞内部形成一个长为62.8 m、宽为32 m、最高点达24.8 m的空间。经过方案论证，将乌东德枢纽的集控中心布置在该溶洞中[3]。这种溶洞中布置建筑物的方式为建筑设计工作带来了挑战，也为集控楼顺利出图提出了更高的技术要求。

1.2 项目特点及难点

1.2.1地形独特

根据文献分析对比，利用坝肩的天然溶洞来布置集控楼尚属国内外水电站工程首例[3]，因此没有太多可参考案例对比指导该项目设计。跟普通的建筑工程相比，该项目最大特点在于建筑物在地形(即溶洞洞壁)之内，而不是在地形之上。为精确地表达洞壁与建筑物空间位置关系，决定采用三维设计方式进行集控楼建筑设计。

1.2.2建筑外形独特

集控楼外部采用特殊异形曲面造型，美观大方。为还原方案设计的意图，通过Rhino软件精确地创建了集控楼外观模型，如何在施工图设计阶段准确利用Rhino模型的三维形体数据出施工图也成为项目设计的技术难点。

1.2.3建筑内部构造复杂

项目涉及的集控楼方案采用地上1层、地下3层共4层结构，内部布置大厅、中控室、值班室、计算机房、会议室、通讯设备间及通风排烟机房、配电室等辅助设备用房[3]。集控楼内部构造复杂，各类管线系统空间布局密布，也对工程设计手段提出了更高的要求，采用三维设计方式更能直观地表达这种复杂的空间布局。

1.3 项目三维设计技术特点

1.3.1全过程三维正向设计

项目建筑设计采用全过程三维协同设计方式完成施工图设计并提交图纸成果，设计涵盖了概念方案设计到施工图设计阶段。在概念方案阶段，采用SketchUp软件创建建筑物的基本外形及场地布局；在初步设计阶段，利用Rhino软件精确创建建筑物外部异形幕墙形体，并导入到Revit中，与建筑、结构Revit模型进行整合；在施工图设计阶段，对Revit模型进行平立剖出图，并添加必要的尺寸标注及文字注释，经过校审后，最终生成正式施工图纸。

1.3.2多软件数据融合探索

该项目建筑设计是一次多种软件间协同、多数据融合的成功探索。从方案设计到施工图设计，运用到SketchUp、Rhino、Revit、3DMAX等多种软件。设计数据传递尽可能无损地在各个软件中进行传递。最大限度保留概念方案设计意图。此外，根据项目施工管理阶段要求，将Revit格式BIM模型导入3DE三维设计平台，将欧特克与CATIA双平台模型进行整合，为后期施工阶段建设管理提供重要的数据支撑[4-5]。

1.3.3溶洞内壁与回填地形处理

为精确表达溶洞内壁与集控楼的空间位置关系，采用了Rhino软件进行了洞壁建模，并将洞壁模型导入Revit中与集控楼主体模型进行整合，从而确保在复杂地理环境中集控楼布局。通过Revit体量建模表示混凝土回填地形，也对于集控楼出图与工程量统计起到重要参考作用。

2 K25溶洞集控楼三维设计

2.1 三维设计总体技术流程

项目从概念方案设计到施工图出图的主要设计工作均采用了三维设计软件进行三维设计，其主要工作步骤如图1所示。

图1 三维设计总体工作流程

2.2 方案设计

溶洞集控楼造型设计灵感来源于大坝开闸泄洪时水流飞泄的自然形态[3]。在方案创作阶段，通过SketchUp创建建筑形体，推敲设计方案。在设计方案确定后，再利用Rhino创建精确的建筑外部异形曲面形体(见图2)。

图2 项目方案设计及建筑外形处理技术流程

SketchUp和Rhino是建筑设计中常用的建筑方案的造型设计软件[6-7]。这两种软件功能特点鲜明：SketchUp功能简洁、易于上手，可快速创建形体，无需进行复杂的三维建模，可以应用在建筑、规划、园林、景观、室内以及工业设计等领域，不过设计精度有限，特别是复杂曲面造型形体建模；Rhino则具备诸如扫掠、放样、旋转、布尔运算、拉伸、控制点调节等各种不受约束的自由造型三维建模工具，可以根据想象构建任何造型而不受复杂度及尺寸的限制，适合创建异形化的建筑构件。

2.3 施工图设计

2.3.1建筑模型创建

K25溶洞集控楼主体是一个4层的混凝土框架结构建筑物，在集控楼建筑主体三维设计中采用常规的建筑设计方式：即在Revit软件中通过标高轴网定位，并利用墙、板、柱等构件完成建筑主体BIM模型创建；并根据需要对各楼层进行房间分隔与功能划分。在反复优化修改之后，得到可出施工图深度的BIM模型，并为施工出图做准备。

图3是集控楼主体建筑BIM模型，展示出建筑内部各层空间的布置情况。

图3 集控楼建筑布局

2.3.2结构计算模型的导入

在该项目结构的三维设计中，考虑到结构设计专业的特殊性(结构设计模型要与结构分析计算关联)以及Revit软件结构设计的局限性(即本身不具备结构分析计算功能)，课题组并未采用在Revit软件中直接进行结构构件建模的方式，而是先利用盈建科YJK软件进行结构分析计算，然后通过探索者插件将YJK结构分析计算模型导入到Revit软件中，再修改完善结构模型并提交建筑和机电专业作为设计参考。结构计算模型导入流程如图4所示。

图4 结构三维设计技术流程

2.3.3地形处理(溶洞内壁处理)

该项目溶洞集控楼处于地形(溶洞洞壁)之内，因此跟常规的建筑物所处的地形有明显的区别。为了准确表达这种空间位置关系，课题组利用Rhino软件对等高线地形(DWG格式)进行放样生成准确的地形曲面，并通过SAT格式导入到Revit软件中(流程如图5所示)。这样可使得地形、建筑物整合在同一个BIM模型中，以便于后期建筑设计出图及空间位置表达。

图5 地形(溶洞洞壁)三维设计处理流程

2.3.4混凝土回填表示

K25溶洞集控楼所处地面(高程988 m)以下的部分采用混凝土回填方式施工，而集控楼地下3层空间为回填后保留的不填充区域。由于Revit软件中难以通过常规的结构构件表示这类内部中空的空间布置，课题组利用Revit内建模型表示混凝土回填区域，通过Revit内建模型的在位编辑功能(放样、拉伸及空心形状剪切等，如图6(a)所示)完成混凝土回填区域模型的创建(如图6(b)所示)，然后将回填区域模型与建筑、结构模型进行整合。这样不仅能够准确反映集控楼地下部分的空间布局，有利于内部空间优化布置，也为后期出施工图提供参考。

图6 混凝土回填区域三维设计建模

2.3.5BIM模型的整合

在Revit中，分别完成幕墙、建筑、结构、基坑、岩壁及边坡构件建模后，利用Revit模型链接功能[8]，将上述各个模型构件链接进主体模型，完成模型的拼接与整合工作，如图7所示。这里要注意各个模型构件需采用统一的定位参照。定位参照一般将主体建筑物的A轴与1轴交点处定为项目原点，各专业均以该定位位置为准，建模后不得再修改移动定位基准。除此之外在模型链接过程中还需注意项目北与正北朝向，确保各个模型构件按同一基准定位和同一项目朝向进行整合。

图7 集控楼模型整合

2.3.6模型出图

在完成各专业深化设计工作后，在Revit软件进行各专业模型整合，利用Revit的出图功能完成项目的施工图设计工作[9-10]，步骤如下：

(1)选用本单位订制视图样板文件，该样板文件中包括图框、尺寸标注样式、线型、字体、工程量表、图案填充等预定义样式。

(2)基于Revit的出图功能，由模型的平面、立面、剖面视图，添加必要的尺寸标注及文字注释，完成平、立、剖出图及场地布置图纸。

本文采用了鸿业BIMSpace建筑插件实现楼梯大样图及立面图快速出图。

3 结论与展望

3.1 结 论

水利工程三维设计与BIM技术全过程全生命周期应用已成为水利设计行业技术发展的主要趋势。在大型水利水电工程三维设计工作中，往往存在多平台协同设计、数据整合的情况。本文以乌东德水电站K25溶洞集控楼工程设计为例，介绍了如何通过多种软件实现三维正向设计出图。该项目的三维设计工作主要技术特点包括：

(1)采用三维正向设计模式。K25溶洞集控楼采用了从方案设计到施工图设计全过程三维设计模式，主要设计图纸从BIM模型中生成。

(2)解决了异形建筑造型建模与出图问题。在方案设计阶段，利用Rhino精确地对异形曲面外立面幕墙建模，并导入Revit中进行幕墙分割，最大限度保证了设计意图的实现。

(3)溶洞内壁的模型生成与剖切。鉴于K25溶洞集控楼建筑主体在溶洞之中，利用Rhino放样生成洞壁曲面并导入Revit，为建筑方案布置做参考。

(4)混凝土回填模型。K25溶洞集控楼地下部分混凝土回填部分建筑布局复杂，本文通过Revit内建模型方式对该区域精准建模，为地下建筑设计提供了重要参考。

3.2 展 望

水利工程三维设计已从初期的三维参数化建模发展为以BIM技术为核心的三维协同设计。目前单一软件平台进行水利工程三维设计的技术已相对成熟，而且行业中对于主流的设计平台的技术成果较丰富。然而由于水利工程的复杂性，单一平台往往难以覆盖水利工程全专业设计需求。因此多平台协同成为目前水利工程三维设计技术研究热点。本文围绕乌东德水电站K25溶洞集控楼项目探讨多平台协同的水利工程三维设计技术应用，不仅为类似项目设计提供参考，同时也为水利工程多设计平台软件间工作协同、数据协同提供了一条思路。