基于BIM技术的闸站工程三维设计应用研究

李 壤,黄锦鹏,胡绪宝,陈蔚华,张周文

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司,广东 中山 528400)

时任美国Autodesk公司副总裁菲利普·伯恩斯坦于2002年提出BIM一词,原意是指建筑信息模型,随着各行各业不断的推进,其内涵越来越丰富,至今包含了工程信息化过程及信息化管理,而且还在不断与数字化技术结合,如BIM与GIS、IOT、AR、VR、MR、5G、机器学习、视觉计算、人工智能、大数据及互联网等[1-2]。

目前,在工程行业BIM已经衍生为以三维数字技术为基础,运用BIM软件集成工程项目中各类相关信息,构成一个工程信息数据模型,一个完善的信息模型把工程项目全生命周期不同阶段的数据、过程和资源连接于一处,对建设工程进行完整描述的综合技术,利用BIM模型可进行工程规划、勘察、测量、设计、建造、运营及拆除,实现动态、集成、可视化的全过程全周期管理,赋能建设项目各参与方[3]。

现代水利水电工程设计理念在不断迭代更新进步,向资源、景观、生态、环境水利概念看齐[4],结构形式多变,涉及专业众多,后期运维管理日趋智能,从设计、施工、到后期运维全阶段,传统建设理念和方法都已面临更大挑战,需要更高层级设计思维和措施[5]。BIM技术为工程建设带来信息化、数字化、工业化、智慧化等优势[6]。针对闸站工程结构形式复杂,异形构件众多、计算分析要求高等因素,运用二维设计方法不能全方位囊括,因此,运用BIM技术完成工程中特殊异形构件建模合模用模,各专业同步在一个BIM云平台上沟通协调,降低独立或交叉作业错误率[7]。但BIM技术在闸站工程上的应用和研究还处于起步阶段,远不及工业与民用建筑工程,因其结构复杂和功能特殊性决定了对BIM技术应用需求和建筑方向迥然不同[8]。

利用BIM思维进行设计,不仅可以提高设计成果可靠性、安全性及准确性,尤其是在设计阶段,可边设计边校核让设计师更注重构筑物性能,提高建筑物设计品质[9-10]。三维渲染能全面展示设计和施工环境,帮助设计、施工、业主及监理人员更好地理解设计意图,使各方人员对工程设计意图的理解达到同一层次,减少理解偏差带来的信息失真[11]。根据设计内容全面逼真地展示出大型闸站工程复杂结构及大型设备等空间布置情况,对关键线路、工序和复杂节点实现验证和优化[12-13]。本文从实际工程出发,结合BIM各类软件特点及优势,对BIM技术应用于闸站工程的可行性及优越性,进行了参数化建模、计算分析、出图出量、方案汇报、施工模拟等研究[14-15]。

1 项目概况

中山市横栏镇九顷泵站二期位于中顺大围横栏堤段,桩号西37+612处,距离拱北水闸约800 m,工程位于宝裕涌出口,属中顺大围外排泵站。对九顷船闸上闸首拆除并重建,下闸首的排架及启闭机在进行改造和更换,对船闸闸室底板进行灌浆加固处理。设计流量为76.5 m3/s,装机容量为4 020 kW,其中横栏镇九顷泵站二期工程设计流量为45 m3/s,装机容量为2 520 kW。

前期准备工作包括以下内容。

a)BIM协同环境。本项目基于云平台搭建BIM协同设计管理平台,建立模型文件及管理文件多层级多层次结构,实现信息与资源共享,大幅提升牵涉各方沟通效率。资料共享、实现多方多地协同、实现设计环境托管与配置。

b)BIM设计模板。为充分发挥BIM设计优越性,协作各专业需统一BIM设计标准,预先编制项目样板。在BIM设计思维中,面向对象是极其重要的理念。因此,针对每一个桩基、底板、墩墙、挡墙的典型断面,皆应有信息定义。设计阶段断面轮廓的信息定义,通常至少应包含该类构件位置及材料信息,以满足后续工程量输出以及各类信息表达生成。除上述信息定义之外,该设计模板中还应包含符合要求的标注符号样式、标准规范图框及本项目定制的其他标准化内容等。

2 BIM技术应用

2.1 建立几何模型

本次建立施工图阶段BIM模型,其包含地形、水工、金属结构、建筑结构、给排水、电气、设备、园林等8个专业模型。此外,交通桥板、道路及河流用楼板、地形子面域命令建模。BIM模型见图1,共有10个建筑物(泵房、船库、船闸上下闸首、防洪闸、清污桥、拦污桥、值班室、桩基、挡墙)。该模型Revit项目文件以默认原点作为项目基点,便于各专业模型合模,链接模型的方式减少合模模型大小,便于模型打开查看传递。模型按照图纸及相关资料搭建,结构与真实尺寸保持一致。

a)地形(含道路、河流)

b)泵房上部建筑

c)防洪闸上部建筑

d)泵房下部结构

e)防洪闸下部结构

f)船闸上闸首上部建筑

g)机电(给排水+金结)

h)结构挡墙

2.2 绑定非几何信息参数

BIM设计不单纯是创建三维模型,其重点是模型中的信息。模型信息分为几何信息和非几何信息。几何信息是存在模型中的实体,可以直接看到和编辑,如结构墙、柱、梁、板、基础等构件;非几何信息是赋予这些构件的参数,如构件名称、材质、混凝土等级、尺寸、注释、采购时间、供应商、联系人、联系电话、价格及使用寿命信息等。BIM的非几何信息对于施工、运维至关重要,因此,在模型创建过程中工程师们就需要将非几何信息按需求赋予构件。

如项目中把结构材质、混凝土等级等信息绑定对应的几何构件中,实现数模绑定,后期随着模型流转,可以在任何能打开模型的端口查看。模型信息赋值见图2。

a)绑定信息(墙、柱、墩台)

b)绑定信息(底板、墩墙)

c)绑定信息(楼板、楼梯、梁)

2.3 导入计算软件分析

基于Revit模型计算分析,创建BIM模型是第一步,Revit模型创建应该遵循计算分析软件对接要求,进行模型准备。在Revit中创建只包含构件尺寸等基本信息的结构专业初期模型,并利用程序间的模型数据转换接口将Revit模型导入到结构分析计算软件中,如用CFD进行泄流水力学分析,Mida进行水工结构力学有限元计算分析,将计算调整完成后的模型数据信息用于Revit模型修改,对模型附加更多信息,然后在Navisworks软件中将所有专业的模型合并,进行专业综合协调。最后在Revit中调整模型,并利用剖切方式导出结构平法图纸。模型计算分析见图3。

a)BIM模型导入CFD

b)BIM模型导入Midas

2.4 主要参考工程量统计

Revit明细表统计功能,快速计算出BIM模型主要构件参考工程量,参考工程量统计数据整理后供相关部门做工程量概预算参考。通过计算出参考工程量,对整个项目资源做协调管理。设计阶段可提高算量预算提资和项目工程量准确度。施工阶段工程量实时计算,控制工程中物料采购,劳动力配合,使施工资源达到最优利用,从而加快施工进度。运维阶段工程量可以直接用于物资管理、设备记录巡查、检查维修派单等需求,工程量统计见图4。

a)门、结构柱、栏杆扶手统计工程量

2.5 碰撞检查

碰撞检查是基于建立好的模型,应用BIM软件合并各专业模型,进行检查碰撞冲突问题的发现、记录,完成设计图纸范围内各种结构、给排水、电气、机械等平面和竖向高程相协调的三维协同工作,以避免空间冲突,尽可能减少碰撞,优化专项方案,提升日后使用价值,避免产生工期延误、返工等问题。碰撞检查见图5。

a)底板结构与金结冲突碰撞

b)墩墙结构与给排水管道碰撞

2.6 渲染图片及视频

基于搭建完成的各专业BIM模型,通过Enscape插件型渲染工具,在Revit软件中直接渲染。其出众之处在于其运行速度快,对电脑配置要求相对较低,与主体模型可以进行实时渲染同步,操作简便,即能进行项目沟通交流定稿,又能配合进行企业宣传。渲染图片及视频见图6。

a)渲染图

b)渲染视频

2.7 施工模拟

可通过Fuzor软件模拟一些复杂施工内容。其操作相对简洁,同时能够与Revit建模软件实现双向联动。不同施工模拟可以使用不同动画类型进行表达,在模型处理、效果展示上有着Navisworks、Lumion等软件没有的优势。但是Fuzor的缺点也相对明显,在使用过程中发现大体量模型处理对电脑配置要求较高;Fuzor软件下无法对地形进行压平、局部抬高等编辑,例如河流山川等地形环境也需要在Revit建模软件中建立后导入渲染,无形中降低了软件处理效率;在模拟一些特殊施工环节,例如触发事项模拟,依然有较高难度。施工模拟见图7。

a)泵房模拟

b)基坑开挖模拟

2.8 BIM模型方案汇报

方案汇报目前有2种主流模式。第1种是基于Revit原模型汇报;第2种是基于网页端轻量化模型,进行网页端查看交流与汇报。

基于原模型汇报,直接在Revit打开模型,进行沟通汇报,优点是不需要转到第三方查看模型,缺点是需要高配置电脑,低配置电脑难以正常显示。

基于网页端轻量化模型汇报,首先需上传Revit模型至网页端,即可在任意PC、平板、手机等硬件端,流畅打开该类网页进行模型快速查看。便于向业主汇报,问题记录与交流,简化操作过程,提升汇报交流效率。汇报现场见图8。

a)网页端轻量化模型标注

b)网页端轻量化模型剖切

3 结语

中山市横栏镇九顷泵站二期工程结构复杂、形式多样,容易出现专业间提资过程中,信息传递不充分不及时,采取统一模型模板及云端协作的控制措施,防止了各专业设计信息丢失、割裂。本项目以闸站主体为例,通过多专业协同三维参数化设计应用,将闸站工程各专业灵活结合在同一设计空间内,验证了主体结构设计空间的合理性;计算分析软件复用BIM模型,提高了设计计算分析手段;BIM方案汇报,丰富了工程设计方与业主方的信息沟通方式。可以将闸站工程的BIM设计经验运用到类似工程中,为其他景观河道类工程的设计提供了宝贵设计经验。