童埠智慧泵站工程BIM正向设计应用研究

刘汉霞

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210098)

0 引言

随着BIM技术的不断推广，各设计企业数字化转型的重点已偏向三维设计和BIM技术应用。由于BIM技术应用投入大、周期长、市场机制暂未形成及高端技术人才短缺等原因，全过程的BIM正向设计还较少，大部分仍停留在翻模、可视化效果展示等阶段[1]。下文以童埠智慧泵站工程为例，详细介绍了BIM正向设计的全过程，成果可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

童埠圩位于安徽省青阳县西北部，属大通河流域下游沿江圩区，总面积29.00km2，其中，圩区15.89km2，丘陵区13.11km2。为保障童埠圩的生产及青阳经济开发区童埠园区的防洪安全，新建童埠智慧泵站1座，采用潜水轴流泵6台：4大2小，设计流量为32m3/s，总装机功率4000kw，泵室总体尺寸为顺水流向18.30m，垂直水流向27.50m。项目主要建设内容包括：泵室、清污机桥、进水池、出水渠等3级建筑物；出水池、出水箱涵、防洪闸等2级建筑物；前池、进水渠护岸等永久性次要建筑物等4级建筑物。

2 BIM应用前期策划

2.1 协同设计组织

考虑到本项目设计周期短且涉及专业众多，不同专业间数据交换格式多样且过程复杂，有序合理的三维协同工作流程可以有效提高专业间沟通效率，减少修改与返工，确保项目在规定时间内高效、高质量地完成。通过梳理各专业设计内容、工作开展前置条件和输出成果，制定了多专业协同设计流程，如图1所示。

图1 多专业协同设计流程图

目前，运用较为普遍的协同设计方式主要为链接协同设计和工作集协同设计2种[2-4]，本项目在局域网环境下，采用2种协同设计相结合的方式进行BIM正向设计应用。

(1)链接协同，即在一个BIM三维模型文件中通过链接功能，引用其他文件的相关模型或CAD数据，与AutoCAD的外部引用功能相似。部分专业之间由于设计软件的不同，需采用链接方式进行模型组合装配。链接协同解决了不同软件之间的设计沟通，并且可以更加方便地追踪文件的版本，及时发现和解决问题，提高设计模型的质量。

(2)工作集协同，指通过建立中心文件、创建工作集的方式实现不同设计人员之间的实时协同设计，它与链接协同之间存在着本质上的区别。对于建筑物体量较大且较为复杂的工程，采用工作集协同可实现多用户同时在本地模型中同步完成设计，避免重复工作并提高沟通效率。

2.2 数据互通

BIM技术相关应用软件众多，本次正向设计过程中各专业软件应用情况见表1。

表1 BIM正向设计软件应用情况表

根据表1可知，不同专业所使用的软件也有所不同。为提高模型数据互通性、减少重复建模工作量，梳理总结各软件之间数据转换存储格式，以实现各专业间的“一模多用”，提高设计效率。数据转换存储格式见图2。

图2 BIM正向设计数据流流程图

3 BIM正向设计应用

3.1 勘察BIM应用

为了更加直观、真实地展现工程区域及周边场景，项目采用无人机倾斜摄影对地表基础数据进行采集，提取DOM、DEM数据导入Infra works软件中建立三维实景模型，直观反映工程与周边环境关系、实现了大场景的地形地貌巡视漫游和高程、距离、面域的量测[5]，并可进行任意位置的剖切，大幅减少现场踏勘工作量，与业主的沟通也变得快捷、高效、准确。

利用三维地质软件，以地勘钻孔、剖面数据为基础，融合地质结构等信息，构建三维地质模型，直观展现了地层、构造、地下水等信息。在此基础上模拟基坑开挖，提供各土层的详细开挖量，直接生成剖面图及钻孔柱状图，直观地显示项目区软弱土层的分布；通过三维地质模型与地基处理设计模型的融合，直观准确反应地基处理设计的合理性。

3.2 各专业BIM模型创建

(1)水工结构模型。工程范围内水工结构，主要包括泵室主体、涵闸、翼墙及清污机桥等，水工专业采用Revit软件，通过创建中心文件，进行多人实时协同设计。涵闸、翼墙及清污机桥，可调用南京市水利规划设计院的参数化模型构件库，通过调整参数快速放置构件创建模型。泵室结构，由于其自身结构特点，参数化程度较低，设计人员采用常规模型样板，根据轮廓放样、旋转、融合等操作，创建泵室三维模型。水工结构整体模型及单体模型如图3所示。

图3 水工结构模型

(2)建筑结构模型。建筑专业通过建立适合水利工程项目特点的建筑专业模板，定义了门、窗、栏杆等建筑族块。在建模过程中，重点对站房内、外墙体及粉刷做法、地板、吊顶、屋面、保温等进行精细化建模，从而实现同类型站房的快速创建。泵房及管理房模型如图4所示。

图4 泵房及管理房模型

目前，结构设计成果交付物仍是二维图纸，因此结构正向设计流程首先采用PKPM-BIM软件进行三维建模，然后导入PKPM-SATWE进行整体稳定及配筋分析计算，需要利用PKPM模型直接输出二维工程图。

(3)金属结构模型。童埠智慧泵站金属结构，主要模型包括泵站进水侧拦污清污设备、泵室出水侧事故断流设备、出水箱涵闸门井防洪设备，以及上述设备的埋件和附件。针对该工程金属结构的特点，运用Inventor软件进行闸门、拦污栅的三维参数化模型创建，并将创建的金属结构模型导出为.rfa格式上传至Vault协同平台，设计人员根据各构件相对位置进行模型的链接装配。拦污栅、事故闸门及出水箱涵闸门模型如图5所示。

图5 金属结构三维模型

(4)水机模型。水机专业传统的建模方式，是采用UG进行三维模型创建，但在模型总装过程中，需解决与Revit软件之间的模型转换问题。由于两款软件的底层几何引擎不同，存在不完全兼容等问题，导致导入模型失真。为更好地解决问题，项目使用三维建模软件Inventor及Revit进行水泵机组及辅助设备建模。

水泵机组由叶轮段、导叶段、导流锥、电机及地脚螺栓等构成。其中，叶轮段和导叶段由叶片和轮毂组成。本次BIM建模，水泵机组叶轮段和导叶段涉及叶片翼型，形状较为复杂，因此，这两部分建模在Inventor中完成。叶轮段及导叶段三维模型如图6所示。

图6 叶轮段及导叶段三维模型

辅机系统，设备包括供水系统、排水系统等，涉及管道及其附件、供水泵、排水泵等。本次辅机系统建模，基于revit软件在协同平台上直接建模，通过协同工作减少配套设备设计和建筑、结构之间的协调错误，同时，可以利用碰撞检查工具，及时发现管道系统绘制中存在的问题。辅机系统三维模型如图7—8所示。

图7 常用管道附件族库中调用的排污泵模型

图8 供排水系统布置

3.3 数值仿真分析及方案优化

现有主流BIM软件，基本都实现了与Ansys、Abaqus、Midas等大型有限元软件的无缝对接[6-8]，即采用BIM软件创建三维实体模型，并导出为有限元软件可识别的数据格式，导入有限元软件创建三维数值模型，极大地提高了有限元模型前处理效率。文中采用Revit软件创建涵闸结构内部及下游河道水体模型，将创建的模型导入Midas NFX软件，进行网格划分、荷载添加及CFD边界设置，通过对各工况下闸门开启时的下游河道流态仿真计算分析，可以得到最不利冲刷区范围。设计过程中根据数值仿真分析结果优化方案，对该区域进行加固防冲设计，确保工程运行安全。下游河道CFD流态仿真分析最不利冲刷区范围如图9所示。

图9 下游河道流态仿真分析

3.4 三维配筋

结构配筋设计是施工图阶段的重要工作之一，在传统的二维制图方式下，设计人员需绘制多个剖面钢筋图以确保配筋意图的准确表达，但由于二维设计的局限性，对于复杂结构的表达及设计意图的沟通和传递仍有一定阻力。三维配筋软件采用可视化界面，可直接导入BIM软件生成的.sat格式三维模型，设计人员按照拆分规则将模型细分为单个构件进行配筋，便于查错、后期修改和模型替换。配筋完成后，设计人员可在三维模型上通过剖切、投影和轴测等方式，自动生成钢筋详图及钢筋表，避免了人工统计钢筋时的错漏问题。

3.5 虚拟仿真展示

BIM优越于传统设计的一大亮点是其仿真功能。真实、直观的仿真模型，能加深各参建方对建设工程的认识程度，促进各方之间的顺畅沟通。项目运用BIM+GIS技术，基于Infraworks导入BIM模型及DOM、DEM等GIS数据，搭建工程区及周边三维场景，快速实现涵盖各要素的总体布置和多方案比选分析，为工程方案的确定提供了直观、科学的依据。泵站整体效果良好，达到规划设计预期。

4 结语

BIM技术不仅是对设计工具的改变，更是对传统设计思维方式及协作模式的变革。目前，由于设计平台多样化、技术积累薄弱及相关技术标准不完善等各方面因素的制约，BIM技术在工程全生命周期的应用仍有许多困难需要解决。研究以童埠智慧泵站工程为例，系统介绍了BIM正向设计的方法及流程，对协同设计组织方式、不同软件之间数据转换格式及设计流程进行梳理总结，研究内容可为类似工程BIM正向设计提供可参考的技术路线。

BIM技术应用的核心，是设计成果所携带的信息和数据的全生命周期流转，未来，应进一步挖掘BIM设计成果的信息和数据的应用价值，助力水利行业的智慧化发展，为推动水利高质量发展增砖添瓦。