黑河黄藏寺水利枢纽BIM综合应用

王 陆，陶玉波，王 楠

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

水利枢纽设计是水利工程设计中最富有挑战性的工作。水利枢纽存在专业众多，空间布局复杂，建筑交叉多，专业协调难，设计流程反复等特点。通过基于三维设计的BIM综合应用，可以在协同环境下，运用三维可视化设计方法，在统一的设计环境中进行设计验证和设计管理，通过专业的BIM软件实现数字化设计交付，并可将设计数据在施工管理中复用，有利于实现基于BIM的水利工程全生命周期管理。

1 项目背景

黑河黄藏寺水利枢纽坝址位于黑河上游东、西两岔交汇处以下11km的黑河干流上。距青海省祁连县城约19km，是国务院部署的172项重点水利工程之一，也是2016年开工建设的20项节水供水重大水利工程之一。

黄藏寺坝址位于黑河上游峡谷进口下游约1km处，河谷狭窄，底宽约20～40m。坝址区发育多个滑塌体。工程坝轴线处的岸坡陡峻，河水面宽15～25m，水深约2.5m，右岸岸坡坡度一般为45°～60°，左岸2576m以上，岸坡陡峻，坡度一般为60°～80°，地貌上为基岩陡坎。

项目前期设计阶段主要工作是充分利用参数化设计和协同设计，实现快速设计分析，动态调整设计方案以期达到设计相对优化的目的；施工期则根据总承包项目的特点，充分利用设计数据，建立一套基于BIM的施工管理平台，对工程的进度、安全、质量及成本进行控制。

2 基于BIM的设计施工一体化解决方案

水利水电行业的BIM设计是从2006年逐渐兴起的，不同的设计单位根据自身需求和侧重点，对软件的采购情况各不相同。主要集中于三大系列产品，分别为以AutoCAD／Revit系列软件为基础解决方案、以Microstation／AECOsim为核心的解决方案及以CATIA／ENOVIAVPM为核心的解决方案。本工程根据实际情况，采用了以CATIA／ENOVIAVPM解决方案为核心，辅以自主开发的软件平台插件和基于BIM的施工管理平台，实现了正向三维设计、信息集成交付及基于BIM的施工期管理，初步打造出高度集成的设计施工一体化流程解决方案。

在整个设计过程中，BIM应用分阶段按照目标要求分别进行，本项目的各阶段BIM设计目标见表1。

首先通过自主开发的“工程勘察数字采集系统”，将地勘资料与测绘航飞资料结合，在ItasCAD中生成三维地形地质，然后通过中间格式，在CATIA中形成水工设计所需的地形地质体，如图1所示。

表1 设计阶段BIM应用目标

图1 测绘、地质成果无缝进入CATIA平台

接下来，利用基于知识工程的可复用设计模板生成参数化水工设计方案模型，有利于前期快速调整方案，如图2所示。

图2 基于知识工程的可复用模型用于方案比选

方案确定后，通过基于设计流程的快速建模工具，形成可以用于进一步加工的粗模。最后通过进一步调用水工设计模板库中的相关构件，完成整个模型的细化。对于无法使用现有模板的结构，则采用基于知识工程的参数化模型，完成结构的设计。最后的结果如图3所示。

图3 大坝及厂房的详细模型

设计工作完成后，利用自主开发的设计施工模型转换工具，将设计BIM模型根据项目进度和验评需求进行拆解，以获得施工BIM模型。

之后利用轻量化工具形成基于WebGL技术的用于多端显示的轻量化模型，并通过自主开发的CATIA插件对BIM信息进行提取，将拆解后的轻量化模型和对应的BIM信息通过数据库重新组合到一起，以方便后期施工和运维使用。

在施工和运维阶段，根据施工单位和运维单位的具体要求，通过对现有BIM数据库与其他数据库进行系统集成，利用模块化技术，快速完成施工管理平台及后期运维管理平台的搭建，如图4所示。

图4 基于混合云平台的施工管理综合系统

3 设计阶段BIM应用

本工程位于狭窄河谷，谷深坡陡，且地质构造复杂，断层、节理非常发育，岩石风化严重，建筑物形式选择受限，道路布置极为困难。为达到快速设计分析、快速调整布置的目的，采用了三层次的设计保障体系。一是基于知识工程的全参数化模型及标准构件库，二是自主开发的基于设计流程的快速建模工具，三是基于BIM的建模分析一体化流程管理。

3.1 基于知识工程的可复用设计模型

水利水电工程一向以工程复杂多变著称。以本工程为例，按照传统设计，V型河谷最适宜的挡水建筑物形式为拱坝。但由于拱坝对于地质条件要求较高，而本工程坐落位置的地质条件不允许在成本可控情况下建立拱坝，因此改为重力坝。同样由于地质条件原因，地下厂房的开挖存在高风险，不得不在狭窄河谷内部构建地面厂房，以满足风险可控，造价可控的目的。这就造成本项目的比选方案众多的特点。

依托多年来在CATIA V5上的深入研究，黄藏寺项目前期模型在创建之初，就采用了基于参数化骨架和模板化建模的正向建模方式。通过建立“项目—专业—建筑物”的三级骨架结构，实现基于建筑物轴系、控制点及控制面为基础的全参数化模型，通过参数调整就可快速对方案进行修改。通过该方法，项目快速进行了十余个方案的比较，如图5所示。

除此以外，借助多年积累的模板库，实现了重力坝、厂房、施工导截流、道路等建筑物的快速建模，有效的支持了方案比选阶段工作。

图5 参数化模型及参数化模板库

3.2 基于设计流程的快速建模工具

CATIA软件的模板功能实现容易，修改方便，是很好的知识传递工具。但由于没有很好的图形化界面辅助，设计人员在使用模板时需要对参数含义非常了解，且要求创建模板的人员具有非常高的专业素养，这极大的增加了管理成本。

通过总结建筑物设计及建模流程，在参数化模板库、基本参数库以及设计流程书的基础上，通过调用CATIA API并结合设计人员熟悉的设计方法，实现模型流程化创建。该方法极大提高了建模速度，减少了建模出错的几率，如图6所示。

本项目中，由于可布置的空间较为狭小，厂房成为设计关注的重点。在总结了一般地面厂房的设计方法的基础上，通过整合设计流程和模板技术，开发出基于流程的地面厂房设计辅助软件，实现了厂房的快速建模、稳定计算、计算书输出及工程量统计等功能。且这种调节是双向的，可以通过计算书调整模型，也可以调整模型生成新的计算书。

图6 流程化厂房建模工具

3.3 基于BIM的设计仿真一体化流程

在水利工程设计中，结构计算及边坡稳定分析是设计过程中最重要的设计依据。通过BIM模型适当处理，形成用于计算分析的专用模型，可以有效的减少前处理工作量，大大提高计算分析整体进度。

本项目利用CATIA软件与其他计算分析软件的接口分析，总结出一套适用于Ansys、FLAC3D及3DEC的模型简化方法和模型转换工具，极大的减少了模型在进入计算仿真软件后的精度损失，降低了破损面产生的几率，如图7所示。

图7 基于BIM的设计仿真一体化流程

特别是在设计过程中，利用统一的计算分析专用模型，实现多学科计算分析数据源统一，可有效避免不同的分析计算软件，由于采用的前处理工具不同，以及建模简化方式的不同造成的计算结果误差。

4 施工阶段BIM应用

4.1 基于AR的增强图纸交付

在传统的施工图交付环节，由于结构复杂度，现场交底常常持续数周，且还时常出现施工结果与设计意图不符的现象。为解决这个问题，很多大的施工企业采取了多种技术手段来保证设计交付的成果更容易理解。

在本工程施工图交付初期，项目组综合比较了三维模型交付、AR交付、VR交付等多种方案。经过比较，三维模型交付存在交付文件多、需要转换格式、细节丢失等问题，而VR交付与AR交付效果相对较好。但VR设备沉重，携带不便且有空间限制，虽然沉浸效果更好，但使用受限；而AR交付可通过手机扫描图像或二维码实现，更简便快捷，也符合当前人人有手机的环境。最终项目选择了基于AR的增强图纸交付。

通过基于图像的手机AR程序，在扫描图纸上的图像后，即可显示出来该图纸的三维模型，并可以进行远近操作，还可以进入模型内部观察具体结构，极大降低了通过该方法交付图纸的理解难度。特别是对于现场施工人员，可快速比较设计模型和现场实际施工情况，实现快速纠偏，减少返工和浪费现象，如图8所示。

图9 设计施工一体化数字交付流程

图8 基于AR的增强图纸交付系统

4.2 基于BIM的数字化交付

BIM的核心在于实现信息在工程全生命周期内的流动，因此设计信息如何交付于施工，施工信息如何继续在运维阶段应用，成为了基于BIM的数字化交付的核心。

本项目利用了一系列现有和新开发的BIM模型辅助工具，来解决BIM信息集成与传递过程中的数据交付问题，如图9所示。

在本项目执行过程中，交付管理主要分为2个方面，一个是面向下游专业的设计交付，一个是面向业主和施工单位的外部交付。

通过基于三体系文件规定的详细BIM设计交付流程和BIM成果交付标准，在公司内部，实现了基于BIM模型的设计交付流程，满足了上下游专业对于数据共享和设计延续性的要求。

在施工阶段，根据质量验评单元划分和进度编制要求对设计模型划分，分块采用基于CATIA自主开发的分块程序进行划分，每块模型通过转换工具进入模型文件数据库。同时，通过在基于BIM信息数据库和模型文件数据库的施工管理平台上通过与外部信息数据库的整合，实现施工过程中的质量、安全、进度和成本的全过程记录，形成基于质量验评单元的施工管理模型。

该数据库还可用于后期竣工交付生成对应的竣工BIM模型，并为后期运维的数据接入提供对应的接口。从而形成全生命周期BIM数字化交付。

4.3 三端合一的施工管理平台

作为以设计为核心的总承包项目，如何更有效的管控施工队伍，完成对项目的质量、安全、进度、成本更有效的管理，成为了总承包项目成败的关键。

本工程在分析工程应用需求的基础上，通过对不同的数据的安全级别的筛分，分别将不同的数据储存在公有云和私有云两套平台上，再通过统一的数据接口实现混合云平台下的基于BIM的施工管理平台，如图10所示。

整套系统通过BIM模型导入接口和外部数据导入接口实现了与外部数据交互的目的。系统内部，通过应用服务层实现对基础数据层的调用和数据录入，并通过接入服务实现不同客户端接入时的访问请求。通过业务展现层，实现相关业务的模块化组合。通过基础数据层、服务层（包括接入服务和应用服务）和业务展现层的三层结构实现了整个“三端合一”施工管理系统。

该平台实现了客户端（BIM应用综合管理平台）、网页端（智慧工地管理系统与验评及危险源管理系统）及移动端（验评及危险源管理系统）数据的融合，一端上传，多端可查。同时，利用客户端、网页端及移动端各自的优势，实现不同数据的整合，扬长避短，实现整个施工工地的数字化。

图10 基于BIM的施工管理系统框架图

5 结语

通过BIM技术在黑河黄藏寺水利枢纽的综合应用，初步探索出一套设计施工一体化BIM解决方案。通过充分发挥CATIA／ENOVIAVPM系列软件在知识工程中的强项，形成以骨架设计为基础，参数化模板为构件的水工BIM设计方法。通过BIM协同设计，有效降低了工程设计中的错、漏、碰的问题。通过BIM模型实现了计算模型、出图模型的派生，加快了设计速度，减少了出问题的几率。

通过新技术的应用，降低设计单位与施工单位之间的理解偏差，有效降低了与施工企业的沟通成本。通过各方共同参与的基于BIM的施工管理平台的建设，极大提高了EPC的进度、安全、质量及成本控制能力。通过该平台，为后期数字化交付提供基础资料，可有效减少资料整理时间，加快竣工资料的移交，并为后期运维提供真实可靠的基础数据。

通过本项目构建的设计施工一体化的BIM解决方案，可继续移植到其他总承包项目中，为总承包项目的信息化树立新的典范。

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