张鹏利 崔超 贾宁霄

摘要：bim技术的应用为传统水利水电工程勘察设计提供了一种新的思路和方法，然而鉴于水利水电工程的复杂性，现有的bim技术实践存在标准化程度低、流程不明确等问题。以黄金峡水利枢纽工程为例，基于达索3dexperience平台，研究了协同环境下的bim技术的应用流程及方法，并形成了一套基于bim技术的水利水电工程设计流程体系。在此基础上，借助于参数化建模、工程量统计以及三维出图等手段，总结了bim在应用过程中的创新点以及存在的技术难点;同时，通过对属性扩展、数字化交付的研究，为工程全生命周期的信息化流转提供了新的思路。工程实践表明：研究成果提高了该工程的设计效率和质量，可为今后同类工程的设计提供参考和借鉴。

关 键 词：水利水电工程; 3dexperience平台; bim; 多专业协同设计; 黄金峡水利枢纽

中图法分类号： tv51

文献标志码： a

doi：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.024

0 引 言

bim技术自诞生以来一直被视为勘察设计领域的一次突破性技术革新，它带来的标准化、参数化、流程化的设计理念，打破了传统二维cad设计模式下各专业相互独立、信息脱节的状况，突破了多专业协同设计过程中因技术手段缺乏而带来的种种限制，形成了以bim模型为中心的信息化管理模式。水利水电工程因其结构的复杂性，涉及专业众多，无标准构件和标准图集，因此对三维设计和bim应用提出了更高的要求[1]。

得益于信息技术的发展，bim技术近年来在水利水电工程设计过程中取得了长足的进步。国内外专家和学者就bim技术在工程设计过程中的方法、技术和手段也开展了实践和研究，并取得了一定的成果。

许哲峰[2]以深圳市龙岗区松子坑水库为例，研究了bim技术在水利工程设计中的应用，提出了以激光扫描和倾斜摄影技术为基础的bim设计、施工、运行技术路线。

杜九博等[3]在西藏自治区湘河水利枢纽工程设计过程中，利用bim技术开展了正向设计，同时，也采用多种bim设计软件进行多专业协同设计，探索了bim设计过程中的软件协作问题。

许能[4]以巴布亚新几内亚埃德伍水电站为例，研究了水电站设计、施工过程中的bim应用点，并验证了autodesk平台软件系统之间的应用流程和数据转换路径，为工程带来了明显的效益。

徐肖峰等[5]研究了bim技术在水工程盾构井勘察设计中的应用，利用revit平台的dynamo参数化设计功能，实现了复杂地质模型和水工结构模型的结合，并实现了设计方案的优化。

曾旭东等[6]利用点云技术高仿真、快速建模的特点，研究了点云技术和bim模型的协同设计方法，增强了设计人员在设计过程中对环境的感知，提高了设计效率，使设计成果更加具有可信性。

吕贺[7]以南雄市市区横江水库工程为例，研究了bim技术在水利水电设计应用过程中的关键技术，提出了在模型创建过程中应注意模型格式在模型不同平台间的通用性问题。

张慧媛等[8]利用bentley平台，以遵义市余庆两岔河水库泵站厂房设计为例，研究了bim技术在多专业协同设计过程中的应用情况，并提出了创建企业自主bim设计标准库的重要性。

国外研究成果多集中于市政及房建领域，注重bim与信息技术的结合[9]。hegemann等[10]研究了隧洞tbm施工过程中的管片排列问题，并利用bim技术将施工期管片实际位置与模型相结合，建立了管片信息与模型信息的关联。stegnar等[11]则提出了一种渐进式的bim设计方法，可以改进设计，快速响应业主的需求。

bim技术在国内外的研究虽然取得了较为丰富的成果，但依然存在以下问题。

（1） bim技术研究多针对于某一特定场景，缺少工程从开始设计到交付后的设计全生命周期内的应用流程研究。

（2） 由于bim设计平台的多样性，bim技术应用大多采用多平台，bim文件在格式转换过程中难以保证信息的完整性，而且缺乏相关研究。

（3） 对于水利水电工程，缺少大范围地质模型与结构模型的协同設计实践与研究。

本文针对上述问题，结合黄金峡水利枢纽工程设计开展了研究，提供了一种新的解决思路。

1 工程概况

1.1 项目简介

黄金峡水利枢纽为i等大（一）型工程，多年平均设计供水量为9.69亿m3，水库正常蓄水位为450 m，水库总库容为2.21亿m3，泵站总装机容量为12.6万kw（7台1.8万kw），电站总装机容量为13.5万kw（3台4.5万kw）。枢纽位于陕西省汉中市洋县境内，地处汉江干流上游峡谷段[12]，如图1所示。

工程设计模型及效果图如图2所示。

1.2 勘察设计特点与难点

该工程勘察设计过程中主要存在以下特点及难点。

（1） 枢纽布置限制条件多，难度大。黄金峡水利枢纽兼具供水、防洪、发电、航运、生态等功能，枢纽由大坝、泄洪冲沙建筑物、泵站、电站、鱼道、升船机等组成，建筑物种类多，布置要求各不相同。枢纽泄洪规模大，泄洪建筑物受河势条件限制，只宜布置在右岸;泵站受引汉济渭工程总体格局要求，只能布置在左岸，建筑物布置限制条件多。坝址河谷较狭窄，与枢纽建筑物数量多的矛盾亦十分突出，枢纽布置难度大。

（2） 两岸高边坡问题突出。坝址山高坡陡，岩体风化较强烈，边坡最大开挖高度接近300 m，高边坡是该工程关键技术问题之一[13]。因此，需要通过地勘工作，查明岩体风化特点和地质构造，确定岩体物理力学参数，采用数值分析方法，对边坡稳定性进行重点研究，并确定边坡开挖支护措施。

（3） 泵站安全稳定运行要求高。黄金峡水利枢纽泵站为高扬程、大功率泵站，其规模位居国内前列[14]。根据该工程泵站规模大和技术难度高的特点，设计时应将泵站长期高效、安全稳定运行放在首位。

（4） 施工导流程序复杂。黄金峡水利枢纽导流标准洪峰流量达10 800 m3/s，坝址河谷狭窄，采用二期导流方案，施工项目多、相互干扰大，施工工期紧张，导流程序复杂[15]。

2 bim实施与组织环境

2.1 bim应用目标

黄金峡水利枢纽bim勘察设计采用达索3dexperience平台（以下简称“3de平台”），结合地质、水工、机电、金结等专业，融合传统勘察设计模式[16]，以满足工程项目三维成果为出发点，全面推进勘察、规划、设计一体化的全生命周期bim三维协同设计，实现了bim在工程量统计、三维出图、计算分析、可视化表达等方面的应用，满足设计成果交付需求。同时，为后期的施工期建设管理和运行期运维管理等，提供了基于bim模型的数据基础和技术服务。

2.2 bim实施流程

围绕黄金峡水利枢纽工程特点及难点，开展了多专业的协同设计，主要流程包括：

（1） 基于3de平台的项目管理模块，建立协同环境，为设计人员及管理人员分配相应权限，并建立项目级合作区。

（2） 确定bim设计范围。设计包含的工程项目范围主要有地质专业模型、主体建筑物（大坝、泵站电站、鱼道、升船机）的土建结构和相应的机电设备、金属结构、施工专业模型。

（3） 分解项目并确定相互连接界面。项目按空间分布划分为边坡、左岸非溢流坝段、泵站、电站、导墙坝段等，从而建立项目总骨架与各专业子骨架。

（4） 根据专业特点与行业规范，定义模型编码与属性扩展内容，建立bim模型属性体系。

（5） 多专业协同设计。以项目骨架为参考依据，各专业可在实际位置开展bim设计工作，在建模的同时，可以随时查证其他专业的设计进度和设计成果;通过相互引用，可及时调整设计方案中的定位信息，从而避免后期的大规模调整。

（6） 建基面开挖。在确定各专业模型无误后，根据地质条件，按照基础设计要求，对开挖面进行建模，确定结构与基础接触的下部结构形式，進行整体开挖。

（7） 基于bim模型，开展bim应用。

（8） 数字化交付。

bim实施流程如图3所示。

2.3 bim组织团队

在项目部领导的组织下，黄金峡水利枢纽工程勘察设计阶段设立bim总监，统筹管理bim实施流程与应用开展工作。成立bim协同设计小组，成员为具备工程设计与bim应用双重能力的各专业设计人员。同时配置bim技术支持小组，随时解决设计过程中可能遇到的bim软件应用问题。

2.4 bim协同环境

3de平台的组织架构包含胖客户端、web客户端以及服务器，如图4所示。用户经过身份验证后，通过网络连接后端的应用服务器（mcs）进行各种操作。3de平台不使用本地存储模式，所有资源均存储在数据库服务器（dbs）中，可显著降低数据管理难度，提高数据存储的安全性。

3de平台实现了“同一个平台，同一套数据”，各专业设计人员在同一平台下，针对同一套数据进行协同设计工作。不同设计人员可以根据相关专业发布的数据及模型，建立自己的设计环境。同时这个环境会“实时”更新，上序专业对数据及模型的修改，也会同步反映到设计环境中，便于实现真正的协同设计。

3 bim应用亮点

3.1 bim参数化建模

在黄金峡水利枢纽工程勘察设计阶段，结合3de平台，开展了多专业正向协同设计。利用3de平台参数化建模准确、快捷、适应性强的特点，以地质、水工、金结、机电等专业为核心，开展基于骨架的参数化建模工作。

（1） 地质模型创建。

通过现场采集地质信息，建立地质信息数据库，采用自主研发的地质信息管理系统，将可用于模型构建的地质数据快速导入3de平台，进行参数化三维地质建模，建模完成后，利用航片对地表进行渲染，采用材质对地质体进行渲染。流程如图5所示。

对于定位面以及定位轴系等组成，由牵头专业建立项目总骨架，经发布后由各个专业参考建立专业子骨架，如图6所示。

（2） 基于部件设计建模。

黄金峡水利枢纽通航建筑物多呈线性布置，因此，在设计中广泛采用了3de平台基于部件设计（component d design，cbd）的方法。cbd以bim技术领域模型精细度层级（level of design，lod）概念为基础，在设计初期，使用lod100模型进行定位和占位设计，快速实现设计方案的初步确定，满足方案比选的要求。随着设计过程的深入，在cbd中开展详细设计，可一键升级原有的低精细度模型，避免了重复的定位过程。采用cbd设计方法，既满足了方案尚未确定时需要大致模型进行方案比选的需求，又解决了长线性工程中大量重复模型单元无法快速更新的问题，极大地提升了bim设计效率[17]，如图7所示。

（3） 系统化机电模型创建。

机电专业利用3de平台机电设计模块，开展水机、电气、暖通模型创建工作，通过参考土建专业的模型与定位元素，实现协同设计。以水机模型为例，建模之前先建立水机模型属性库，预先定制水机设备的参数和属性信息，之后通过机电设计模块，进行系统化的设备布置及管路设计，如图8所示。

（4） 模板化金结模型创建。

金结专业模型在设计过程中，将常用的标准件建立模板库，并将常用构件做成udf特征，极大地提高了设计效率。常用标准件有各类型钢，如工字钢、槽钢、角钢等;各种紧固件，如螺栓、螺母、垫圈等;常用构件包括各种梁、板、柱等。每一类构件形成相应的udf特征单元，并设置主要控制参数进行驱动，实现在三维建模过程中的重复调用，如图9所示。

3.2 工程量统计

针对包含大量曲面的异形结构实体，利用3de平台工程量计算功能，可快速精准地实现工程量统计。在黄金峡高边坡开挖设计过程中，利用现场实测块体边界，结合三维投影视图，建立了三维块体模型并进行了工程量统计，如图10所示。

3.3 二三维联动出图

该项目工期紧张，供图任务繁重。结合3de平台三维出图模块，并自主研发出了三维出图线型标准，实现了剖视图、轴测图的一键生成功能，如图11所示。同时，也满足在三维设计更改的时候，图纸可联动更新。

为了简化钢筋图生成过程，将3de创建的结构模型，导入到长江设计公司开发的三维配筋出图一体化软件，进行施工图配筋设计并一键出图，显著提高了设计效率。实践中，已形成“3de建模+三维配筋出图”的组合模式，具有良好的示范效应，如图12所示。

3.4 计算分析

利用3de软件格式转换的优势，将bim模型导入数值分析软件。在此基础上，进行网格划分，并开展三维有限元数值分析，根据结果来优化调整结构的尺寸与形式，如图13所示。

3.5 设计方案优化

在设计过程中，充分利用bim技术“所见即所得”的特点，一旦发现设计方案中的隐蔽问题，即可提供方案比选的功能，实现设计方案优化。黄金峡水利枢纽导墙坝段由坝工与电站专业共用，初设方案结构划分不合理，利用bim技术进行方案比选后，对局部结构分工进行了优化调整。设计方案优化情况如图14所示。

3.6 可视化表达

在不同的软件中模型的构建逻辑不同。3de平台的模型是为参数化驱动的曲面和实体，其中包含大量的过程文件，结构树层级较多，不利于轻量化的模型表达。因此，利用达索公司的composer软件对设计模型进行了简化，以实现模型成果展示与交流。composer的模型是由面片组成的封闭或开放式的曲面组成，只需要结果元素，不需要过程零件，并且支持交互式操作、移动端展示和动画制作。同时基于bim模型，利用3d打印机，打印出1∶2 000模型，便于现场与参建各方沟通展示。composer可视化表达及枢纽3d打印模型分别如图15～16所示。

3.7 bim属性扩展

目前，主流bim软件仅针对建筑、机械、市政专业进行了标准化屬性定制，水利水电专业虽已有相关行业标准，但在软件层面仍缺乏成熟的属性定义体系，因此在项目实践过程中，需要针对性地开展属性扩展工作，确保满足bim模型信息化应用需求。

该项目考虑运维期模型应用需要，属性扩展与数据库表设计同步进行。采用数据库设计软件进行字段设计，同时在3de后台服务器进行属性集扩展，扩展后的属性可以在结构树节点进行添加，并满足ifc标准要求，流程如图17所示。

扩展后的属性可以导出，同时，可以直接与数据库数据进行交互，从而建立黄金峡bim模型属性扩展体系。图18为属性扩展结构。

3.8 数字化交付

为了发挥bim模型全生命周期管理优势，将设计bim模型的成果延伸至施工和运维阶段。该项目从功能需求出发，提出了黄金峡水利枢纽工程bim模型数字化交付的方法。

（1） 针对业内已有的bim模型交付标准进行全面的调研分析，确定该项目设计交付的内容、交付方式及其包含的成果。

（2） 针对国内多个主流bim设计平台进行bim模型数据格式对比，分析不同设计平台bim模型格式转换的方法及其存在的问题，确定了该项目模型交付格式，即采用通用的*.ifc、*.obj和*.fbx格式。其中，*.ifc格式包含几何和属性数据，但难以进行轻量化处理，后两者虽然不包含属性信息，但可方便地进行模型轻量化。

（3） 通过bim模型轻量化等关键技术的应用，结合黄金峡水利枢纽运维管理系统具体需求，实现了数字化交付，满足设计bim模型向运维期转化的需求。

4 应用成效

基于网络服务器与三维协同环境，在黄金峡水利枢纽工程勘察设计阶段重点加强多专业的三维协同技术研究与应用，提高了专业间相互参照、协同会商的工作效率;三维参数化设计技术的加入，显著提高了设计效率，与计算分析软件的结合，实现了设计计算一体化;三维出图技术的使用，提高了设计效率，在供图任务繁重的施工期，满足了现场的图纸需求;基于工程轻量化数据的三维交互式表达技术在工程现场进行宣贯与示范推广，起到了辅助指导现场施工，提升现场三维应用水平的效果;属性扩展和数字化交付，实现了bim技术从设计到运维的转换，提高了bim技术的应用价值。

5 结 语

bim技术在黄金峡水利枢纽工程勘测设计中的研究及其应用实践，有效地促进了设计过程中技术方法、技术流程与工作模式的优化与改进，基本上形成了以bim模型为中心的协同设计建模、计算分析和模型出图一体化协同技术和流程，使得三维协同技术更加融合于传统的勘测设计工作中。基于黄金峡水利枢纽工程设计过程所积累的实践经验、技术成果已在行业内得以分享、交流、推广与示范，可为其他同类项目开展三维协同设计与应用提供宝贵的经验和参考。

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（编辑：赵秋云）

application of bim technology in design of huangjinxia hydro-complex project

zhang pengli1，cui chao1，jia ningxiao2

（1.hanjiang-to-weihe river water diversion project construction co.，ltd.，xi’an 710024，china; 2.changjiang survey，planning，design & research co.，ltd.，wuhan 430010，china）

abstract：

facing the complexity of hydropower projects，the present bim technology has disadvantages of low standard level and fuzzy process.in the survey and design stage of huangjinxia hydro-complex project， d on dassault 3dexperience platform，the online collaborative application process and methodology is studied，and a set of bim d design process system for hydropower projects is formed.combined with the bim design process，the parametric modelling，statistic of project quantity，3d drawing，we summarize the difficulties and innovations in the application process of bim.finally，we study the attribute extension and digital delivery，providing new ideas for information transmission during the whole project cycle.the project practice shows that the research results have improved the design efficiency and quality.

key words：

water conservancy and hydropower engineering;3d experience platform;bim;co-design in multiple departments;huangjinxia hydro-complex project