三维BIM技术在孟底沟水电站可研设计中的应用与思考

摘 要：作为高山峡谷地区的大型水电工程，孟底沟水电站布置有高拱坝、大型地下洞室群及复杂场内交通等建筑物，具有牵扯面广、投资大、专业性强等特性，本文将从三维BIM技术在项目可研设计中的应用过程着手，并结合实际应用成效，浅谈BIM技术在水电工程设计中的作用和发展方向。

关键词：BIM；孟底沟水电站；可研设计；

孟底沟水电站是雅砻江中游七级开发方案中的第五个梯级，上游与楞古梯级衔接，下游与杨房沟梯级衔接。电站枢纽区位于四川省甘孜藏族自治州九龙县与凉山彝族自治州木里藏族自治县交界的雅砻江干流上，采用坝式开发。本工程为一等工程，工程规模为大（1）型，电站坝址位于孟底沟沟口下游约0.3km处，枢纽布置格局为：混凝土拱坝+坝身5个表孔和4个中孔（全坝身泄洪）+下游水垫塘二道坝+左岸地下引水发电系统+右岸2条导流洞。

作为高山峡谷地区的大型水电工程，孟底沟水电站布置有高拱坝、大型地下洞室群和复杂场内交通等建筑物，具有牵扯面广、投资大、专业性强等特性。其中，全坝身泄洪高拱坝结构布置困难、大型地下洞室群空间交错复杂、机电设备多且管线密集、建筑结构形式复杂多样尤为突出，传统的二维图纸设计方法，已无法直观的从图纸上展示设计的实际效果，可能造成各专业之间结构布置错漏碰缺、工程量漏记或重计、投资浪费等现象出现。随着基于BIM技术的三维协同设计技术在水电工程设计中的广泛应用，为有效的解决上述问题提供了机遇，通过基于BIM技术的Catia、Revit等三维设计软件，建立各专业协同工作平台，设计人员通过正向三维模型建立，为下游各专业提供含有BIM信息的布置条件图，既增加专业沟通，实现了工程信息的紧密连接，又通过三维出图，提高了工作效率。

1 孟底沟项目三维BIM设计概述

1.1 项目三维BIM设计生产管理

在项目可行性研究设计阶段，专门成立了孟底沟项目三维数字化工作小组，使三维协同工作开展目的明确、紧扣生产需要，科学有序。

1.2 项目三维BIM设计原则与目标

孟底沟项目部组织了可行性研究设计阶段三维工作策划会，明确了总体目标、工作分工、工作方式、模型边界、设计精度、进度要求等，要求做到正向设计、科学优化、成效显著

2 BIM在孟底沟水电站可研设计中的应用

孟底沟工程在可研阶段，结合设计工作需要，及时开展三维设计工作，在紧张的设计进度要求下，大力推动了孟底沟项目的设计工作，加强了专业协同设计、极大程度上减少了设计过程中的“错、漏、碰、缺”。下面列出了孟底沟工程关于三维地质模型、枢纽布置、参数化设计、工程量、负责空间关系检查等11个方面的三维设计主要工作内容。

2.1 坝区复杂地形地质模型建立

复杂的地形地质条件，采用传统的二维分析难度大，周期长，且难以全面、完整、准确地判断、分析、表达复杂的客观地质条件。

如何准确反映孟底沟水电站枢纽区风化、卸荷等地质信息，反映断层、蚀变带、岩脉等极为复杂的空间关系，是本工程地形地质模型建立的重点和难点。通过空间关系的梳理、建模过程中的复核检查，孟底沟三维地形地质模型全面、准确地反映了枢纽区工程地质条件。

2.2 综合地形地质条件和工程建筑物特点进行枢纽建筑物的布置设计

（1）水工建筑物

充分结合实际地形、地质条件，以“尽量避开不利地质构造，并有利于枢纽整体布置”的条件，开展枢纽建筑物的布置设计。在对高拱坝、三大地下洞室进行三维布置设计过程中，结合模型中展示的建筑物与主要断层及结构面的空间关系，可快速复核相对位置关系并及时调整其空间布置。

大坝、水垫塘和二道坝与主要地质构造模型关系图 地下厂房三大洞室与主要地质构造模型关系图

（2）导流建筑物

在对施工导流建筑物进行三维设计过程中，结合实际地形地貌和大坝枢纽建筑物的布置，可快速调整导流建筑物的空间布置，并对多方案导流建筑物布置进行快速的比选，以达到施工导流建筑物布置最优化。

（3）工程枢纽建筑物三维协同建模

在地形地质模型的基础上，结合拱坝、引水发电系统、施工导流及场内交通等枢纽建筑物布置条件，通过三维协同建模，较直观的展示了孟底沟水电站可研阶段设计成果。

2.3 高拱坝复杂结构参数化建模

对大坝、坝身孔口、开挖等复杂结构采用了参数化建模，便于模型后期应用灵活、修改调整便利。

（1）高拱坝体形参数化建模

利用《统一二次曲线拱坝坝体自动建模方法研究与程序开发》成果实现可视化的拱坝体形设计。以体形设计成果为基础，实现将拱坝设计成果导入CATIA，在CATIA平台上实现拱坝的三维自动化建模。将体形设计和自动化建模功能封装、集成为一个便捷、友好、易操作的模块。

（2）坝肩高边坡开挖参数化设计

孟底沟拱坝、缆机平台和下游水垫塘开挖工程设计，通过建立udf模板、编制工具程序，实现了全参数化、自动化开挖建模，以及相关剖面图纸和参数的提取。

（3）坝身复杂孔口群参数化设计

大坝坝身孔口设计难点在于空间结构复杂，参数关联性强，本次孟底沟坝身孔口通过大量参数及关系建立，完成坝身孔口的参数化模型，可以进行模型的参数化修改调整，提高后期坝身孔口设计效率。

2.4 大坝基础处理三维设计

针对孟底沟坝区对拱坝主要的不利地质构造，结合其空间实际展布，开展坝基浅表混凝土置换块、基础深部洞井网格等处理措施三维设计。通过三维模型可以检查基础处理与地质构造之间空间关系的正确性，并可以对基础处理设计进行可视化快速调整。

2.5 工程量提取

传统的工程量计算主要采用“断面法”，剖面多，计算量大，且随剖面数量多少，计算结果差异较大。孟底沟可研阶段，对工程土建投资影响较大的大体积混凝土、開挖支护等采用三维模型计提相关数据，以满足可研阶段工程量计算精度要求，避免了因计算误差造成后期工程量的调整。endprint

2.6 不同专业工作接口三维协同设计

枢纽建筑物三维模型直观、空间关系明朗，有助于正确理解工程设计成果，是专业内部之间、不同专业之间过程中“设计交底”的利器。孟底沟水电站可研设计工作，充分利用三维建模的优点，高效的推动各专业设计工作。

2.7 复杂空间关系检查和修正

孟底沟水电站地下厂房洞室群和大部分主要场内交通位于左岸山体，空间关系复杂，采用三维模型设计，避免了建筑物空间关系的“错、漏、碰、缺”问题。本次建模过程中，在排风洞与第一层排水廊道三维设计时，发现洞室间存在碰撞，后将第一层排水廊道抬高，使两洞室空间错开，及时解决了问题。

2.8 围堰分区

通过本次孟底沟水电站施工导流建筑物的三维设计，还实现了对上下游围堰进行材料分区建模，直观方便的了解围堰各部位的建筑材料构成，通过与地形面的运算后，还能够快速计算出填筑围堰的各建筑材料的表面积和体积，方便指导实际水电工程的施工。

2.9 三维出图

Catia、Revit软件提供了高效、直观和交互的工程绘图系统，其功能满足二维设计和工程绘图的需求。这两款软件均可以从3D零件或裝配件自动生成相关联的2D工程图纸，包括视图、尺寸和标注。用户还可以将图案与零件材质规范关联起来并利用标准的修饰特征添加后生成的标注。2D图纸与3D主模型之间的关联性使用户可以进行设计和标注的并行工作，较好的提高了设计出图工作效率。

3 应用思考

通过BIM技术在孟底沟水电站可研阶段设计中的应用，可以看出其对设计质量的提升有较明显的效果。从建模过程看，有较为清晰的设计思路，才能制作出可行的模型，因此，从模型设计开始，设计思考即开始，建模过程中实时呈现的成果，可以对设计成果有直观的感受，加上依据模型快速生成投影、剖面等技术，不同于二维设计时时间分配到绘制结构线、标注、尺寸等方面，三维模型设计可以更多的关注如空间位置、相对位置、结构等方面，甚至建筑物的体量也可以实时呈现，可以对主要工程量有更直观的感受。另外，作为设计的数据源，在经历不同阶段的校审后，模型的精度和准确度是一个逐步提高的过程，后续的生产工作提供了高质量的基础数据，校审点与传统的二维图设计会存在较大的区别，可以减少诸如结构剖面失误等问题，在设计深度较深，模型准确度较高情况下，一定程度上可以节省制图和图纸校核时间。在模型空间展示的直观效果下，前期的模型数据的数据传递更为有效，失误更少，更方便新的设计人员快速介入项目，而且新人员介入生产任务时，对结构细节的把握更加有效。

工程量的统计可以更加智能，在模型数据质量符合模型质量的基础上，对模型进行工程量提取可以释放设计人员的体力以及精力分配，提高工程两方面的统计效率。

通过数字化设计过程中充分有效的应用参数化建模思路，可以快速有效的归集设计思路，为后续的设计及模型动态调整降低劳动强度。

设计成果在以模型动态更新的方式移交业主时可以更加直观，更有说服力。

4 结论

随着市场竞争的激烈，考虑到项目建设方对工程运营期的可控性等隐性增值服务的需求，早期设计精细程度和深度在加深，设计时间也被压缩，充分利用BIM三维模型的快速建模以及其他如快速提取工程量、三维出图等实用功能，来提升设计效率，提高设计成果质量是十分必要的。在分析完善三维模型等数字化设计成果的基础上，应大力推动BIM在项目全生命周期的扩展应用。

作者简介：

张顺利（1979-），男，河南信阳人，高级工程师，主要从事水工厂房设计工作。endprint