厄瓜多爾CCS水電站沉砂池BIM應(yīng)用

劉增強 郭莉莉 董甲甲 王陸

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450003）

厄瓜多爾CCS水電站沉砂池BIM應(yīng)用

劉增強 郭莉莉 董甲甲 王陸

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450003）

厄瓜多爾CCS水電站沉砂池具有引水量大、工程規(guī)模大、泥沙含量大等特點。設(shè)計施工階段，面臨多種方案的優(yōu)化對比、特殊復(fù)雜工藝的準(zhǔn)確表達、大量異形結(jié)構(gòu)的配筋施工圖設(shè)計和異常嚴(yán)格的設(shè)計咨詢審查等技術(shù)問題。為確保項目高質(zhì)量順利實施，將BIM技術(shù)成功應(yīng)用于沉砂池設(shè)計施工階段，提高了項目產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計效率，改變了技術(shù)問題溝通方式，為類似工程的BIM應(yīng)用提供借鑒。

CCS水電站；沉砂池；BIM應(yīng)用；拓展應(yīng)用

1 工程概述

Coca Codo Sinclair（科卡科多·辛克雷水電站，簡稱CCS）水電站為引水式電站，位于南美洲厄瓜多爾國北部Napo省與Sucumbios省交界處Coca河（亞馬遜河二級支流）南岸，電站總裝機容量1 500MW。工程由首部樞紐、引水隧洞、調(diào)節(jié)水庫、壓力管道及地下廠房等組成，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，工程總體布局見圖1。

首部樞紐主要由面板堆石壩、溢流壩、沖沙閘及沉砂池組成。首部樞紐流域多年平均年徑流量291m3/s，日均泥沙含量1.62kg/m3，年均淤積量為466萬t。首部樞紐最高洪水位1 288.3m，最大泄量1.5萬m3/s。沉砂池設(shè)計引水流量222m3/s，主要由取水閘、過渡引渠、沉砂池室、出水閘、靜水池、側(cè)向溢流堰和沖沙廊道等建筑物組成。

取水閘為17孔帶胸墻的閘，其中16孔取水經(jīng)過渡引渠進入沉砂池室，向下游引水發(fā)電，單孔過流尺寸3.10m× 3.30m（寬×高）；1孔取水經(jīng)沖沙廊道向下游河道提供生態(tài)流量，同時輸送沉砂池沖沙系統(tǒng)泥沙到下游河道，單孔過

流尺寸1.50m×3.30m（寬×高）。引水閘與沉砂池室之間布置過渡引渠，同時在引渠布置3道整流柵，調(diào)整水流平順進入沉砂池。引渠下部布置沖沙廊道及沖沙系統(tǒng)的輸沙管廊道，引渠墩墻布置了沖沙系統(tǒng)控制豎井。沉砂池室共8條，兩池室一聯(lián)，單池室凈寬度13m，上部為矩形深8.2m，下部為漏斗狀，深3.5m。沉砂池后接出水閘及靜水池，水流出沉砂池后經(jīng)靜水池后進入無壓輸水洞向下游引水。出水閘布置檢修閘門，當(dāng)沉砂池池室放空檢修時防止水流從靜水池進入；靜水池左側(cè)布置側(cè)向溢流堰，通過液壓翻板閘門下泄多余水量，控制靜水池內(nèi)水位，保證進入輸水隧洞的流量不超過設(shè)計引水流量。

圖1 工程總體布置

2 項目特點

厄瓜多爾CCS水電站沉砂池除具有多項技術(shù)特點外，在建設(shè)及運行期還需面臨多種復(fù)雜環(huán)境，突破和解決此類問題是順利進行工程建設(shè)和運行的重中之重。

2.1 工程規(guī)模大

CCS水電站建設(shè)對外總投資20億美元，是厄瓜多爾國內(nèi)最大水電站，裝機容量1 500MW，建成后將滿足厄瓜多爾全國1/3的電力需求。據(jù)統(tǒng)計，該水電站沉砂池是全世界最大規(guī)模的沉砂池。

2.2 地震烈度高

作為地震多發(fā)國家，厄瓜多爾處在全球最主要的地震帶——環(huán)太平洋地震帶上，這個地震帶上集中了全世界80%以上的淺源地震、幾乎全部中源和深源地震，這個地震帶又被稱為“火環(huán)”。該工程地處高烈度區(qū)（9度抗震設(shè)防）。

2.3 處理工藝要求高

沖砂系統(tǒng)采用國際專利技術(shù)——Sedicon沖砂系統(tǒng)，為首次應(yīng)用在大型水電工程中；處理流量222m3/s，要求0.25mm以上泥沙沉降率100%。

2.4 咨詢審查苛刻

合同要求，所有的設(shè)計圖紙必須經(jīng)過咨詢審查通過才能用于施工，而傳統(tǒng)設(shè)計的很多成果需要反復(fù)多次才能最終進入施工環(huán)節(jié)。

2.5 語言溝通不便

本項目設(shè)計工程語言有西班牙語、英語和中文，一個技術(shù)溝通往往需要多種語言的不斷翻譯和切換，影響設(shè)計效率，增加溝通成本。

3 BIM應(yīng)用概況

針對上述項目特點，為順利完成CCS水電站沉砂池這一世界難題，項目組基于黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司在BIM方面的研究與生產(chǎn)技術(shù)積累，組織策劃并積極采用BIM技術(shù)（沉砂池全貌見圖2）。通過BIM技術(shù)主要開展了以下工作：①建立符合工程實際的院級BIM設(shè)計平臺實施產(chǎn)品設(shè)計；②設(shè)計過程貫穿概念設(shè)計、基本設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計各階段整體方案優(yōu)化與結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計，以至施工階段的現(xiàn)場指導(dǎo)；③對基于BIM模型拓展應(yīng)用于各類分析計算與驗證；④基于BIM模型制作沉砂原理動態(tài)說明書，信息傳遞無障礙；⑤形成數(shù)字檔案用以運維管理。

圖2 沉砂池全貌

4應(yīng)用BIM創(chuàng)新亮點

在BIM模型建立過程中，對沉砂池主要水工建筑物采用法國達索的CATIA進行建模，該軟件具有異形體快速、參數(shù)化、建?；完P(guān)聯(lián)性等特點［1］；對沉砂池頂部的配電房、取水閘啟閉機房及沖沙閘啟閉機房等房屋建筑采用歐特克公司的REVIT進行建模，該軟件具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、建筑門窗等族庫豐富、易于搭建等特點。為形成統(tǒng)一、完整的、信息豐富的BIM模型，將所有模型轉(zhuǎn)換至Navisworks軟件中，并集成各類設(shè)計與施工信息。

4.1 基于院級的BIM設(shè)計環(huán)境

結(jié)合在多個研究生產(chǎn)項目中的實施經(jīng)驗，參考我國相關(guān)BIM標(biāo)準(zhǔn)，及時總結(jié)并制定了一系列完善且符合實際生產(chǎn)需要的建模標(biāo)準(zhǔn)；基于已有院級研究應(yīng)用成果，二次開發(fā)形成集環(huán)境資源、信息資源、業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)協(xié)同、交付標(biāo)準(zhǔn)及過程控制的協(xié)同設(shè)計環(huán)境（見圖3）。

圖3 BIM設(shè)計環(huán)境組織結(jié)構(gòu)

①BIM不是一個軟件能完成的工作［2］，高效的BIM環(huán)境資源，需要融合多種常用BIM設(shè)計軟件，包括CATIA、REVIT、Navisworks和三維配筋軟件等，只需輕輕一點鼠標(biāo)，即可進入相應(yīng)的軟件設(shè)計環(huán)境，軟件集成度高，內(nèi)容全面，軟件之間切換方便。

②ProjectWise是一個軟件系統(tǒng)，其通過使用Mod?elServer?技術(shù)和Internet，使您能夠在分布于世界各地的站點間交換工程項目信息。ProjectWise為所有指定的人員在任何時間、任何地點安全且精確地提供了最新的項目信息。每一個人都能夠依靠于一個單一的、一致的項目信息資源。

基于ProjectWise協(xié)同設(shè)計，是解決大型復(fù)雜工程BIM設(shè)計的必要手段，可以實現(xiàn)公司本部不同專業(yè)之間，本部設(shè)計人員與CCS工程現(xiàn)場人員不同時空的同步設(shè)計、信息實時共享、安全訪問等，節(jié)約工程成本，提高設(shè)計效率。

③信息資源中擁有豐富的、符合公司標(biāo)準(zhǔn)的水利工程專用模板庫和機電專業(yè)模板。水利工程專用模板庫，通過前期大量積累的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)參數(shù)化構(gòu)件，整理出適合水工建筑使用的模板庫，減少由大量草圖及參數(shù)一步步建立模型的繁瑣過程，縮短設(shè)計時間，大幅提高工程建筑物建模效率和模板標(biāo)準(zhǔn)化程度。機電模板庫由水機和電氣專業(yè)三維設(shè)計帶頭人負(fù)責(zé)評定入庫，每個入庫模板均經(jīng)過不同項目的應(yīng)用檢驗，為本項目全專業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)提供了強有力的技術(shù)支撐和基礎(chǔ)保障。

④BIM平臺中還集成了黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司經(jīng)過多年研究應(yīng)用，總結(jié)并發(fā)布的各類過程控制、交付標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用流程方面的文件。過程控制文件主要是通過行政方式進行BIM技術(shù)的全面推廣；交付標(biāo)準(zhǔn)涵蓋模型細(xì)節(jié)層級、命名標(biāo)準(zhǔn)等；應(yīng)用流程包括BIM設(shè)計中項目不同角色所要進行的工作，并進行了相應(yīng)權(quán)限的約束。通過這些文件，規(guī)范了項目設(shè)計流程，提高了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化程度。

4.2 工程設(shè)計全階段BIM應(yīng)用

通過沉砂池BIM模型在概念設(shè)計、基本設(shè)計到施工圖設(shè)計階段的持續(xù)深化設(shè)計，合理優(yōu)化了沉砂池、沖砂廊道布置，使概念設(shè)計復(fù)雜的沖砂系統(tǒng)得以簡化；為縮減設(shè)計施工周期、節(jié)省工程投資等起到關(guān)鍵支撐作用。另外，經(jīng)復(fù)核，招標(biāo)設(shè)計的6條長120m的沉砂池池室設(shè)計不滿足沉砂要求，需增加池室數(shù)。綜合考慮，沉砂池最終采用了8條池室，每條池長150m［3］。

基于CATIA的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)化構(gòu)建優(yōu)勢，實現(xiàn)沉砂池在各設(shè)計階段的高精度異型結(jié)構(gòu)建模。利用CATIA快速準(zhǔn)確重構(gòu)地質(zhì)模型，基于正確的三維地址模型，進行基礎(chǔ)樁基處理方案的詳細(xì)設(shè)計。通過樁徑、間距及樁長等參數(shù)的實時調(diào)整設(shè)計，優(yōu)化群樁基礎(chǔ)處理方案。另外，利用BIM技術(shù)參數(shù)化、精細(xì)化設(shè)計及方程圖形化，最大程度地提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模精度，在沉砂池過渡渠段的設(shè)計精度最大偏差不超過1mm。

施工圖設(shè)計階段，鋼筋圖設(shè)計工作量非常大，加之本項目的設(shè)計咨詢嚴(yán)格等要求，按照傳統(tǒng)設(shè)計是很難完成此項工作的，且晚提交設(shè)計成果存在索賠的風(fēng)險。因此，項目組決定，在BIM設(shè)計中全面采用三維配筋技術(shù)，相比傳統(tǒng)配筋設(shè)計，其具有設(shè)計工作量小、鋼筋不易遺漏且布筋準(zhǔn)確度高，鋼筋表容易統(tǒng)計準(zhǔn)確無誤且一次成表，重復(fù)修改量極小等特點。其使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計不再繁重，節(jié)省大量人力，避免圖紙交付風(fēng)險，也提高了設(shè)計質(zhì)量，圖紙標(biāo)準(zhǔn)化程度高（標(biāo)注、字體及各類符號），一次通過咨詢審查率提高到100%，全面解放了設(shè)計生產(chǎn)力。三維配筋結(jié)果不僅可以輸出到CAD中作為施工用二維圖，而且可以導(dǎo)入CATIA軟件，建立完整的設(shè)計模型；合成后統(tǒng)一導(dǎo)入Navisworks軟件中，進行沉砂池結(jié)構(gòu)和配筋屬性的輸入，作為BIM模型的重要組成部分。具體的三維配筋設(shè)計過程見圖4。

圖4 三維配筋設(shè)計過程

圖5 碰撞檢測

本項目涉及土建、電氣、水機、金結(jié)等多個專業(yè)協(xié)同設(shè)計，通過Navisworks的碰撞檢測功能，在計算機內(nèi)虛擬檢查同一專業(yè)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)、設(shè)備管線，或不同專業(yè)之間的軟、硬碰撞，提前解決施工中可能遇到的錯、漏、碰撞等問

題，避免在施工時發(fā)現(xiàn)而事后補救（見圖5）。例如，工程中的欄桿與路燈在土建與電氣專業(yè)設(shè)計中缺少溝通，在BIM模型碰撞檢測中發(fā)現(xiàn)了位置重疊，隨后由電氣專業(yè)隊路燈的位置進行了調(diào)整，才避免了將來在施工中發(fā)現(xiàn)的問題。

4.3 基于BIM模型的拓展應(yīng)用

基于BIM同一模型，鑒于CATIA軟件強大的三維建模能力及其良好的開放性［4］，設(shè)計人員直接導(dǎo)入AN?SYS、Fluent等分析計算軟件進行前處理，省去在這些分析計算軟件中二次建模工作。采用ANSYS計算軟件進行結(jié)構(gòu)計算分析，采用Fluent進行水力學(xué)分析。另外，通過BIM同一模型，通過剖切、隱藏、縮放等方式，全方位實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體型細(xì)節(jié)的可視化展示，使水力學(xué)試驗有據(jù)可依，對優(yōu)化體型、確保流態(tài)符合設(shè)計要求了起到關(guān)鍵作用。

通過BIM模型的拓展應(yīng)用（見圖6），在源數(shù)據(jù)統(tǒng)一的情況下，解決了設(shè)計與計算分析脫節(jié)問題，保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全可靠，整體縮短了分析計算周期，充分發(fā)揮了BIM模型的新價值。

圖6 BIM模型的拓展應(yīng)用

圖7 沉砂工藝管道布置

4.4 復(fù)雜沖砂系統(tǒng)的可視化設(shè)計

在水利水電工程中，利用沉砂池對含沙水流進行泥沙處理是一種行之有效的措施，且應(yīng)用十分廣泛。采用沉砂池的主要原理是，水流進入塵沙池后，流蘇顯著減小，使得水流挾沙力大大降級，從而改變了原有水流泥沙的狀態(tài)，從而達到塵沙的目的［5］。

CCS水電站沉砂池排水系統(tǒng)選用的是SEDICON沖砂系統(tǒng)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及沉砂過程異常復(fù)雜。但采用BIM技術(shù)的三維精細(xì)化“所見即所得”設(shè)計，使復(fù)雜的塵砂工藝通過可視化手段很輕易地表現(xiàn)出來，使參建各方在關(guān)鍵技術(shù)的溝通上不存在障礙。同時，通過可視化設(shè)計，使沉砂工藝的復(fù)雜結(jié)構(gòu)避免了出現(xiàn)錯、漏、碰等問題，確保了沉砂系統(tǒng)布置及運行的安全可靠。其中，塵砂工藝管道布置情況見圖7。

4.5 BIM助力施工深化

設(shè)計移交給施工方的是基于Navisworks平臺的BIM模型，施工方進行節(jié)點深化設(shè)計，提高成本控制能力，降低現(xiàn)場溝通成本，提高施工效率和質(zhì)量，降低工程風(fēng)險。

通過BIM模型虛擬建造技術(shù)，可為設(shè)計單位的設(shè)計可行性提供可靠佐證，同時為施工單位提供驗證施工工藝是否可行的平臺。BIM模型融合專業(yè)全面，提前解決了機電、土建專業(yè)之間的錯、漏、碰，在施工現(xiàn)場指導(dǎo)施工單位進行計劃安排、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)及機電管線的制安。具體的BIM深化模型與現(xiàn)場施工情況見表8。

圖8 BIM深化模型與現(xiàn)場施工

4.6 信息豐富的數(shù)字檔案

數(shù)字檔案的產(chǎn)生是一個過程，是由機關(guān)、團體、企事業(yè)單位、其他組織及個人在社會活動中直接形成的，是真正檔案的形成過程，而不是由檔案管理部門將檔案數(shù)字化后形成的數(shù)字化檔案［6］。數(shù)字檔案的基本構(gòu)架見圖9。

本工程的BIM模型是一個真正意義上的信息豐富、全面的“活”檔案，是在生產(chǎn)活動中由參加各方共同努力形成的。其不僅包含規(guī)劃、設(shè)計及建設(shè)階段的各類文檔、圖紙、審查文件、會議文件、咨詢意見、圖片及視頻信息，而且包含運維期間各類設(shè)備的更新?lián)Q代等動態(tài)信息。其是不斷變化卻始終最新，且能保證各項痕跡的保留可查

詢系統(tǒng)。在任何時候、任何地點，通過技術(shù)手段都可以查詢需要的工程信息。因為多種信息都統(tǒng)一綁定在三維模型上，所以追根溯源以及進行后期的相關(guān)工作都非常方便。

圖9 數(shù)字檔案基本架構(gòu)

5 結(jié)語

①BIM是行之有效的有形工程語言。盡管工程規(guī)模大，布置復(fù)雜，設(shè)計繁雜，通過BIM方便設(shè)計、咨詢、施工等各方理解設(shè)計意圖和項目溝通決策，打通國界語言（西班牙語、英語和中文）的障礙。

②BIM是提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計效率的最佳手段，個性化的平臺定制很關(guān)鍵。針對本工程，量身定制個性化的設(shè)計平臺，可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計效率。

③不同設(shè)計階段BIM細(xì)節(jié)層級表達應(yīng)準(zhǔn)確、到位，不宜超階段進行。不同階段BIM細(xì)節(jié)表達不同，符合階段要求的細(xì)節(jié)表達不僅可以說明項目情況，而且可以節(jié)省大量的人力物力。

④廣泛進行BIM成果的拓展應(yīng)用，全方位提升BIM技術(shù)深層價值。要不斷深挖BIM成果深層價值，如在分析計算等方面的應(yīng)用，才能給工程帶來更多實際效益。厄瓜多爾當(dāng)?shù)貢r間2016年4月16日發(fā)生7.8級強烈地震，工程經(jīng)受住了強震考驗，并為抗災(zāi)提供電力保障。以“中國技術(shù)和中國質(zhì)量”為救災(zāi)工作提供電力保障。

⑤BIM指導(dǎo)現(xiàn)場施工、工程運維具有無可替代的作用。把設(shè)計階段的BIM模型擴展至施工及運維階段，延伸BIM應(yīng)用鏈，增加BIM應(yīng)用附加值。

［1］郭莉莉，李斌，王小平，等.水工建筑物三維建模應(yīng)用（1）［M］.鄭州：黃河水利出版社，2014.

［2］何關(guān)培.BIM和BIM相關(guān)軟件［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2010（4）：110-117.

［3］李志乾，耿波，臺航迪.CCS水電站大型沉砂池設(shè)計［J］.珠江水運，2014（22）：60-61.

［4］許文龍.水利水電工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及數(shù)值計算前處理研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2014.

［5］華根福，劉煥芳，湯驊，等.塵沙池中水流流態(tài)的數(shù)值模擬［J］.石河子大學(xué)學(xué)報，2019（4）：482-486.

［6］梁惠卿.檔案數(shù)字化、數(shù)字化檔案和數(shù)字檔案概念辨析［J］.檔案管理，2013（1）：38-40.

BIM Applications in Ecuador CCS Hydropower Station Grit Chamber

Liu ZengqiangGuo LiliDong JiajiaWang Lu
（Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Grit chamber in Ecuador CCS hydropower station has large water diversion,engineering scale,sediment concentration and some other features.During design and construction phase,it faces a lot of technical problems,in?cluding optimization comparison of various programs,accurate expression of the special complex process,a large amount of special-shaped structure reinforcement construction drawing design,abnormal strict design consulting and so on.To ensure the smooth implementation of the project quality,BIM technology was successfully applied to the de?sign of sand basin construction stage,it has improved the product quality and design efficiency,changed the commu?nicative way of technical problems,to provide a good reference for BIM applications in similar projects.

CCS hydropower station；grit chamber；BIM applications；expanding application

TV673.1；TV732

A

1003-5168（2016）10-0021-05

2016-09-11

劉增強（1979-），男，本科，高級工程師，研究方向：水利水電工程數(shù)字化應(yīng)用研究。