BIM技術(shù)在國際工程凱樂塔水利樞紐項目中的設(shè)計與應(yīng)用

梁春光 陶玉波 郭莉莉

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450001）

BIM技術(shù)在國際工程凱樂塔水利樞紐項目中的設(shè)計與應(yīng)用

梁春光 陶玉波 郭莉莉

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450001）

凱樂塔水利樞紐是中國在非洲最大的EPC總承包項目，應(yīng)用BIM技術(shù)快速進(jìn)行方案布置優(yōu)化，以及以BIM為載體的信息化管理系統(tǒng)，在項目管理方面取得了良好效果。項目實(shí)施過程中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料表精確統(tǒng)計、數(shù)字化虛擬放樣、施工方案模擬等數(shù)字仿真應(yīng)用，最大程度地發(fā)掘了BIM模型的信息價值。實(shí)踐證明，BIM技術(shù)有效地縮短了工期，降低了施工難度和工程投資，保障了工程的順利實(shí)施。BIM在凱樂塔水利樞紐中的應(yīng)用思路及方法，尤其是BIM平臺定制及信息系統(tǒng)開發(fā)對其他國際工程有積極的借鑒意義。

BIM；國際工程；項目管理；水利樞紐

凱樂塔水利樞紐位于幾內(nèi)亞孔庫雷河下游凱樂塔瀑布處，凱樂塔水利樞紐采用碾壓混凝土重力壩，全長1 145.5m，總裝機(jī)容量為234.6MW，被譽(yù)為幾內(nèi)亞的“三峽工程”。項目的建成投產(chǎn)使幾內(nèi)亞國家的總裝機(jī)容量翻番，進(jìn)入能源自給自足的時代。

凱樂塔水利樞紐建設(shè)周期長、投資大，技術(shù)要求高，參建單位多。工程所在地幾內(nèi)亞位于非洲西部，經(jīng)濟(jì)落后、物資匱乏，項目實(shí)施需要物資依賴進(jìn)口，且材料供應(yīng)商與項目所在地距離遠(yuǎn)，運(yùn)輸周期長。建筑材料的精確統(tǒng)計，按期運(yùn)輸?shù)轿皇琼椖宽樌瓿傻那疤?。工程業(yè)主方、監(jiān)理方、EPC總包及分包單位來自不同的國家，各方都有及時掌握項目信息的需求，對各方關(guān)注的問題及時溝通、協(xié)調(diào)、解決。這些國際工程的特性決定了BIM（Bduilding Information Model）技術(shù)在工程實(shí)施管理中發(fā)揮重要作用。BIM技術(shù)的成功應(yīng)用，可顯著降低國際工程的風(fēng)險。

BIM是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型，是對工程項目相關(guān)信息的

詳盡表達(dá)。建筑信息同時又是一種可應(yīng)用于設(shè)計、建造、管理的數(shù)字化方法，可以使建筑物工程在整個進(jìn)程中提高效率和大量減少風(fēng)險。

本工程首先在基于公司標(biāo)準(zhǔn)的BIM平臺上建立模型，然后結(jié)合自主研發(fā)的、以BIM模型為載體、以互聯(lián)網(wǎng)通信為基礎(chǔ)的信息化管理系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備招標(biāo)管理、施工進(jìn)度模擬、文函管理等。最后在項目實(shí)施過程中，通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化三維出圖，BIM多專業(yè)協(xié)同碰撞檢查，數(shù)字化精細(xì)建模統(tǒng)計材料表，三維復(fù)雜體型配筋，建筑物水力學(xué)模擬等，最大程度地發(fā)掘BIM模型的信息價值。BIM技術(shù)有效縮短了工期，降低了施工難度和工程投資，保障工程的順利實(shí)施。本文重點(diǎn)總結(jié)BIM在凱樂塔水利樞紐中的應(yīng)用思路及方法，尤其是BIM平臺定制及信息系統(tǒng)開發(fā)對其他國際工程有積極的借鑒意義。

1 搭建基于公司標(biāo)準(zhǔn)的BIM平臺

BIM平臺的核心思想是所有設(shè)計專業(yè)協(xié)同工作和信息共享。各個專業(yè)在統(tǒng)一的交付標(biāo)準(zhǔn)和過程控制下進(jìn)行業(yè)務(wù)協(xié)同。BIM平臺定制包括環(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)和過程控制定制六大板塊，探索出符合公司標(biāo)準(zhǔn)及項目特色的BIM應(yīng)用方法。

1.1 客戶化環(huán)境統(tǒng)一搭建

基于服務(wù)器的設(shè)計環(huán)境統(tǒng)一搭建，實(shí)現(xiàn)環(huán)境文件統(tǒng)一管理，從底層控制BIM文件結(jié)構(gòu)。以項目為單位在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下建立BIM模型，效率和質(zhì)量都大幅提高。

客戶化環(huán)境搭建流程如圖1所示，項目按照企業(yè)執(zhí)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及項目特色定制環(huán)境文件，如定義設(shè)備材料清單統(tǒng)計時的設(shè)備類型和參數(shù)類型，定義設(shè)備庫文件路徑及解析路徑，定義各專業(yè)設(shè)備默認(rèn)命名格式和顏色等。環(huán)境控制文件定制完畢統(tǒng)一存儲在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，各個專業(yè)在設(shè)計時通過訪問服務(wù)器獲取環(huán)境文件，從而統(tǒng)一管理控制整個項目各臺計算機(jī)的設(shè)計環(huán)境，規(guī)范BIM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計效率。

圖1 以項目為單位定制環(huán)境

1.2 信息資源統(tǒng)一定制

全面按照公司標(biāo)準(zhǔn)定制并升級水機(jī)電氣等各專業(yè)設(shè)備庫，使其完全符合現(xiàn)行的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及項目標(biāo)準(zhǔn)。信息資源定制主要包括設(shè)備庫定制、管線及管件規(guī)格定制。設(shè)備庫的建立可以使知識快捷重復(fù)應(yīng)用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)不斷積累，建立各種形式的模板，集中進(jìn)行模板庫管理。設(shè)計時根據(jù)需要輕松調(diào)取模板，提高工作效率。設(shè)備庫中的設(shè)備應(yīng)具有幾何信息和屬性信息。管線及管件規(guī)格應(yīng)根據(jù)項目采用的管線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定制，如定制管道公稱直徑、壓力等級、材料、轉(zhuǎn)彎半徑等屬性。圖2所示為信息資源定制及應(yīng)用流程，信息資源的成功定制，在設(shè)計過程中可應(yīng)用信息資源快捷高效地進(jìn)行設(shè)備布置及管道敷設(shè)、統(tǒng)計材料表，極大地提高了對于復(fù)雜管道的設(shè)計效率。

圖2 信息資源定制及應(yīng)用流程

1.3 業(yè)務(wù)流程的開發(fā)

標(biāo)準(zhǔn)化廠房設(shè)計系統(tǒng)等業(yè)務(wù)流程的開發(fā)是對傳統(tǒng)的三維參數(shù)化建模設(shè)計手段的全面升級。傳統(tǒng)參數(shù)化建模其基本思想是以約束來驅(qū)動產(chǎn)品模型的形狀特征，通過修改這些變量來創(chuàng)建一些形狀相似的零件，相對于二維設(shè)計提高了設(shè)計柔性。但是，在應(yīng)用中通過不同的參數(shù)化模板創(chuàng)建BIM模型時，各個模板之間的參數(shù)協(xié)調(diào)及關(guān)聯(lián)是工作難點(diǎn)。

如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)化廠房設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用二次開發(fā)手段創(chuàng)建人性化的設(shè)計界面，通過尺寸的關(guān)聯(lián)、規(guī)則的應(yīng)用及規(guī)范的嵌入等方法可將設(shè)計規(guī)范嵌入到程序中，監(jiān)督設(shè)計過程，實(shí)行人機(jī)對話，根據(jù)需要調(diào)取模板庫中符合設(shè)計要求的模板，程序自動關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)不同模板間的參數(shù)值，一鍵生成所需的BIM模型?？蓪⒂脩舻囊淹瓿傻墓こ躺晒こ虒?shí)例庫，可為相似的工程提供技術(shù)支撐。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化廠房設(shè)計系統(tǒng)

2 利用BIM對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化

BIM模型的建立，可以準(zhǔn)確地展示施工現(xiàn)場的地形地貌、工程建筑物和施工設(shè)施的分布位置、材料運(yùn)輸途徑等具體信息。BIM讓不同專業(yè)的配合更加緊密精細(xì)，分工協(xié)作提高工作效率，使技術(shù)人員脫離繁雜的圖紙，增加思考時間。BIM模型的三維可視化，可有效地表達(dá)設(shè)計意圖，方便進(jìn)行溝通、討論與決策，進(jìn)行多方案比選。

2.1 利用BIM模型對總布置方案及施工導(dǎo)流方案進(jìn)行重大優(yōu)化

BIM模型的建立能形象、準(zhǔn)確地展示工程布置，BIM模型是實(shí)現(xiàn)水利水電工程方案布置優(yōu)化的前提。通過BIM深入設(shè)計，發(fā)現(xiàn)原方案工期長、度汛風(fēng)險大，而且使得原FRAN瀑布永久消失。若將此方案布置在SONGO河灣的泄洪底孔，移至電站引水口左岸的FRAN BANGA河灣，則凱樂塔水利樞紐可以簡化為兩期施工導(dǎo)流。相比原四期導(dǎo)流方案，一期圍堰防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到二十年一遇的洪水，且導(dǎo)流期長達(dá)3a，基坑防洪及整個施工期安全水平大大提高。現(xiàn)兩期導(dǎo)流方案大大簡化了導(dǎo)流程序，在工期控制上更加靈活。施工控制節(jié)點(diǎn)大為減少，為控制工期、均衡施工強(qiáng)度、電站連續(xù)施工創(chuàng)造了良好的施工條件。

2.2 利用BIM模型對設(shè)備布置進(jìn)行優(yōu)化

通過三維設(shè)計技術(shù)，設(shè)備庫可有效地對同類設(shè)備進(jìn)行系列化建模，并利用專業(yè)環(huán)境，融入知識工程，快速進(jìn)行管道敷設(shè)且無需進(jìn)行合規(guī)性驗(yàn)證，從而大大加快了設(shè)計進(jìn)程。在三維環(huán)境中利用虛擬布置的方式改善原方案布置形式，新布置方案充分利用了空間，根據(jù)全場的總體規(guī)劃要求，保留了合理的設(shè)備空間和凈空要求。設(shè)備布置和安裝符合安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)要求，為后續(xù)施工、操作和維修提供方便，給操作人員創(chuàng)造良好的操作條件，如圖4所示。

圖4 利用BIM模型對設(shè)備布置進(jìn)行優(yōu)化

3 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的綜合管理信息系統(tǒng)助力信息傳遞

基于BIM技術(shù)的信息管理模式打破現(xiàn)有工程項目管理中的屏障，集成工程項目各階段、各關(guān)鍵指標(biāo)、各組織、各專業(yè)和各項目的信息融合，形成更加廣泛的集成，協(xié)調(diào)工程項目系統(tǒng)目標(biāo)、外部資源、內(nèi)部資源的信息流網(wǎng)絡(luò)［1］。BIM為項目的生產(chǎn)和管理提供了大量可供深加工和再利用的數(shù)據(jù)信息，有效利用和管理這些海量信息和數(shù)據(jù)需要信息化管理系統(tǒng)的支撐。以BIM數(shù)據(jù)架構(gòu)為基礎(chǔ)的項目協(xié)同和管理平臺，為設(shè)計師、建筑師、承包商、開發(fā)商等各環(huán)節(jié)參與人員提供“模擬和分析”的可視化科學(xué)協(xié)作平臺，幫助他們利用三維數(shù)字模型對項目進(jìn)行設(shè)計、建造及運(yùn)營管理［2］。凱樂塔綜合管理信息系統(tǒng)正是基于這個思想，使用人員根據(jù)自己的角色，設(shè)計、施工或運(yùn)營，用不同的用戶名登陸，具有不同的功能，界面如圖5所示。

圖5 綜合管理信息系統(tǒng)界面

3.1 綜合管理信息系統(tǒng)的原理

BIM的核心價值在于信息傳遞，如圖6所示，本項目根據(jù)項目特點(diǎn)自主研發(fā)了信息化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以BIM模型為載體，以互聯(lián)網(wǎng)通信為基礎(chǔ)，為處于全球各地的項目人員傳遞信息提供了平臺。從項目全生命周期的綜合效益角度分析，有3個時間段能夠最大化BIM效益，分別是設(shè)計階段、施工階段、運(yùn)營階段［3］，凱樂塔綜合管理信息系統(tǒng)正是基于此構(gòu)建了基于這三方的三大模塊，具備項目管理、招投標(biāo)管理、設(shè)計管理、項目圖文資料管理等管理功能。

圖6 基于互聯(lián)網(wǎng)通信的信息傳遞

3.2 綜合管理信息系統(tǒng)模塊功能

3.2.1 設(shè)計模塊。設(shè)計模塊主要包括圖紙的上傳檢索、模型關(guān)聯(lián)、出圖狀態(tài)查詢，設(shè)備信息上傳檢索、設(shè)備狀態(tài)查詢，設(shè)代數(shù)據(jù)、現(xiàn)場照片、來往文函的上傳檢索等功能。

3.2.2 施工模塊。施工模塊主要包括施工期資料的上傳檢索、4D進(jìn)度監(jiān)控（虛擬建造、進(jìn)度錄入等）、物資動態(tài)管理等功能。

表1工程量清單

3.2.3 運(yùn)維模塊。運(yùn)維模塊主要包括竣工圖紙的上傳和檢索、設(shè)備巡檢和設(shè)備維護(hù)管理功能。

上述三大模塊的功能都與BIM模型關(guān)聯(lián)，點(diǎn)擊模型可以進(jìn)行交互式查詢或輸入，在模型中查看出圖狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、實(shí)際進(jìn)度等。

4 BIM技術(shù)的拓展應(yīng)用，深度挖掘BIM模型價值

4.1 “設(shè)計零碰撞”保證工程順利實(shí)施

模型有效解決錯漏碰等二維平面設(shè)計常見問題，三維設(shè)計軟件自身具備碰撞檢查、距離和區(qū)域分析等功能，在設(shè)計過程中通過報表和實(shí)體模型相結(jié)合，迅速將碰撞檢查信息反饋給設(shè)計人員。如圖7所示，提示濾水器與法蘭之間有0.001 6m的沖突。該方法在實(shí)際運(yùn)用中，有效地縮短了工期，降低了施工難度和工程投資，保障工程的順利實(shí)施。利用BIM技術(shù)在水電站廠房設(shè)備及管道布置優(yōu)化設(shè)計中有顯著的優(yōu)點(diǎn)，對國內(nèi)、外的類似工程具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值。

圖7 沖突檢查

4.2 精細(xì)化建?？焖俳y(tǒng)計材料表指導(dǎo)采購

凱樂塔項目所處區(qū)域經(jīng)濟(jì)落后、物資匱乏，項目實(shí)施需要物資依賴進(jìn)口。建筑材料做到精確統(tǒng)計，按期運(yùn)輸?shù)轿皇琼椖宽樌瓿傻那疤帷?/p>

在完成三維設(shè)計后，可根據(jù)設(shè)備模型和管路模型的內(nèi)蘊(yùn)屬性信息，通過軟件自身的報表統(tǒng)計功能，按照制定的材料統(tǒng)計表生成樣式，可以快速生成滿足專業(yè)要求的材料表如表1所示。

4.3 BIM模型指導(dǎo)施工

BIM為施工方提供了更好的可視化表達(dá)方式及有效的溝通協(xié)調(diào)平臺，減少施工沖突，降低施工風(fēng)險，提高施工效率維護(hù)施工質(zhì)量。三維可視化功能加上時間維度形成4D模型，可進(jìn)行進(jìn)度模擬，直觀對施工計劃與實(shí)際施工進(jìn)行對比。如圖8所示，對于體型特別復(fù)雜，施工難度高的關(guān)鍵部位如蝸殼部分，2D圖不容易表達(dá)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)及配筋方式，在BIM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維配筋，不僅可以預(yù)先虛擬放樣，還可以自動統(tǒng)計鋼筋工程量表，保證施工質(zhì)量和精度要求。

圖8 BIM模型指導(dǎo)施工

4.4BIM與計算模擬相結(jié)合

三維模擬商用軟件如ANSYS的前處理功能相對較弱，對于較為復(fù)雜的體型，建模的基礎(chǔ)工作占據(jù)整個模擬工作時間比重大。需要模擬更為復(fù)雜的應(yīng)力場或流場時，往往占據(jù)時間更多。BIM模型體型完全反應(yīng)工程實(shí)際體型，通過分析可對BIM模型細(xì)節(jié)進(jìn)行簡化或在BIM模型的基礎(chǔ)上建立模擬區(qū)域，可節(jié)省大量時間，提高模擬效率。圖9所示為凱樂塔電站引水發(fā)電系統(tǒng)的BIM模型，特別是蝸殼部分，體型結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，使用模擬軟件建造體型費(fèi)時費(fèi)力，若在BIM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行布爾運(yùn)算，可輕松建立流場模擬區(qū)域（見圖10），節(jié)省時間。

圖9 引水發(fā)電系統(tǒng)BIM模型

4.5 BIM模型超越語言障礙

凱樂塔工程規(guī)模大，布置復(fù)雜，設(shè)計繁雜，且設(shè)計、咨詢、施工等各方來自不同的國家，語言不同，教育背景不同，思維方式不同，順暢的溝通協(xié)調(diào)是保證工程順利實(shí)施的前提。BIM整合所有的信息，保障協(xié)同溝通信息源的唯一性。BIM模型的可視化可清晰地表達(dá)設(shè)計成果、現(xiàn)場施工情況、設(shè)備招標(biāo)情況等。而且BIM模型可以作為渲染模型的基礎(chǔ)，大大提高三維渲染效果和效率，可生成高清圖片、視頻等工藝動畫或建筑功能展示，展示方式靈活，信息密度高，在國際項目中超越語言障礙方便溝通。

圖10 引水發(fā)電系統(tǒng)模擬區(qū)域

5 結(jié)語

國際工程較一般國內(nèi)工程對BIM的設(shè)計與應(yīng)用需求更加強(qiáng)烈。應(yīng)用BIM技術(shù)快速進(jìn)行方案布置優(yōu)化，降低了施工難度和工程投資，保障了工程的順利實(shí)施。尤其是以BIM模型為載體，以互聯(lián)網(wǎng)通信為基礎(chǔ)的信息化管理系統(tǒng)，為處于全球各地的項目人員傳遞信息提供了平臺，加強(qiáng)了項目的管理，降低了工程風(fēng)險。在項目施工過程中，深度挖掘BIM技術(shù)價值的思路和方法，對國內(nèi)外的類似工程具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值。

［1］李勇，管昌生.基于BIM技術(shù)的工程項目信息管理模式和策略［J］.中國管理學(xué)報，2012（8）：17-21.

［2］陳宇軍，劉玉龍.BIM協(xié)同設(shè)計的現(xiàn)狀和未來［J］.建筑設(shè)計信息化，2010（2）：26-29.

［3］孫悅.基于BIM的建設(shè)項目全生命周期信息管理研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

The Design and Application of BIM Technology in the
International Engineering Water Conservancy Project in Kaleta

Liang ChunguangTao YuboGuo Lili（Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450001）

Kaleta project is the largest EPC project in Africa which building by Chinese,we have achieved good re?sults in the application of BIM technology to quickly carry out the program layout optimization,and BIM as the carri?er of the information management system in the project management.In the project implementation process,through virtual reality technology,to achieve material accurate statistics,digital virtual layout,construction scheme simula?tion,digital simulation,the information value of the BIM model was discovered in the greatest degree.Practice proved that the BIM technology could shorten the construction period,reduce the construction difficulty and project invest?ment,and ensure the smooth implementation of the project.The application of the ideas and methods of BIM in Kale?ta,especially BIM platform customization and information system development has positive significance for other in?ternational engineering.

BIM；international engineering；project management；water conservancy project

TU17

A

1003-5168（2016）10-0036-05

2016-09-16

梁春光（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：水利水電工程設(shè)計。