導(dǎo)語(yǔ)：水利水電工程施工總布置設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為解決水利水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程復(fù)雜、多專業(yè)協(xié)調(diào)難度大等問(wèn)題，通過(guò)引入BIM技術(shù)建立施工總布置設(shè)計(jì)的三維模型，運(yùn)用Civil3D、AIM、Revit等工具實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞沖突檢測(cè)、虛擬互動(dòng)漫游等功能，最終使該項(xiàng)目施工總布置設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量均實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，創(chuàng)造良好工程效益。

關(guān)鍵詞：水電站工程；施工總布置；BIM建模；協(xié)同設(shè)計(jì)

當(dāng)前BIM技術(shù)已引領(lǐng)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的信息化變革，但在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)受制于水利水電工程規(guī)模龐大、多專業(yè)交叉等復(fù)雜特征的影響，尚未實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范流程，如何有效應(yīng)用BIM技術(shù)手段輔助工程設(shè)計(jì)成為現(xiàn)階段亟待解決的問(wèn)題。

1研究背景

1.1項(xiàng)目概況

以某水電站工程為例，工程位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什市塔什庫(kù)爾干塔吉克自治縣境內(nèi)，屬“一庫(kù)六級(jí)”水電開發(fā)方案中的重點(diǎn)規(guī)劃對(duì)象之一，水電站規(guī)劃裝機(jī)容量為202MW，占梯級(jí)總裝機(jī)容量的32%。在地形地貌方面，施工區(qū)域境內(nèi)包含山地、谷地兩種地形，平均海拔超過(guò)4000m，由昆侖山、喀喇昆侖山、興都庫(kù)什山、天山匯合形成“世界屋脊”。在河流水文方面，該地屬塔什庫(kù)爾干河流域，流域面積為9980km2，干流總長(zhǎng)度298km，河道平均比降13‰；流域范圍內(nèi)人口稀少，水利水保設(shè)施較少，該水電站廠房建設(shè)地點(diǎn)位于下坂地水利樞紐電站廠房下游約24km處，屬塔什庫(kù)爾干河中下游河段水電梯級(jí)開發(fā)中的第二級(jí)水電站，壩址以上流域面積為9705km2，多年平均流量33.4m3/s。通過(guò)綜合考慮壩址選擇、攔泄洪建筑物布置、引水系統(tǒng)工程布置、工程投資等情況，將不同規(guī)劃方案進(jìn)行比較分析，最終確定選用無(wú)壩引水方案，利用無(wú)壓渠涵和隧洞、調(diào)壓室、進(jìn)水口、壓力管道等有壓引水建筑物進(jìn)行引水發(fā)電。在特征水位設(shè)計(jì)上，采用無(wú)壓引水道引水模式，壓力前池設(shè)計(jì)水位為2744.5m、設(shè)計(jì)尾水位為2367.5m。在裝機(jī)容量設(shè)計(jì)上，由于該方案無(wú)調(diào)節(jié)能力，根據(jù)電站供電范圍、動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及電力電量平衡測(cè)算結(jié)果，確定電站裝機(jī)容量為195MW，采用3臺(tái)機(jī)方案、機(jī)組選型為HL96-LJ-210，多年平均發(fā)電量為7.155億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)為3669h。施工總工期為55個(gè)月，包含12個(gè)月準(zhǔn)備工期、42個(gè)月主體工程施工工期以及1個(gè)月完建工期。

1.2施工總布置方案

1.2.1砂石與混凝土系統(tǒng)在渠首、廠址處分別布置1#、2#砂石加工廠，兩砂石加工廠處理能力分別為100t/h和60t/h，用于篩分三級(jí)礫石、天然砂石共4種工程主體與支洞臨建混凝土所需的成品骨料。同時(shí)，在渠首、1#～4#引水洞支洞口、電站廠房處共布置6座混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，用于承擔(dān)不同施工區(qū)的混凝土拌和任務(wù)。1.2.2施工管理與生活區(qū)設(shè)置該電站工程施工現(xiàn)場(chǎng)分5個(gè)區(qū)域設(shè)置施工管理與生活區(qū)，其中1#區(qū)位于渠首附近，為控制閘、進(jìn)水閘、明渠、無(wú)壓埋涵、壓力前池、引水洞進(jìn)口及1#支洞提供施工服務(wù)；2#~4#區(qū)分別布設(shè)在各支洞口周圍，用于輔助日常施工生產(chǎn)及生活各項(xiàng)活動(dòng)的開展；5#區(qū)布置在廠房附近，服務(wù)于廠房及引水洞壓力鋼管段施工。1.2.3施工占地與棄渣場(chǎng)布置該水電站施工現(xiàn)場(chǎng)占地面積為164.7hm2，其中料場(chǎng)占地面積44.7hm2，存渣場(chǎng)占地7.3hm2，棄渣場(chǎng)占地50.6hm2，道路占地50.9hm2，生產(chǎn)、生活設(shè)施占地18.5hm2。

2BIM應(yīng)用思路與技術(shù)路線

2.1研究?jī)?nèi)容

根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水利水電工程特征與項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，擬以該水電站施工總布置設(shè)計(jì)與實(shí)施為切入點(diǎn)，引入BIM技術(shù)探索該水電站施工總布置由二維集成向三維信息化轉(zhuǎn)型的具體應(yīng)用方法及實(shí)施路徑，在此過(guò)程中基于多專業(yè)視角進(jìn)行施工總布置BIM協(xié)同設(shè)計(jì)方案及管理模式的構(gòu)建與分析，致力于最大限度克服以往二維設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在的單線串聯(lián)、工序交叉、效率低下等實(shí)際問(wèn)題。將研究內(nèi)容大體分為以下五個(gè)方面：（1）將不同專業(yè)、不同工序涉及的各類模型進(jìn)行歸納整理，生成統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)，由此將BIM協(xié)同設(shè)計(jì)流程進(jìn)行規(guī)范化處理，依托不同環(huán)節(jié)的高效配合實(shí)施，有效解決構(gòu)建大型水電站施工模型環(huán)節(jié)面臨的難題。（2）由于水電站施工總布置涉及多專業(yè)、多工序的協(xié)同管控問(wèn)題，在BIM模型中將不同專業(yè)、工序模型之間建立可視化連接，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站施工的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，在此過(guò)程中克服多專業(yè)協(xié)調(diào)難題，為工程設(shè)計(jì)及管理效率的提升提供技術(shù)支持。（3）在完成水電站施工項(xiàng)目單項(xiàng)模型構(gòu)建的前提下，通過(guò)運(yùn)用BIM技術(shù)提供的協(xié)同控制功能，可將同一工程項(xiàng)目中具有相同信息屬性的施工區(qū)域地形、水文、土方開挖量/回填量等信息自動(dòng)生成，并實(shí)現(xiàn)在模型內(nèi)位置的自動(dòng)查找與協(xié)同布置，生成的施工總布置3D模型可提供精確三維坐標(biāo)，支持在前期設(shè)計(jì)方案審核、施工前技術(shù)交底等環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬化施工場(chǎng)地的漫游，供相關(guān)作業(yè)人員由涵洞、水閘、壩體至施工現(xiàn)場(chǎng)各區(qū)域進(jìn)行可視化漫游，從而在最短時(shí)間內(nèi)掌握項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域內(nèi)的整體與細(xì)部面貌。（4）將設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入BIM模型中，支持在聯(lián)網(wǎng)后進(jìn)行文件內(nèi)容的自動(dòng)更新，同時(shí)提供可視化檢索功能，在輸入相關(guān)文件信息后可生成設(shè)計(jì)模型的縮略圖及文件屬性信息，避免因不同設(shè)計(jì)模型混淆產(chǎn)生干擾問(wèn)題，并有效規(guī)避重復(fù)設(shè)計(jì)情況的發(fā)生，進(jìn)一步拓寬BIM應(yīng)用范圍、輔助提升水利水電工程的設(shè)計(jì)效率。（5）BIM模型支持對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的可視化再現(xiàn)，便于輔助工程相關(guān)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)方案、成本方案、進(jìn)度計(jì)劃的綜合比選，并且依托參數(shù)化、信息化功能滿足實(shí)際施工環(huán)節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)管控、責(zé)任劃分、作業(yè)內(nèi)容交底等需求，輔助提升水電站工程項(xiàng)目管理水平。

2.2技術(shù)路線

采用PW作為協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，綜合應(yīng)用Revit、Civil3D多種BIM建模軟件，配合AIM可視化工具包的應(yīng)用，確定的BIM應(yīng)用技術(shù)路徑如下：2.2.1WBS任務(wù)分解考慮到在以往施工總布置環(huán)節(jié)，在同一設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)僅支持1人完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作，將若干節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、文件匯總后將增加系統(tǒng)整體運(yùn)行壓力、削弱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，加之不同工序間的串聯(lián)設(shè)計(jì)將面臨上一工序修改、后續(xù)工序均需變更等問(wèn)題，易增加重復(fù)設(shè)計(jì)概率，并進(jìn)一步影響整體設(shè)計(jì)效率?；诖?，該項(xiàng)目中擬引入WBS理論進(jìn)行水電站工程施工總布置設(shè)計(jì)任務(wù)的分解，建立“項(xiàng)目→任務(wù)→工作→活動(dòng)”的任務(wù)分解結(jié)構(gòu)。為克服原有單線串聯(lián)帶來(lái)的重復(fù)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)變更等問(wèn)題，擬基于統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)建立全新的施工總布置設(shè)計(jì)管理結(jié)構(gòu)，以中心任務(wù)為核心，從中分解出專業(yè)1、專業(yè)2至專業(yè)n，在各專業(yè)之下分別對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)者1、設(shè)計(jì)者2以及設(shè)計(jì)者n，將不同設(shè)計(jì)者的反饋結(jié)果進(jìn)行匯總，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)施工總布置設(shè)計(jì)任務(wù)的協(xié)同控制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化管理。該WBS分解結(jié)構(gòu)可最大限度消除水電站項(xiàng)目施工總布置設(shè)計(jì)過(guò)程中的等待工序，且最終形成的文件規(guī)模較小，可有效提升處理效率。2.2.2協(xié)同管控基于PW協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)文件的分類與定義，支持對(duì)水電站工程項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程的跟蹤監(jiān)控，并結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行不同專業(yè)、不同人員任務(wù)量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。在利用該平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)信息的協(xié)同管理與控制時(shí)，需依托WBS任務(wù)分解工具進(jìn)行施工總平面布置設(shè)計(jì)任務(wù)的分解與逐級(jí)下達(dá)，通過(guò)在平臺(tái)中建立任務(wù)分解目錄，針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行內(nèi)容分解與權(quán)限設(shè)計(jì)，依據(jù)使用、管理、存儲(chǔ)的順序進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)范化管控，有效提升設(shè)計(jì)文件的使用率，并基于權(quán)限設(shè)置保證信息安全。2.2.3BIM建模與集成根據(jù)該水電站工程施工總布置設(shè)計(jì)任務(wù)的具體內(nèi)容，可將其劃分為樞紐布置、施工導(dǎo)流、主體結(jié)構(gòu)、場(chǎng)內(nèi)交通、渣場(chǎng)料場(chǎng)布置專業(yè)，各專業(yè)間彼此相互關(guān)聯(lián)，致力于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)文件與信息的同步控制與互聯(lián)共享?；趨f(xié)同設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一原則，需綜合考慮不同軟件間的兼容性、不同格式文件轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)單位統(tǒng)一等應(yīng)用要求，完成BIM應(yīng)用方案的初步設(shè)計(jì)。例如在該水電站工程施工總布置設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在樞紐布置專業(yè)之下劃分出有壓引水建筑物發(fā)電、廠房結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)等工作，在施工導(dǎo)流專業(yè)之下引出圍堰設(shè)計(jì)、導(dǎo)流布置等工作，在主體結(jié)構(gòu)之下引申出引水隧洞開挖、洞內(nèi)出渣、混凝土等工作，在場(chǎng)內(nèi)交通之下引出物資轉(zhuǎn)運(yùn)站，在渣場(chǎng)料場(chǎng)布置之下劃分出渣場(chǎng)、料場(chǎng)等。通過(guò)建立BIM應(yīng)用方案圖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型中不同工作、活動(dòng)的信息化處理，并建立各工作、活動(dòng)之間的可視化連接。當(dāng)涉及設(shè)計(jì)變更問(wèn)題時(shí)，僅需由設(shè)計(jì)人員對(duì)局部信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，即可利用模型功能進(jìn)行文件、圖紙、報(bào)告的關(guān)聯(lián)更新，保證實(shí)現(xiàn)對(duì)各專業(yè)內(nèi)容的一體化修改，使水電站單項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)與整體管控工作實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合。

3施工總布置BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

3.1樞紐布置

將AIM與Civil3D應(yīng)用于該項(xiàng)目中無(wú)壩引水方案中樞紐布置環(huán)節(jié)，主要建筑物包含進(jìn)水口、隧洞、調(diào)壓室及壓力管道四個(gè)部分，利用其強(qiáng)大地形處理功能進(jìn)行建筑物布置區(qū)域的快速規(guī)劃與直觀表達(dá)，將控制閘、進(jìn)水閘、無(wú)壓渠涵、壓力前池、有壓引水隧洞、調(diào)壓室與壓力管道均設(shè)置在河道左岸。其中無(wú)壓引水段首起下坂地電站尾水渠、沿河流左岸山腳與公路之間布置，經(jīng)協(xié)力波斯溝后到達(dá)溝口下游，與壓力前池銜接，全長(zhǎng)為1685m；壓力前池緊靠協(xié)力波斯溝口下游的有壓隧洞進(jìn)水口布置，總長(zhǎng)85m、凈寬12.4m；有壓引水隧洞布置在河道左岸，洞線靠河岸布置，隧洞總長(zhǎng)度15938.9m、內(nèi)徑4.7m；調(diào)壓室、壓力管道、電站廠址及廠房均布置在左岸地形寬闊區(qū)域，并基于Revit進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)、壓力管道等細(xì)部的參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出圖。

3.2施工導(dǎo)流

采用Civil3D軟件建立精確的導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案，依據(jù)水流對(duì)于無(wú)壩引水實(shí)施環(huán)節(jié)可能造成的影響，借助AIM工具進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展示，由此施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)劃分為三部分，其中協(xié)力波斯溝渠首段的底部高程最低值為2730m，1#支洞進(jìn)口處的底部高程為2715m，地面廠房的最低開挖高程為2350m，在上述部位的實(shí)際施工環(huán)節(jié)需重點(diǎn)考慮基坑排水及內(nèi)部防滲問(wèn)題。

3.3主體結(jié)構(gòu)

基于Civil3D與AIM平臺(tái)生成主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)根據(jù)土方開挖量、施工工藝方法進(jìn)行施工支洞布局與斷面規(guī)格參數(shù)的計(jì)算，與施工工期、費(fèi)用、施工機(jī)械及工具施工情況等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，完成主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案整體與分項(xiàng)施工任務(wù)的部署。該項(xiàng)目中引水隧洞全長(zhǎng)為15.936km，隧洞開挖量為48.06萬(wàn)m3，選用鉆爆法作為施工工藝，共布置4個(gè)凈斷面為7×6m的施工支洞，其中開挖循環(huán)進(jìn)尺為3m，洞挖、襯砌進(jìn)尺平均值分別為130m/月和120m/月，結(jié)合冬季不停工作業(yè)條件計(jì)算出施工工期約為50個(gè)月，并將工期進(jìn)度細(xì)化分解至具體工序及專業(yè)，為后續(xù)施工進(jìn)度管理提供可靠參考。

3.4場(chǎng)內(nèi)交通

利用Civil3D軟件的地形處理功能建立裝配模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)內(nèi)道路挖填曲面的快速生成，完成道路、橋梁、公路隧洞工程量的精確計(jì)算，并通過(guò)AIM軟件進(jìn)行直觀表達(dá)。該項(xiàng)目中施工所需運(yùn)輸外來(lái)物資總量為32萬(wàn)t，根據(jù)貨運(yùn)總量選定在喀什火車站附近租用場(chǎng)地作為物資轉(zhuǎn)運(yùn)站，由此生成兩條場(chǎng)內(nèi)交通路線，其中推薦路線為“喀什→塔什庫(kù)爾干→壩址”，全長(zhǎng)322km；備用路線為“喀什→莎車→廠址”，全長(zhǎng)422km。

3.5渣場(chǎng)料場(chǎng)布置

采用Civil3D軟件進(jìn)行渣場(chǎng)、料場(chǎng)三維設(shè)計(jì)與工程量計(jì)算，該項(xiàng)目中以渣場(chǎng)為主要布置對(duì)象，基于分散布置原則進(jìn)行存渣場(chǎng)、棄渣場(chǎng)布局設(shè)計(jì)，將其分別布置在渠首、廠址及各支洞口附近，引水隧洞內(nèi)施工時(shí)選用5t電瓶機(jī)車牽引8m3梭車進(jìn)行洞內(nèi)出渣，洞外利用2m3裝載機(jī)裝渣，并依托20t自卸汽車將其運(yùn)送至指定渣場(chǎng)。

3.6可視化與信息化

通過(guò)運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行水電站工程施工總布置設(shè)計(jì)，基于信息化建模方法進(jìn)行設(shè)計(jì)文件、信息的同步關(guān)聯(lián)，支持提供碰撞檢查、漫游瀏覽與動(dòng)畫效果輸出等功能，有效提升不同專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)效率、節(jié)約跨專業(yè)交流成本，配合漫游功能實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地整體及細(xì)部面貌的可視化呈現(xiàn)。

4結(jié)論

通過(guò)引入BIM模型進(jìn)行水電站施工總布置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)表達(dá)效果的整體優(yōu)化與提升，后續(xù)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)可知，該水電站工程的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)越，單位千瓦靜態(tài)投資為7064元/kW、單位電能投資為1.926元/kW·h，建成后為區(qū)域發(fā)電做出重要貢獻(xiàn)。

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作者：李學(xué)彪 單位：新華電力發(fā)展投資有限公司