BIM在水电工程施工总布置设计中的应用

BIM在水电工程施工总布置设计中的应用  ——云南澜沧江黄登水电站项目介绍 黄登水电站位于云南省兰坪县境内，是澜沧江上游古水至苗尾河段水电梯级开发方案的第五级，电站布置方案为碾压混凝土重力坝，最大坝高203m，总库容15亿立方米，装机容量为1900MW，该电站以发电为主，兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等综合效益。本项目工程规模宏大，工程总投资估算额约173亿元，建设总工期81个月，主体工程区范围约20平方公里，区内布置大量的工程生产区、生活区以及加工厂等辅助企业，并分布错综复杂的道路交通系统。图1黄登水电站设计效果图解决方案寻求BIM理念与技术支撑 黄登水电站主要施工区域布置有数十个分类复杂的大型施工区，施工交通系统纵横交错，主体建筑物中挡水建筑物、地下厂房、导流建筑物等均包含大量的体型庞大且结构复杂的建筑设施，设计流程与专业协调非常复杂，涉及到规划、勘测、水工、厂房、机电、施工等主要设计专业。为此，在新设计思想和技术高速发展的背景下，如何实现工程整体设计的全面协调化，进行全面信息化和可视化设计，一直是中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院（简称“昆明院”）的工程师们不断追求和探索的目标。随着BIM技术理念的发展，以及欧特克公司一系列BIM设计软件的应用为昆明院带来了全新的设计思路和方式。通过实践研究，BIM软件平台的应用为昆明院各专业在设计方面带来了巨大的转变，在进行三维一体信息化设计进程中，从水工结构设计采用AutodeskRevitStructure和AutodeskRevitArchitecture开始，逐步到机电专业、金属机构采用AutodeskRevitMEP和AutodeskInventor，以及施工等专业采用AutoCADCivil3D、AutodeskInfrastructureModeler（AIM），BIM理念的实践应用得到迅速发展。AIM提供新的支撑 随着AIM的推出，其强大的快速建模功能与AutoCADCivil3D数据的良好接口，以及在可视化方面的优势，为规划设计、多方案比选以及方案演示等提供了强大的技术支撑，特别是在初步设计阶段，其道路、水域、植被、建筑、景观以及信息关联处理等便捷而快速的建模功能，为设计师提供了强大的表达方式，同时可以把在AutoCADCivil3D中精确的设计模型以及其他GIS数据等汇入到同一模型中，使不同种类的数据和模型得以有效整合。在昆明院，设计人员将AIM强大的城市规划设计功能应用到了水电工程的施工组织设计与规划之中，特别是在黄登水电站施工总布置设计应用中，在AIM的支持下，实现了以施工总布置为基础的三维协同一体化设计，而且为施工规划中的景观设计提供了高效便捷的平台，设计模型中的每个个体都可实现独立的信息化和可视化连接，当设计变更时只需对局部设计文件进行修改，导入AIM中便可进行自动更新，实现了多专业动态协同设计。 BIM模型概况 水电站工程设计涉及多个不同专业，包括地质、水工、施工、建筑、机电等。黄登水电站施工总布置以AutoCADCivil3D、AutodeskRevit、AutodeskInventor等为各专业建模基础，以AutodeskNavisworksManage为模型观测与碰撞检查工具，以AIM为总布置可视化和信息化整合平台开展BIM协同设计。1.总体规划 AutoCADCivil3D强大地形处理功能，可帮助实现工程三维枢纽方案布置以及立体施工规划，结合AIM快速直观的建模和分析功能，则可轻松、快速帮助布设施工场地规划，有效传递设计意图，并进行多方案比选。图2总布置方案规划设计2.枢纽布置建模 枢纽布置、厂房机电等需由水工、机电、金属结构等专业按照相关规定建立基本模型与施工总布置进行联合布置。 基础开挖处理 结合AutoCADCivil3D建立的三角网数字地面模型，在坝基开挖中建立开挖设计曲面，可帮助生成准确施工图和工程量。图3坝肩坝基开挖设计模型土建结构 水工专业利用AutodeskRevitArchitecture进行大坝及厂房三维体型建模，实现坝体参数化设计，协同施工组织实现总体方案布置。图4大坝结构模型 图5厂房结构模型机电及金属结构 机电及金属结构专业在土建BIM模型的基础上，利用AutodeskRevitMEP和AutodeskRevitArchitecture同时进行设计工作，完成各自专业的设计，在三维施工总布置中则可以起到细化应用的目的。图6厂房机电设备透视图 图7发电机层及主变室结构透视图3.施工导流 导流建筑物如围堰、导流隧洞及闸阀设施等及相关布置由导截流专业按照规定进行三维建模设计，AutoCADCivil3D帮助建立准确的导流设计方案，AIM利用AutoCADCivil3D数据进行可视化布置设计，可实现数据关联与信息管理。图8导流方案布置图9导流洞进出口布置图10上下游围堰布置 4.场内交通 在AutoCADCivil3D强大的地形处理能力以及道路、边坡等设计功能的支撑下，通过装配模型可快速动态生成道路挖填曲面，可准确计算道路工程量，通过AIM可进行概念化直观表达。图11道路交通模型5.渣场与料场布置 在AutoCADCivil3D中，以数字地面模型为参照，可快速实现渣场、料场三维设计，并准确计算工程量，且通过AIM实现直观表达及智能信息管理。 图12渣场料场布置模型6.施工工厂 施工工厂模型包含场地模型和工厂三维模型，AutodeskInventor帮助参数化定义造型复杂施工机械设备，联合AutoCADCivil3D可实现准确的施工设施部署，AIM则帮助三维布置与信息表达。图13砂石加工系统布置模型7.营地布置 施工营地布置主要包含营地场地模型和营地建筑模型，其中营地建筑模型可通过AutoCADCivil3D进行二维规划，然后导入AIM进行三维信息化和可视化建模，可快速实现施工生产区、生活区等的布置，有效传递设计意图。 图14施工营地布置模型8.施工总布置设计集成 BIM信息化建模过程中将设计信息与设计文件进行同步关联，可实现整体设计模型的碰撞检查、综合校审、漫游浏览与动画输出。其中，AIM将信息化与可视化进行完美整合，可以不仅提高了设计效率和设计质量，而且大大减少的不同专业之间协同和交流的成本。图15施工总布置集成示意图 9.施工总布置面貌 在进行施工总布置三维一体信息化设计中，通过BIM模型的信息化集成，可实现工程整体模型的全面信息化和可视化，而且通过AIM的漫游功能可从坝体到整个施工区，快速全面了解项目建设的整体和细部面貌，并可输出高清效果展示图片及漫游制作视频文件。图16蓄水前施工面貌图17蓄水后工程面貌 图18施工总布置总体面貌图19总布置漫游视频BIM协同设计 BIM设计的核心及精华在于信息的全面性和专业的协同，在设计过程中可将AutoCADCivil3D、AutodeskRevit、AutodeskInventor、AIM等设计数据文件进行互联共享，集中分级管理控制，各专业可以高效的实现专业架构和设计，极大提高设计效率。BIM应用发展 1. 设计理念的转变及提升。BIM能实现整个工程面貌的全面信息化及可视化，实现多专业、多方案的协同布置设计，各专业的最新设计成果可以实时反映在同一BIM模型上，相互关系在三维模型上一目了然，可避免不必要的设计干扰与信息阻隔问题。2.设计效率及质量的飞跃。通过系统的组织规划，BIM设计理念的实践可以实现多专业协同设计与出图，实现基于BIM模型的工程量精确统计以及设计模型智能冲突检测，而且在模型信息化功能的辅助下可以使设计人员从容应对设计变更，从而可以大大提高设计效率和设计质量。3.高效直观的设计表达形式。随着BIM设计平台的应用发展，特别是AIM的推出，可以让设计人员轻松的实现设计意图的概念化表达及应用，实现多方案虚拟互动漫游及展示。未来展望——不断提升设计理念 随着设计理念和技术的发展，昆明院一直在追求更高效的设计方式，BIM作为一种新型的生产组织方式，是管理思想与技术的有机组合，BIM强调建筑项目整体的全面信息化，强调信息模型和管理流程在建筑全生命周期中的应用。在黄登水电站工程设计应用上，昆明院的项目团队使用了欧特克公司的各种BIM设计主流软件，在不同阶段开展相应的设计工作，高质量地完成了设计任务。通过欧特克公司的系列BIM软件设计平台的应用，给昆明院的设计理念和质量都带来了极大的提升，同时在BIM技术的支撑下，各个阶段的设计流程与工作模式等数据也得到了有积累和继承，为后续项目的设计提供了宝贵的经验。 BIM在大型复杂项目中的深度应用–南京禄口国际机场二期工程2012-11-05来源:BIM中国网字号:大中小摘要:现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司（简称“华东院”）是以建筑设计为主的现代科技型企业，隶属于上海现代建筑设计（集团）有限公司，是中国成立最早的、规模最大的综合性甲级建筑设计院之一，也是当今中国...现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司（简称“华东院”）是以建筑设计为主的现代科技型企业，隶属于上海现代建筑设计（集团）有限公司，是中国成立最早的、规模最大的综合性甲级建筑设计院之一，也是当今中国最具影响力的建筑设计研究院之一。现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司创建于1952年，总部设在上海，设计项目遍及27个省市、16个国家和地区，完成工程设计及咨询2万余项，为不同行业和地区的客户提供优质满意的增值服务。该院完成了国家电力调度中心、中央组织部大楼、上海浦东国际机场一期及二期、上海铁路南站、中央电视台新址、国家图书馆二期、上海环球金融中心等一大批具有代表性的重大工程，并在上海世博园区建设和虹桥综合交通枢纽中心等重大工程设计中成绩显著，赢得了广泛赞誉。 案例：南京禄口国际机场二期航站楼相关软件及解决方案：AutodeskRevitArchitectureAutodeskRevitStructureAutodeskRevitMEPAutodeskEcotectAnalysisAutodeskNavisworksAutodesk3dsMaxBIM技术使得建筑全生命周期的信息共享成为可能，并逐渐打破长期以来建筑行业存在的信息隔阂，对建筑行业的未来具有深远的意义。——现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司技术中心副主任徐浩从建筑模型到建筑信息模型，从建筑信息模型到建筑信息管理，BIM成为建筑行业可持续发展的催化剂和助推器。——现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司数字化建筑设计研究中心主任、南京机场BIM项目经理耿跃云 BIM软件在整个项目过程当中发挥了重要的作用，而基于BIM的欧特克软件，如AutodeskRevit系列软件、AutodeskNavisworks、Autodesk3dsMax均在项目中起到了重要作用，使得项目得以顺利进行。——现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司数字化建筑设计研究中心建筑师南京机场BIM建筑师陈顺基于BIM的欧特克设计软件改变了建筑师以往的设计模式和思考方式，使得设计更加富有创意和可控性。——现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司数字化建筑设计研究中心建筑师南京机场BIM建筑师李远晟案例正文：南京禄口国际机场二期工程¬——BIM在大型复杂项目中的深度应用项目简介南京禄口国际机场位于南京市东南部，距市中心直线距离为公里，为满足预测2020年航空业务量的要求，将建设二期工程，在现有跑道南侧间距2000米处建设长度为3600米、宽60米的第二跑道，飞行区等级指标为4F，新建T2旅客航站楼，面积约为26万平方米，满足年处理旅客1800万人次规模，与原有T1航站楼共同承担3000万人次吞吐量，工程预计总投资90亿元，计划2014年青奥会前投入使用，全面满足青奥会的运营需求，同时打造江苏省及南京市全新的门户形象。   图1南京禄口国际机场二期航站楼夜景效果图南京是六朝古都、十朝都会，素有“虎踞龙盘”之称，“风从虎，云从龙”——新航站楼形体轻盈通透，充满张力，飘逸舒展的多曲面顶盖，如行云流水，气势非凡。金属屋盖采用“大跨度、小曲率、多变化”结构，国内首创。 图2南京禄口国际机场二期航站楼车道边效果图  图3南京禄口国际机场二期航站楼空侧立面效果图项目的机遇与挑战智慧机场——安全、便捷、高效智慧机场示范项目1、“大跨度、小曲率、大变化”的航站楼金属屋盖；2、各种先进数字化建筑技术的载体；3、将BIM与建筑物的安全、健康监测结合起来；解决方案基于BIM的可视化协同设计利用AutodeskRevit系列BIM软件对南京禄口国际机场二期航站楼的建筑、结构和MEP进行模型构建，对设计图纸进行校核，并利用BIM模型与各专业设计师一起进行沟通，协调解决设计中的因为沟通不及时造成的设计碰撞问题，这不仅提高了设计的效率，而且提升了设计的品质。  图4南京禄口国际机场二期航站楼建筑模型图5南京禄口国际机场二期航站楼结构模型 图6南京禄口国际机场二期航站楼行李系统机电模型基于BIM的屋面设计南京禄口国际机场二期航站楼金属屋面采用“大跨度、小曲率、多变化”的结构形式，整体连续一气呵成，如行云流水气势非凡。主楼金属屋面由9个鼓包组成，从中间到两边逐渐递减，为多曲面形式。在屋面设计过程中，利用Grasshopper对机场屋面进行参数化找形，并将生成的模型与Tekla软件相结合来完成结构分析和计算，同时与Autodesk Ecotect软件对接，对屋面的性能进行分析，以保证机场屋面整体美观的同时满足设计需要考虑因素。然后借助AutodeskRevit软件将屋面模型导入Revit模型中，通过模型导出生成CAD图纸，辅助设计出图。最后利用AutodeskNavisworks软件的碰撞检查功能，对屋面钢结构、屋顶板块和室内吊顶以及其他专业之间进行设计校核。 图7屋面设计基于BIM技术的参数化表皮划分利用Grasshopper对机场的屋面进行参数化的找形，然后利用Rhino的投影功能将屋面三维模型投影到二维平面，再利用二维AutoCAD对屋面进行板块划分，然后再重新投影到屋面三维模型，最终完成对屋面表皮的划分。  图8屋面表皮划分基于BIM技术的参数化设计程序利用Grasshopper强大的参数化找形功能对屋面进行编程，对不确定条件进行参数设置，现代设计集团华东院通过对参数的调整达到对形体控制的目的，最终帮助设计师实现心中所想。 图9参数化设计程序 基于BIM技术的参数化屋面排水坡度分析利用犀牛软件强大的参数化设计功能，对屋面进行取点，测试相邻两点之间的高差，从而确认两点间的斜率，最后得出排水的方向。通过对排水坡度参数的设置，很容易分析出屋面不满足的排水区域，然后再对屋面进行局部的调整，最终使得整个屋面达到排水的要求。 图10屋面排水坡度分析基于BIM模型——钢结构深化首先利用AutodeskRevitStructure软件构建机场屋面的钢结构模型，然后利用AutodeskNavisworks软件的碰撞检查功能，对屋面钢结构、屋顶板块和室内吊顶以及其他专业模型进行设计校核，通过AutodeskRevitStructure软件的编辑功能，对不符合要求的结构构件进行修改，并对各构件的边界条件、结构荷载等进行结构参数设置，最后通过Autodesk Revit软件和结构分析软件Tekla相结合，对机场屋顶的结构进行分析、计算和深化，有效地利用BIM设计模型对施工深化进行控制，保证设计的合理性和美观性以及施工的可行性。 图11钢结构深化模型-整体图12钢结构深化模型-局部基于BIM的设备材料统计利用AutodeskRevit软件对屋面钢结构桁架进行模型构件，通过模型导出生成明细表，对屋面不同类型的构件进行材料统计，同时对设计进行校核。 图13设备材料统计基于BIM的辅助施工图出图 机场屋面的复杂性，传统的设计工具已经无法满足出图的需要，所以现代设计集团华东院首先利用Rhino对机场的屋面进行参数化找形，然后将模型导入到AutodeskRevit，利用AutodeskRevit导出生成二维CAD图纸，并在AutoCAD中进行加工，最终完成施工图出图。 图14正立面图 图15侧立面图图16屋面控制点定位图标识系统利用AutodeskRevit和Sketchup相结合构建模型，利用AutodeskNavisworks的漫游功能，实时直观地反映机场室内标识系统的效果，与设计师进行沟通交流，通过反复修改，确定最终方案。  图17标识系统效果图室内空间设计利用AutodeskRevit和Sketchup相结合构建模型，利用AutodeskNavisworks的漫游功能，直观地反映出机场室内空间和人物的对比关系，还可以利用AutodeskNavisworks的测量功能，直接测量出楼板与吊顶间的高度，与设计师进行沟通交流，汇报展示。 图18室内空间效果图图19室内空间效果图室内吊顶方案比选 首先利用AutoCAD对屋面的投影面进行板块划分，再将划分完的线段导入到犀牛中，并投影到室内吊顶上，然后利用AutodeskRevit和Sketchup相结合构建模型，与设计师进行沟通交流，通过多方案的比选，确定最终方案。  图20室内吊顶方案图21室内吊顶方案施工组织管理南京禄口国际机场二期航站楼工程在施工开始阶段，就在每台塔吊的顶部装配监控设备，利用无线视频技术对施工现场进行二十四小时的实时监控，并将施工现场的建造情况与现代设计集团华东院的BIM模型进行对比，有效地控制施工顺序和施工误差。  图22无线视频监控技术现场变更和误差分析流程为了更好地对施工的质量、进度和成本进行控制，明确施工各参建方的责任，现代设计集团华东院对施工现场的变更和误差进行分析和疏理，总结出了一套施工现场变更和误差分析流程，在南京禄口国际机场二期工程指挥部的大力推动和支持下，同时监理单位对整个流程进行控制和审核，以及各施工参建单位的认真落实和积极配合下，有效地控制了施工的质量，提高了施工的效率，减少了施工返工。   图23现场变更流程图图24现场误差分析流程图设计校核与管线优化利用AutodeskRevit系列软件构建模型，并导出NWC格式文件，通过AutodeskNavisworks软件进行漫游和碰撞检查，对不同专业的模型进行设计校核，对发现的问题进行标记，并提出修改意见，同时将碰撞报告反馈给各专业设计师，与设计师一起协调解决碰撞问题。  图25碰撞报告-1图26碰撞报告-2  图27碰撞修改前后对比图28碰撞修改前后对比基于BIM的相关分析 利用BIM模型与各专业的分析软件相结合，对建筑物的可视度、高程、填挖高度、标高优化、结构稳定性、采光、通风、遮阳、火灾、人员疏散、二氧化碳含量、温度、烟气等进行分析模拟，以提高建筑的品质、安全性和合理性，使得建筑空间分配的更加合理、健康，而且还能够降低能耗、减轻环境影响，使得建筑与生态环境更加的和谐。可视度分析 图29可视度分析图30塔楼视线图45-63m 图31塔楼视线图70m图32塔楼视线图80m高程分析  图33高程分析填挖高度分析 图34填挖高度分析标高优化分析  图35标高优化分析结构分析 图36屋面结构挠度分析图37屋面结构大震弹塑性分析  图38Y形柱稳定分析采光和通风模拟 图39采光和通风模拟灯光模拟  图40灯光模拟建筑遮阳模拟 图41遮阳模拟火灾模拟  图42火灾模拟图43火灾模拟 图44火灾模拟人员疏散模拟 图45人员疏散模拟截图（火灾10秒）图46人员疏散模拟截图（火灾20秒）  图47人员疏散模拟截图（火灾30秒）二氧化碳含量模拟 图48二氧化碳含量模拟截图（火灾10秒）图49二氧化碳含量模拟截图（火灾20秒）温度模拟  图50室内温度模拟截图（火灾10秒）图51室内温度模拟截图（火灾20秒）烟气模拟 图52室内烟气模拟截图（火灾10秒）图53室内烟气模拟截图（火灾20秒）未来展望随着信息技术的不断发展与创新，BIM平台的各项功能日益增加，专业软件也不断地增多，BIM渐渐地被越来越多的人所熟知和认同。 BIM的提出与发展，是对整个建筑行业技术的一次改革，是引领建筑行业信息技术走向更高层次的一项创新，同时也是对传统行业行为模式和管理方式的一种新的挑战。BIM是建筑行业信息技术发展的必然产物，因为BIM可以解决工程信息的创建、管理、共享与无损传递，可以使工程中单一的、离散的数据结构化、集成化，从而使得工程本身更加的精益化和智能化，所以BIM可以为建筑从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据。BIM必将在不久的将来成为建筑行业的主流力量，现代设计集团华东院也将需要加强对BIM专业知识和软件的学习，以便在日益发展的信息时代中不被淘汰。来源：欧特克