水利水電工程施工總布置設計研究

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摘要：為解決水利水電項目設計流程復雜、多專業協調難度大等問題，通過引入BIM技術建立施工總布置設計的三維模型，運用Civil3D、AIM、Revit等工具實現多專業協同設計、工程量統計、碰撞沖突檢測、虛擬互動漫游等功能，最終使該項目施工總布置設計效率與質量均實現質的飛躍，創造良好工程效益。

關鍵詞：水電站工程；施工總布置；BIM建模；協同設計

當前BIM技術已引領工程設計領域的信息化變革，但在實際應用環節受制于水利水電工程規模龐大、多專業交叉等復雜特征的影響，尚未實現BIM設計的統一標準及規范流程，如何有效應用BIM技術手段輔助工程設計成為現階段亟待解決的問題。

1研究背景

1.1項目概況

以某水電站工程為例，工程位于新疆維吾爾自治區喀什市塔什庫爾干塔吉克自治縣境內，屬“一庫六級”水電開發方案中的重點規劃對象之一，水電站規劃裝機容量為202MW，占梯級總裝機容量的32%。在地形地貌方面，施工區域境內包含山地、谷地兩種地形，平均海拔超過4000m，由昆侖山、喀喇昆侖山、興都庫什山、天山匯合形成“世界屋脊”。在河流水文方面，該地屬塔什庫爾干河流域，流域面積為9980km2，干流總長度298km，河道平均比降13‰；流域范圍內人口稀少，水利水保設施較少，該水電站廠房建設地點位于下坂地水利樞紐電站廠房下游約24km處，屬塔什庫爾干河中下游河段水電梯級開發中的第二級水電站，壩址以上流域面積為9705km2，多年平均流量33.4m3/s。通過綜合考慮壩址選擇、攔泄洪建筑物布置、引水系統工程布置、工程投資等情況，將不同規劃方案進行比較分析，最終確定選用無壩引水方案，利用無壓渠涵和隧洞、調壓室、進水口、壓力管道等有壓引水建筑物進行引水發電。在特征水位設計上，采用無壓引水道引水模式，壓力前池設計水位為2744.5m、設計尾水位為2367.5m。在裝機容量設計上，由于該方案無調節能力，根據電站供電范圍、動能經濟指標及電力電量平衡測算結果，確定電站裝機容量為195MW，采用3臺機方案、機組選型為HL96-LJ-210，多年平均發電量為7.155億kW·h，裝機年利用小時為3669h。施工總工期為55個月，包含12個月準備工期、42個月主體工程施工工期以及1個月完建工期。

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，在渠首、1#～4#引水洞支洞口、電站廠房處共布置6座混凝土生產系統，用于承擔不同施工區的混凝土拌和任務。1.2.2施工管理與生活區設置該電站工程施工現場分5個區域設置施工管理與生活區，其中1#區位于渠首附近，為控制閘、進水閘、明渠、無壓埋涵、壓力前池、引水洞進口及1#支洞提供施工服務；2#~4#區分別布設在各支洞口周圍，用于輔助日常施工生產及生活各項活動的開展；5#區布置在廠房附近，服務于廠房及引水洞壓力鋼管段施工。1.2.3施工占地與棄渣場布置該水電站施工現場占地面積為164.7hm2，其中料場占地面積44.7hm2，存渣場占地7.3hm2，棄渣場占地50.6hm2，道路占地50.9hm2，生產、生活設施占地18.5hm2。

2BIM應用思路與技術路線

2.1研究內容

根據國內現有水利水電工程特征與項目管理經驗，擬以該水電站施工總布置設計與實施為切入點，引入BIM技術探索該水電站施工總布置由二維集成向三維信息化轉型的具體應用方法及實施路徑，在此過程中基于多專業視角進行施工總布置BIM協同設計方案及管理模式的構建與分析，致力于最大限度克服以往二維設計環節存在的單線串聯、工序交叉、效率低下等實際問題。將研究內容大體分為以下五個方面：（1）將不同專業、不同工序涉及的各類模型進行歸納整理，生成統一的建模標準，由此將BIM協同設計流程進行規范化處理，依托不同環節的高效配合實施，有效解決構建大型水電站施工模型環節面臨的難題。（2）由于水電站施工總布置涉及多專業、多工序的協同管控問題，在BIM模型中將不同專業、工序模型之間建立可視化連接，即可實現對水電站施工的協調設計，在此過程中克服多專業協調難題，為工程設計及管理效率的提升提供技術支持。（3）在完成水電站施工項目單項模型構建的前提下，通過運用BIM技術提供的協同控制功能，可將同一工程項目中具有相同信息屬性的施工區域地形、水文、土方開挖量/回填量等信息自動生成，并實現在模型內位置的自動查找與協同布置，生成的施工總布置3D模型可提供精確三維坐標，支持在前期設計方案審核、施工前技術交底等環節進行虛擬化施工場地的漫游，供相關作業人員由涵洞、水閘、壩體至施工現場各區域進行可視化漫游，從而在最短時間內掌握項目建設區域內的整體與細部面貌。（4）將設計文件導入BIM模型中，支持在聯網后進行文件內容的自動更新，同時提供可視化檢索功能，在輸入相關文件信息后可生成設計模型的縮略圖及文件屬性信息，避免因不同設計模型混淆產生干擾問題，并有效規避重復設計情況的發生，進一步拓寬BIM應用范圍、輔助提升水利水電工程的設計效率。（5）BIM模型支持對施工現場場景的可視化再現，便于輔助工程相關人員進行設計方案、成本方案、進度計劃的綜合比選，并且依托參數化、信息化功能滿足實際施工環節的現場管控、責任劃分、作業內容交底等需求，輔助提升水電站工程項目管理水平。

2.2技術路線

采用PW作為協同設計平臺，綜合應用Revit、Civil3D多種BIM建模軟件，配合AIM可視化工具包的應用，確定的BIM應用技術路徑如下：2.2.1WBS任務分解考慮到在以往施工總布置環節，在同一設計節點僅支持1人完成圖紙設計工作，將若干節點數據、文件匯總后將增加系統整體運行壓力、削弱系統運行穩定性，加之不同工序間的串聯設計將面臨上一工序修改、后續工序均需變更等問題，易增加重復設計概率，并進一步影響整體設計效率。基于此，該項目中擬引入WBS理論進行水電站工程施工總布置設計任務的分解，建立“項目→任務→工作→活動”的任務分解結構。為克服原有單線串聯帶來的重復設計、設計變更等問題，擬基于統一建模標準建立全新的施工總布置設計管理結構，以中心任務為核心，從中分解出專業1、專業2至專業n，在各專業之下分別對應設計者1、設計者2以及設計者n，將不同設計者的反饋結果進行匯總，即可實現對施工總布置設計任務的協同控制，以此實現對項目設計過程的標準化管理。該WBS分解結構可最大限度消除水電站項目施工總布置設計過程中的等待工序，且最終形成的文件規模較小，可有效提升處理效率。2.2.2協同管控基于PW協同設計平臺進行工程設計文件的分類與定義，支持對水電站工程項目整體設計實施過程的跟蹤監控，并結合實際需求進行不同專業、不同人員任務量的動態調節。在利用該平臺進行設計信息的協同管理與控制時，需依托WBS任務分解工具進行施工總平面布置設計任務的分解與逐級下達，通過在平臺中建立任務分解目錄，針對不同任務進行內容分解與權限設計，依據使用、管理、存儲的順序進行項目設計過程的規范化管控，有效提升設計文件的使用率，并基于權限設置保證信息安全。2.2.3BIM建模與集成根據該水電站工程施工總布置設計任務的具體內容，可將其劃分為樞紐布置、施工導流、主體結構、場內交通、渣場料場布置專業，各專業間彼此相互關聯，致力于實現對設計文件與信息的同步控制與互聯共享。基于協同設計中的設計標準統一原則，需綜合考慮不同軟件間的兼容性、不同格式文件轉換、數據單位統一等應用要求，完成BIM應用方案的初步設計。例如在該水電站工程施工總布置設計環節，在樞紐布置專業之下劃分出有壓引水建筑物發電、廠房結構協調等工作，在施工導流專業之下引出圍堰設計、導流布置等工作，在主體結構之下引申出引水隧洞開挖、洞內出渣、混凝土等工作，在場內交通之下引出物資轉運站，在渣場料場布置之下劃分出渣場、料場等。通過建立BIM應用方案圖，可實現對模型中不同工作、活動的信息化處理，并建立各工作、活動之間的可視化連接。當涉及設計變更問題時，僅需由設計人員對局部信息或數據進行修改，即可利用模型功能進行文件、圖紙、報告的關聯更新，保證實現對各專業內容的一體化修改，使水電站單項設計任務與整體管控工作實現有機融合。

3施工總布置BIM協同設計

3.1樞紐布置

將AIM與Civil3D應用于該項目中無壩引水方案中樞紐布置環節，主要建筑物包含進水口、隧洞、調壓室及壓力管道四個部分，利用其強大地形處理功能進行建筑物布置區域的快速規劃與直觀表達，將控制閘、進水閘、無壓渠涵、壓力前池、有壓引水隧洞、調壓室與壓力管道均設置在河道左岸。其中無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，經協力波斯溝后到達溝口下游，與壓力前池銜接，全長為1685m；壓力前池緊靠協力波斯溝口下游的有壓隧洞進水口布置，總長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，隧洞總長度15938.9m、內徑4.7m；調壓室、壓力管道、電站廠址及廠房均布置在左岸地形寬闊區域，并基于Revit進行廠房結構、壓力管道等細部的參數化設計，實現自動出圖。

3.2施工導流

采用Civil3D軟件建立精確的導流設計方案，依據水流對于無壩引水實施環節可能造成的影響，借助AIM工具進行數據可視化展示，由此施工導流設計劃分為三部分，其中協力波斯溝渠首段的底部高程最低值為2730m，1#支洞進口處的底部高程為2715m，地面廠房的最低開挖高程為2350m，在上述部位的實際施工環節需重點考慮基坑排水及內部防滲問題。

3.3主體結構

基于Civil3D與AIM平臺生成主體結構設計方案，同時根據土方開挖量、施工工藝方法進行施工支洞布局與斷面規格參數的計算，與施工工期、費用、施工機械及工具施工情況等進行關聯，完成主體結構設計方案整體與分項施工任務的部署。該項目中引水隧洞全長為15.936km，隧洞開挖量為48.06萬m3，選用鉆爆法作為施工工藝，共布置4個凈斷面為7×6m的施工支洞，其中開挖循環進尺為3m，洞挖、襯砌進尺平均值分別為130m/月和120m/月，結合冬季不停工作業條件計算出施工工期約為50個月，并將工期進度細化分解至具體工序及專業，為后續施工進度管理提供可靠參考。

3.4場內交通

利用Civil3D軟件的地形處理功能建立裝配模型，實現對場內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算，并通過AIM軟件進行直觀表達。該項目中施工所需運輸外來物資總量為32萬t，根據貨運總量選定在喀什火車站附近租用場地作為物資轉運站，由此生成兩條場內交通路線，其中推薦路線為“喀什→塔什庫爾干→壩址”，全長322km；備用路線為“喀什→莎車→廠址”，全長422km。

3.5渣場料場布置

采用Civil3D軟件進行渣場、料場三維設計與工程量計算，該項目中以渣場為主要布置對象，基于分散布置原則進行存渣場、棄渣場布局設計，將其分別布置在渠首、廠址及各支洞口附近，引水隧洞內施工時選用5t電瓶機車牽引8m3梭車進行洞內出渣，洞外利用2m3裝載機裝渣，并依托20t自卸汽車將其運送至指定渣場。

3.6可視化與信息化

通過運用BIM技術進行水電站工程施工總布置設計，基于信息化建模方法進行設計文件、信息的同步關聯，支持提供碰撞檢查、漫游瀏覽與動畫效果輸出等功能，有效提升不同專業的協同設計效率、節約跨專業交流成本，配合漫游功能實現對場地整體及細部面貌的可視化呈現。

4結論

通過引入BIM模型進行水電站施工總布置設計，實現設計理念、設計效率、設計質量與設計表達效果的整體優化與提升，后續對該項目進行技術經濟性評價可知，該水電站工程的技術指標、經濟指標均優越，單位千瓦靜態投資為7064元/kW、單位電能投資為1.926元/kW·h，建成后為區域發電做出重要貢獻。

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作者：李學彪 單位：新華電力發展投資有限公司