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引汉济渭三河口枢纽BIM设计（一）

2018/04/17

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简要：作品名称：引汉济渭三河口枢纽BIM设计参赛单位：陕西省水利电力勘测设计研究院参赛

作品名称：引汉济渭三河口枢纽BIM设计

参赛单位：陕西省水利电力勘测设计研究院

参赛成员：刘斌、毛拥政、李彪、补舒棋、付登辉、张伟、牛闻、成飞、周宇飞、蒋锐

一、项目概述及说明

1.项目概况：

三河口水利枢纽是引汉济渭工程的调蓄中心，枢纽由大坝、泄洪消能、坝后供水系统、连接洞等工程组成，如下图所示。大坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高141.5m，总库容7.1亿立方米，调节库容6.6亿立方米，正常蓄水位643m，死水位558m。供水系统设两台水泵水轮机组装机容量2.4万千瓦，抽水设计流量18立方米/s；两台水轮机组装机容量4.0万千瓦；并设两台减压调流阀，设计流量31立方米/s。

三河口水利枢纽工程布置效果图

2.项目难点：

本工程项目技术复杂，涉及专业种类多，多项技术指标处于国内领先水平；

工程采用的抛物线型双曲拱坝是国内排名第二的高碾压混凝土拱坝，地形地质条件复杂，为满足工程泄洪和兴利的需要，坝身建筑物集中，空间布置及设计计算工作量大；

同时，设计采用了抽蓄机组和常规水轮发电机组共用厂房方案，机电设备众多，适合利用BIM技术解决工程设计中技术问题，提高设计效率。

二、BIM总体应用情况

1.BIM应用的软硬件配置

BIM技术的应用需要若干软件相互协作共同完成，要求信息模型能在各软件之间无损交换、无缝链接，因此可选择同系列的软件相互配合以实现BIM技术的应用。在综合考虑软件性能、设计需求、施工模拟等因素后，选择达索系列软件作为主平台，其他软件配合完成三河口水利枢纽的设计工作。本项目主要应用的软硬件如下：

达索 VPM&CATIAV5.20/V5.21

AUTODESK 三维设计套包V2016

博超 STDV4.2

项目组配备专业图形工作站2台，高配置计算机40台。

2.实施方案

结合本项目自身特点，制定建模标准和流程，配置平台上建模的环境，将项目进行拆分如图所示，分配不同人员不同的权限和任务在统一平台上进行信息模型搭建和管理。

2.1 BIM解决方案

ENOVIA平台上的协同实现-管理和角色划分：

在ENOVIA平台实现各专业协同，摆脱繁琐线下协同，将各专业分门别类，建立各专业单位的ENOVIA平台角色，包括设计角色、管理角色、审核角色等。

在协同平台上，可以满足模型实时分享给各专业，并可即时沟通问题，避免文件级协同方法繁琐的弊端。

2.2 骨架设计理念

通过骨架设计理念层层传递参数，实现ENOVIA协同平台上的自上而下设计的参数化驱动应用，以及项目分项合作，由多个设计人员共同完成的项目；

ENOVIA为快速实现各专业协同设计提供了平台，也为优化设计开通了渠道。

2.3 骨架设计理念实施应用

3.应用的主要成果

3.1 设计成果

在协同平台上完成BIM枢纽模型的建立，涉及专业：地质、水工、金结、水机、电气、建筑、道路、施工，并在模型中采用参数化设计，模型搭建以骨架驱动+模板的方法实现，通过骨架控制建筑物的位置，建筑物中参数化设计的模板可根据上级发布的骨架条件变化实现方案的快速调整。

完成枢纽地质模型的建立，包括地质、地形、风化带、岩体透水率。

将道路导入BIM模型，完成其在整体方案中的布置。

以BIM土建模型为依托，利用博超软件进行电气设计，后导入catia形成完整设计方案；

以BIM结构模型为依托，利用ANSYS软件对土建结构进行力学分析；

以BIM结构模型为依托，利用CATIA软件中的分析与模拟模块进行岔管的力学分析；

以BIM结构模型为依托，利用DELMIA软件进行相关人机工程模拟；

以BIM结构模型为依托，利用Simulation CFD中完成CFD数据模拟，完成副厂房会议室的气流组织模拟，减少常规计算流程，增加工作效率；

建立专有的模板库，完成一些相关专业模板的入库工作；

完成专业齐全的VPM在线的CATIA总体设计模型；

建立三河口水利枢纽虚拟空间应用方便运行管理。

3.2 扩展应用

倾斜摄影复核开挖结果：

三河口拱坝开挖体型复杂，设计为复核现场开挖情况与设计的准确度，利用多轴无人机对大坝开挖情况进行了三维测量，形成的实测结果和设计BIM开挖模型进行了比照，结果实际开挖和设计开挖线符合度很好，具体情况见图：

3.3 应用效果

综合效果：

建立了完整专业的BIM模型，涵盖地形、地质、大坝、水道、厂房、建筑、水机、电气、金结、施工、道路各个专业，进行了项目协同设计。通过运用BIM技术，在模型的应用过程中针对设计中的重点、难点进行模拟，寻找更加合理的设计解决方案。三维模型为二维图纸提供了审核与校验，并为二维图纸的深化设计提供帮助。本次BIM设计，将机电设备模型与BIM模型整合在一起，解决了厂房设计中常见的碰撞问题，并对重要管线进行优化设计。

利用CATIA中的骨架理论来创建模型，化繁为简，有序地将枢纽分解为具有相应功能的部分，有效地通过总骨架控制下一级骨架，来驾驭相应的模型，实现不同布置方案的快速调整和布置变化。

通过参数化模板的批量实例化和标准件库的建立，可以快速得到实际的模型，大大提高了建模的效率，并且模板的定义具有一定的通用性，可以在类似的工程中得以继续应用。

设计人员在同一平台协同工作，便于及早发现空间上碰撞等低级失误；局部复杂节点的精细化建模，便于准确理解设计意图，模型属性中附带有一定的工程信息，为之后的拓展使用提供依据。局部结构的计算也可以由模型导出几何数据之后，再由专业有限元软件进行分析。

3.3.1 地质专业

利用GOCAD软件将地质勘察的原始资料整理进入GOCAD软件中，通过软件和分析完成地质模型的建立，并根据水利工程特点的需要建立了风化模型和吸水率模型，满足大坝设计需要。

三河口水利枢纽坝址区位于变质岩地区，断层构造发育，岩性多变，三维地质建模工作较为复杂。岩体风化关系着建基面开挖深度，因此也是地质建模的一个重点，由于岩体风化的数据主要来源与勘探点，将勘探点数据导入GOCAD软件，利用这些勘探点的风化数据，即可生成枢纽区的岩体风化界面三维空间分布，该界面在勘探点处与勘探数据完全吻合。水工使用地质模型可以明确地质结构面和风化等情况，提升设计效率。

三河口的三维地质模型：

3.3.2 水工大坝专业：

基于CATIA三河口水利枢纽水工大坝专业设计，使得其在原传统设计基础上得到更合理优化，其主要体现在以下几个方面：

（1）开挖工程：本部分开挖涉及坝基、EL.602m左坝肩施工道路、坝顶左、右岸永久道路、消力塘等，开挖较为复杂。结合实际地形地质信息，通过CATIA初步创建开挖面及开挖体，校审人员结合可视化的设计模型，提出合理优化意见及方案，通过参数化关联设计、模板应用等功能，我们快速完成方案调整，最终得到较为合理的开挖设计，开挖工程量在一定程度上较传统二维降低；

（2）大坝体型及相关专业交叉：通过对EXCEL中拱圈参数的调用，应用模板与关联设计快速创建拱坝体型，基于骨架设计在CATIA中按大地坐标系插入模型中。设计中发现右坝端与已成导流洞洞身存在碰撞问题，后调整坝体体型参数并经模型验证后，确定最终体型；

（3）表底孔、进水口、电梯井、消力塘体型设计：通过各自的骨架控制，结合实际地形地质合理优化体型位置；通过参数化和关联设计结合校审意见能够快速合理优化；通过VPM协同设计，使得相关专业间错漏碰问题得以及早发现，提高沟通效率，很大程度减少了施工期变更，提升了设计产品质量；

（4）道路专业：实现设计道路的CATIA放样，对局部复杂道路可进行详细设计（如本工程左右岸坝肩路、8号施工道路等），使得项目组成员及审查人员能够宏观了解施组设计和整个枢纽布置，提出更合理优化意见，得到业主认可；

（5）工程量计算：CATIA创建开挖和体型后，可以快速生成相应开挖体，通过测量直接获取相关工程量，简化了设计人员繁琐的计算过程；

（6）施工交底：通过可视化的模型，可让施工技术人员快速理解并熟知设计意图，减少识图难度和偏差，确保设计方案的良好实施。

大坝专业开挖和总体布置

下游视图

基于模板创建的拱圈

基于拱圈生成的大坝体型

表底孔设计

进水口设计

8号路与石佛路交汇处设计

3.3.3 厂房专业

检查碰撞，在利用ENOVIA平台三维设计的过程中，发现了很多各专业协同布置问题，也对原初设图纸三河口电站厂房、导流洞、开挖设计等做了多次修改。

电站基础体型和开挖较为复杂，利用软件可以变换方案，快速得到工程量。

利用已有地质模型全面分析厂房的基础情况，而手工图纸一般是通过打剖面的形式来了解厂房下部基础，通过三维设计则可以全面了解基础状况。

通过大型项目的设计，可以累积模板，使得以后的厂房设计更加快捷。

三河口是第一个利用CATIA及ENOVIA协同平台完成的大型立式双向加可逆式机组电站，结构较为复杂，无论是骨架设计还是项目分解设计都为以后其他电站三维设计提供了宝贵的经验。

3.3.4 厂房引水系统

利用CATIA中的骨架理论来创建模型，实现化繁为简，有序地将枢纽分解为具有相应功能的部分，有效地通过总骨架控制下一级骨架，来驱动相应的模型。

利用骨架系统，将整体上游压力管道引水系统做成模板导入VPM中，利用CATIA的强大曲面设计功能轻松完成压力管道模型。

解决厂房建筑物之间交叉部分的衔接，并减少工作量，保持统一性；

引水管道更新时，厂房基础的布尔运算更新一下就可以保持新的连接。

3.3.5 电站厂房

全局骨架中发布核心元素供电站厂房参考，电站厂房中的骨架系统以全局骨架发布的机组中心坐标点和机组方向线为基础，创建电站厂房的一套系统参考面，包括横纵轴网系统，高程系统，和一些主要控制参数，这些参数发布出来供电站厂房的子节点进行使用。

电站厂房主体协同内容：建筑、水工、金结、水机、电气。

电站厂房纵剖面：

电站厂房供水阀室横剖面：

电站厂房3#机组横剖面：

电站厂房1#机组横剖面：

施工设计方案：

集水廊道

复杂的梁板及结构布置，并与机电、暖通专业不断配合

电站厂房后背边坡排水系统，整个排水系统共分三个高程，最终排水将进入厂区与消力塘的共用的集水井中。

楼梯布置：

1号、2号、4号、5号、8号为连续楼梯，其中8号楼梯为隐藏于安装间下部基础中的楼梯通道；

6号为单向；3号为特殊L型带休息平台楼梯；7号为隐藏于尾水闸墩中的楼梯通道；9号为转子支墩处带护栏的钢爬梯；10号为供水阀室还有一个钢爬梯；11号为尾水闸墩上的一个钢爬梯；每个检修坑内均含有两个简易钢爬梯。

安装间：

电站厂房施工图的一些细节化设计：

电站厂房施工图的一些细节化设计——止水设计：

电站厂房施工图时的一些应用：

3.3.6 排水廊道

3.3.7 厂房部分结构有限元计算分析

三河口BIM与仿真和计算结合：

BIM与仿真计算的结合在结构设计工作中得到了广泛的应用，

（1）电站利用导流洞封堵体稳定性验证，并综合多种方法与仿真分析对比，得到了可靠的结构设计结论。（2）安装间薄厚板结构静动力分析，对两种结构形式的静动力特性进行分析，从而得到安装间结构布置的优化设计。（3）副厂房结构设计中综合对比BIM结构分析软件PKPM与大型通用有限元软件ANSYS在梁板结构设计中的适用性，并得出结论。（4）结合已建成CATIA模型的三河口厂区重力式挡墙模型，分析了高重力式挡墙结构的稳定和可靠性。

以上仿真计算模型均采用BIM软件CATIA建成模型导入仿真计算程序中，极大缩减了计算建模前处理难度，提高了模型效用，为结构设计提供了强有力的支撑。

CATIA与ANSYS仿真计算结合：

电站模型成功导入ANSYS中

CATIA

ANSYS

计算结果变形动态图

三河口安装间梁板结构与厚板加肋结构静动力计算对比分析：

梁板结构

厚板加肋结构

ANSYS软件与BIM结构计算软件PKPM在三河口副厂房结构计算中的应用和对比分析：

CATIA

ANSYS

ANSYS计算结果

PKPM

PKPM计算结果

电站利用封堵后的导流洞作为尾水洞封堵段有限元计算分析：

CATIA

ANSYS

3.3.8 水机专业

建立水机专业全套设备模型。建立系列化、标准化的水机设备库、管路零件库。

设备库内目前已有球阀、蝶阀、电动止回阀、止回阀、闸阀、油罐、气罐、三通、弯管、离心泵、深井泵、供水泵、排水泵、空压机、调速器、蜗壳、尾水管、发电机和混流式水轮机等，合计23种常用部件。

通过系列化、参数化的建模入库，实现各种口径阀门的调用。

参数化的球阀、调速器

参数化的水轮发电机组设备

3.3.9 电气专业

设计解决方案：

设计基于博超STD设计平台，将BIM模型，水机设备等设计成果导入到STD，作为电气设计的基础，针对三河口工程中的电气设备的特点，进行新设备建模，扩充设备库，并对新模型的电气属性赋值。

完成内容：

（1）完成了电气净距校验、碰撞检查、主接线的回路检查；

（2）统计了电气设备、电力电缆、管型母线等设备统计及桥架等相关辅材料；

（3）在STD中完成了以下设备的绘制工作，包括110kVGIS、110kV主变、变频器组、发电机电压设备、站用电系统等设备的布置以及设备之间的母线、电缆连接和桥架。

输出成果：

将STD中的电气设计内容，导入到catia平台下（VPM），进行多专业间的碰撞检查及关联，完成专业间的协同设计。下图表示STD平台下的电气部分以及在BIM模型下的的电气内容。

3.3.10 建筑

电站厂房占地面积为2331m2，总建筑面积为3550m2，东西长70.24m，南北长42.04m。根据水工电气设备专业的要求，结合结构柱网和建筑内部空间构成，对平面做了系统布局。

除常规设计外，暖通专业对该项目厂房建筑及大坝廊道进行三维设计，为进行通风条件分析创造了条件，利用SimulationCFD对个别房间进行了室内气流组织模拟分析，保证了房间舒适性的同时也保证了大坝廊道等特殊区域的安全性。

三河口电站厂房BIM设计图

3.3.11 暖通

根据绿色建筑评价标准设置自然通风风口，保证变压器室的自然通风条件。风口尺寸2000mm×500mm，共4个，风口控制风速1m/s。

副厂房屋面布置有大型风冷空调设备，为满足设备制冷条件该屋面需与室外大气直接相通，同时为了使该设备融入整体建筑外形中，设置自然天窗斜面屋顶。

该设计通过BIM设计的呈现更加简洁的完成了原有二维设计较为复杂的工作流程，高效的完成后期校核与审查。

3.3.12 金结专业

由于CATIA原来就是为机械制造服务，因此金结专业的设备创建在各专业中也突显优势，金结在三河口中建立了完整的各部位的金属结构部件。金结定制了完善、详细的符合我院制图标准的工程图环境及标准。在此基础上，实现了三河口闸门、拦污栅等整套符合标准、美观的工程图（施工图）。

底孔事故闸门5000kN固定卷扬式启闭机方案模型

导流洞工作闸门2x1000kN固定卷扬式启闭机方案模型

金结定制了完善、详细的符合我院制图标准的工程图环境及标准。在此基础上，实现了闸门、拦污栅等整套符合标准、美观的工程图（施工图），这是一个质的飞越，它标志着金属结构专业真正成为生产力。

拦污栅模型图

拦污栅单节工程图

表孔检修闸门门式式启闭机方案模型

泄洪放空底孔4×6m平面事故闸门模型

泄洪表孔15×15m叠梁检修闸门模型

水电金结设计具有图纸量大、要求精度高、配合尺寸多等特点，采用BIM进行非常具有优势，极大提高生产率，因此，我院金结设计非常重视BIM，并以引汉济渭三河口项目为切入点，投入了大量的人员和精力进行BIM设计工作的推进。

尾水闸门模型

尾水闸门装配工程图

尾水闸门单节工程图

利用BIM设计完成复杂结构有限元分析：

将BIM的三维建模及有限元分析功能引入到钢岔管的分析计算中，基本掌握了catia环境下的有限元分析功能，并将分析成果应用到了三河口工程钢管招标设计中，这一领域的突破使得金结所在复杂结构方面的分析手段又得到了很大的增强。

三梁岔管模型图

三梁岔管合成应力图

三梁岔管合成位移图

采用BIM进行金属结构设计中团队合作，完善模板库，实现分工创建，统一管理和应用，实现建模的快速化，知识化，标准化，规范化，从而提升建模的效率，减少手工处理模型的时间及不必要的重复工作。利用模板库分别装配完成各型式的固定卷扬式启闭机、台车式启闭机、门式启闭机等；利用模板参数化建模，通过建立Excel数据库。使三维模型中的参数与excel表格中的数据相关联，可以通过调用excel表格中的数据，对相同闸门形式、不同的孔口尺寸的闸门，直接参数化驱动模型做出相应变化，从而得到适应孔口需要的新模型，而无需重新建模。