BIM技术在乌东德水电站机电设计中的应用
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作者:郭学洋 王豪 李玲 郑涛平
摘要：乌东德水电站地下厂房空间狭窄，机电设计要求高，设备、管道及线路复杂，设计难度大。以3DE（3DExperience）为基础平台，灵活应用BIM技术，建立机电资源库，搭建项目结构树，通过原理图驱动三维设计，对总装模型优化调整，实现了乌东德水电站机电BIM正向设计。结果表明：乌东德水电站机电BIM正向设计达到了机电设备三维可视化展示、工程量统计、碰撞检测、工程图定制及成套出图、虚拟施工装配的效果。研究成果可为其他水电工程提供借鉴。
关键词：机电设计; BIM; 3DE; 地下厂房; 乌东德水电站
中图法分类号：TV734 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.005
文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0023 - 06
0 引 言
乌东德水电站位于云南省禄劝县和四川省会东县交界，电站装设12台单机容量85万kW的混流式水轮发电机组。乌东德水电站是世界上已投产发电的第七大水电站，是中国实施“西电东送”战略的骨干电源，首台机组于2020年6月底投产发电，2021年6月电站全部机组投产发电。水电站采用地下式厂房，厂内机电设计需要充分利用空间，要求布置美观又便于运维。乌东德水电站机电设计条件复杂，协调工作繁琐，机电系统由多个专业、多个系统组合而成[1]，管道、线路规模宏大，连接复杂，设计难度较大。近年来随着现代信息技术的发展，人们日益认识到BIM技术的可视化、建模快、模拟性、优化型、协同性和可出图等技术优势[2-4]。随着BIM技术集成应用能力逐步提升，其在工程领域的应用日益广泛，在水电设计行业也逐渐得到重视[5]。
BIM作为一次工程技术的变革，在各行业中仍处于不断摸索、自行提高的阶段[6]。现阶段仍存在许多问题和挑战。BIM技术在水电工程机电设计应用实践中主要表现出的问题有以下几个方面。
（1） BIM技术应用需要投入大量资源，包括软硬件技术条件，如BIM平台、服务器、网络环境等。BIM项目实施需要既掌握BIM平台操作又懂专业设计的工程师。
（2） 与三维技术应用成熟的制造业不同，二维工程图仍为水电行业设计成果的主要交付方式。BIM模型直接生成二维图功能仍不完善，不能完全满足现行制图标准要求，电气专业接地、照明等系统的图纸图面处理工作量较大，效率低下，仍旧采用传统CAD软件作为制图工具。
（3） 与传统方式相比，BIM技术需要设计工作内容在前期更为深化，但作为设计条件输入的具体设备信息模型前期又难以确定。
（4） BIM技术尚未形成行业生态圈，BIM设计成果在水电项目建设过程或全生命周期管理中还远未发挥出应有的价值。
因此，本文以乌东德水电站机电设计为例，采用达索系统（Dassault Systems）的3DE（3DExperience）平台，探索和实践了BIM技术的应用，实现了对乌东德水电站机电BIM正向设计。本文建立了机电资源库，搭建项目结构树，通过原理图驱动三维设计，对总装模型优化调整，完成BIM模型出D，达到了机电设备三维可视化展示、渲染效果处理、工程量统计、碰撞检测、工程图定制及成套出图、虚拟施工装配的效果，为BIM技术在其他水电工程设计项目应用提供了借鉴和参考。
1 机电资源库建设
乌东德水电站机电设计包括水机、电气、暖通及厂房等多个专业，探索应用了3DE平台BIM技术正向协同设计方法。3DE平台包含了三维建模、仿真、协同数据管理及信息智能4个方面的大量模块，所有应用APP按用户角色配置提供入口。不同模块之间使用统一的底层数据，各专业协同设计无需通过中间格式进行数据传递。
BIM设计软件的使用使得设计模式发生了根本性的变革，从传统的二维设计转变为三维参数化设计。基于BIM技术的机电三维参数化设计的过程类似于搭积木，机电系统模型由设备、管道、线路等拼接而成。BIM模型构件是模块化设计的基础资源，一般以库的形式组织。模型资源库可以避免大量的重复建模工作。BIM模型资源的建设管理可形成企业的信息资产，通过在设计过程中共享与重复使用，有效提高设计可靠性、效率和质量。考虑ENOVIA系列企业级数据管理平台实施周期较长，乌东德水电站机电设计项目的基础3D模型资源主要采用3DE平台的CATIA系列APP管理。
1.1 模型库结构
标准件库的创建和扩充是BIM设计标准化的重要基础性工作[7]。由于机电设备具有种类繁多、设备部件多、外形复杂等特点，机电模型资源库需按专业和设备类型分为多个目录，包括水力机械图例库、水力机械设备库、管道元件库、电气图例库、电气设备库、电缆库、暖通设备库、风管元件库。以水力机械设备库为例，对常用设备归纳分析，确定水力机械设备库的目录结构如图1所示。
1.2 编码规则
BIM模型资源标准化建设的核心和首要工作是分类和编码。为科学合理应用和管理BIM模型资源，模型信息编码应当遵循一定的规则。各企业或项目实施团队可根据自身具体情况制定规则。模型构件命名考虑的基本原则是：唯一、简明、规范、适用。乌东德水电站管道元件弯头的命名规则示例见图2。
1.3 3DE平台模型资源库实施
完成库架构的建立后，机电设备模型作为项目插入到对应库目录章节。设备模型根据其复杂程度，可以采用不同的建模方法，难以用少量参数驱动的复杂外形设备模型可不使用参数化建模。标准件库建立流程为：① 建立一般元件模型，通过参数约束模型几何特征;② 建立设计表，设计表文件中编写各参数数据列，将设计表数据列关联模型参数;③ 应用表中数据从一般模型衍生系列模型零件并填充至目录库。
2 乌东德水电站机电BIM正向设计
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