水工金属结构BIM技术研究与应用
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作者:赵春龙 王正中 李岗 邹今春 翟超 范媛
摘要：水利水电工程中金属结构设备分散且多样，设备设计、制造等全过程参与主体较多，信息资源量大，工程参与主体之间存在“信息孤岛”，信息化和数字化水平有待进一步提高。依托里底、乌东德水电站等工程，借助BIM技术对金属结构设备的模型数据库建设、工程图纸表达、数字化设计和移交等进行了研究。运用知识工程、人机工程仿真功能在虚拟产品体验、虚拟制造和运维等方面进行了BIM深化应用，以期为类似工程金属结构的BIM技术应用提供参考。
关键词：金属结构；BIM技术；数字化设计；知识工程；人机工程
中图分类号：TV34；TP391.9文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.09.028
Research and Application of BIM Technology for Metal Structures in Water Conservancy and Hydropower Projects
ZHAO Chunlong1，WANG Zhengzhong2，LI Gang1，ZOU Jinchun1，ZHAI Chao1，FAN Yuan1
（1.Northwest Engineering Corporation Limited，Power China，Xi’an 710065，China；2.Arid and Cold Regions Water Engineering Safety Research Center，Northwest A & F University，Yangling 712100，China）
Abstract：Metal structure and equipment are scattered and diverse in hydropower and water conservancy projects. There are many partici?pants and a large amount of information in the whole process of metal structure and equipment design and manufacturing. “Information islands”exist among project participants，and the level of informatization and digitization needs to be further improved. Relying on Lidi，Wu- dongde Hydropower Station and other projects，with the help of BIM technology，research was carried out in the aspects of model database construction，engineering drawing expression，digital design and handover of metal structure equipment. The simulation function of knowledge engineering and ergonomics was deeply applied in the aspects of virtual product experience，virtual manufacturing，operation and mainte?nance，in order to provide a reference for the application of BIM technology for the similar engineering metal structures.
Key words：metal structure；BIM technology；digital design；knowledge engineering；ergonomics
水利水电工程金属结构设备担负着控制水位、宣泄洪水、保护机组安全运行等任务。这些设备作为工程后期主要运维对象，具有多样性、活动性、复杂性、分散性等特点。同一工程参与主体较多，包含规划、建设、设计、制造、监造、安装等单位，工程中金属结构设备设计、制造、采购、安装、调试、运维等各阶段的信息资源量大，工程参与主体之间存在“信息孤岛”，信息化和数字化水平有待进一步提高。
近年来，BIM技术受到了业内人士的广泛关注与研究[1-3]，从最早被应用于单一的建筑行业逐渐被推广应用于水利水电、地上或地下轨道交通、航空机械电子等众多专业领域。BIM技术主要为工程规划、设计、施工、运维等阶段提供全生命周期数字信息和三维模型，支持跨专业的数据共享和协同作业，其具有可视化、数字化、集约化等优点，可以减少设计和制造等阶段的失误，提高工程设备管理和生产效率[4-6]。基于此，BIM在水利水电工程金属结构的应用逐年增多，通过该技术实现了设备三维建模、二维出图以及三维有限元计算。相关设计人员利用其参数化建模功能实现了钢闸门模型的工程分析和优化[7-8]，也有设计者在卷扬式启闭机三维设计[9]、大型船闸金属结构辅助设计[10]等方面进行了探索。但以上金属结构设备BIM 技术应用主要集中在单一设备的三维参数化建模和二维制图，目前缺少BIM技术在金属结构设备全过程管理的系y研究与应用。
本文针对水利水电工程中各类金属结构设备，基于Catia协同设计平台，从模型数据库建设、数字化设计和移交、虚拟运维、设备信息跟踪等方面结合实际工程项目进行了BIM的深化应用，并对水利水电工程金属结构设备全生命周期管理进行了展望，以期为水利水电工程BIM技术研究与应用提供一定的借鉴。
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1金属结构设备模型数据库建设
1.1三维模型资源库管理
1.1.1模板分级标准
水利水电工程中主要金属结构设备包括钢闸门、拦污栅、卷扬式及液压式启闭机、清污机、升船机、压力钢管等。根据金属结构设备功能、施工设计出图需求、标准化设计程度、模型装配级别和图纸拆分习惯将金属结构专业模板划分为四级，有助于模板库管理和模块化设计。一级至三级模板大多为装配文档形式；四级模板为零件文档形式，为最底层模板，该模板集合了参数化设计和知识工程的内容。底层模板可被直接调用升级成更高级别模板，模板级别越低，其典型性、通用性、参数化及复用程度越高；高级别模板有助于各设计阶段方案的快速生成。金属结构专业模板分级标准见表1。
1.1.2资源库的规划
资源库用于存贮和分类批量特征对象，提供相关信息的查询和调用服务[11]。采用Catia设计平台中目录编辑器对所有模板进行管理以形成资源库，按照上述模板分级标准建立资源库目录，分别将三维模型文件、参数表等和资源库目录链接。
Catia平台中知识工程模板主要分为特征类模板和文档类模板。特征类模板（UDF、超级副本）是零件模板的一种，将零件内部的某些几何特征的创建结果或部分创建过程记录下来，供调用该类模板时快速复制。文档类模板是将某一零件或部件的整个设计过程记录下来，以独立的文件格式进行存储，该模板的创建流程见图1。
零件模板可以通过全部或部分调用特征类模板来创建，即通过特征类模板的实例化操作创建零件模板的几何特征。部分常用零件模板可依赖于已有骨架模板，先将骨架模板实例化，再进行实体创建和特征类模板实例化。
1.2金属结构设备模型数据库
金属结构设备中钢闸门形式众多，对闸门各构件进行分类，分析门叶及埋件的构造规律，将复杂的整体门叶结构层次化、模块化、构件化，提炼出具有通用性的各级骨架模板、构件模板及其特征设计参数。在Catia平台建立平面钢闸门单节门叶三维参数化模型库，基于知识工程融入设计者经验，定制相应二维施工图纸，通过系列化参数模板快速完成整套平面钢闸门的设计工作。钢闸门各级别模板建立步骤见图2。
启闭机主要有固定式卷扬机、台车式启闭机、桥式启闭机、单向或双向门式启闭机、液压式启闭机等。启闭机主要包含起升、行走、回转、液压等机构，以及主体车架和门架结构，整体属于非标产品设计，但其中很多系列化标准产品主要从外购件厂家直接采购，例如电动机、减速器、制动器等。不同品牌产品的样本参数会存在一定差别，虽然这类零件库可以从厂家直接获得，但其通用性较差，不具备参数化驱动能力，因而不利于优化设计方案。根据不同品牌产品的安装参数和外形参数建立产品参数化模板，形成参数化设计表和产品数据库，通过对数据进行统一管理，更新产品参数时只需对设计表数据进行更新即可。启闭机模板与钢闸门模板建立思路相同，启闭机各级别模板建立步骤见图3。
2金属结构数字化设计
2.1参数化建模
以平面钢闸门参数化建模为例，闸门单节门叶是由钢板组成的焊接件，其面板、边梁、主梁、次梁、纵隔板的布置具有一定规律性，梁格布置中心线组成的轴网是单节门叶模型的骨架，见图4。骨架文件中的参数集合包含闸门主要控制参数，通过修改参数可以快速改变闸门的结构布置和总体尺寸。通过调用单节门叶骨架和构件模板可以快速完成单节门叶建模，按照模板说明书输入参考元素，调用模板目录的相应条目。单节门叶建模完成后，即可与闸门附件进行装配，再向上一级装配成为专业总布置模型，从而依次完成二级和一级模板的构建。
2.2金属结构CAD/CAE一体化
水利水电金属结构设备尤其是启闭机各机构运行工况复杂，设计过程中需要考虑不同荷载组合下门机结构的静力学、动力学以及抗倾覆稳定性[12-13]。CAD/CAE一体化技术可让设计者进一步了解设备机构的真实运行状态，利用三维模型设计已有的、基于实体零件建立的CAD模型进行后续有限元分析时，按照从CAD到CAE的模型参数转换思路，对大多数钢板焊接件进行高效快速建模和有限元网格划分，将实体模型转为曲面模型，可以大大减少计算机求解自由度所用的数据量，节省计算成本并提高计算效率。同时，CAD/CAE模型关联可以实时为三维设计产品提供仿真环境，提高产品的安全性和可靠性。弧形闸门CAD/CAE 一体化仿真见图5。
2.3金属结构出图工具开发
在应用国外软件开发金属结构出图工具时，会出现出图工具中部分功能无法完全满足应用需要、不符合中国制图标准、使用效率低等问题[14]。针对以上问题，重点对出图工具中材料表统计、件号标注、中心线投影、焊缝标注参数输入、视图拼接、板件放样等功能进行专业化定制和二次开发，材料表统计功能开发流程见图6。
件号标注完成后更新材料表即可完成件号与材料表的自动对应，见图7。
2.4工程图纸表达
由于BIM信息模型具有高度可视化和信息化的特点，随着BIM技术的推广应用，图纸内容和表达方式不断丰富，二维平面制图标准已不能完全满足三维出图的要求，因此需要对金属结构设备制定统一的三维图纸表达标准和规范。在方案设计阶段和招标设计阶段对工程布置中设备空间占位及功能进行描述，由于这两个阶段金属结构设备的图纸信息量较少，表达方式多样，对模型数据完整性和精细化程度的要求不一，因此采取模型空间三维标注（见图8（a））和模型三视图标注（见图8（b））来实现。在施工阶段通过图纸表达可为设备制造和安装提供直观信息数据，在当下水电工程金属结构设备自动化制造水平还不够高的情况下，施工阶段传统二维工程图纸依然是主要的表达方式（见图8（c））。
3BIM技术深化应用
3.1基于BIM技术的协同设计与碰撞检查
在水利水电工程三维协同设计中，存在工程规模大、设计复杂、参与专业众多的特点，需大量专业人员进行沟通配合。协同设计作为一项庞大的系统工程，除具备单独设计功能外，还应具备信息共享管理功能。以VPM为数据管理平台，项目立项后，对各专业人员分配节点权限和设计角色，在同一空间下同时展示各专业成果，从而能够实时把握项目进度。通过BIM技术可使各Ｒ等维设计共享同一关键控制图元或参数，设计人员可以实时查看相关专业的设计情况，更加方便地引用或参考相关设计数据。以里底水电站工程为例，其溢流坝段金属结构专业与其他专业协同设计成果见图9，在协同设计中采用自顶向下的纵向关联设计模式，即上游专业对控制元素进行发布，下游专业引用已发布元素进行设计，通过修改主要特征数据文件对专业间的模型数据实现单向式驱动。
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基于BIM技术的碰撞检查可以非常直观地将不同专业间不统一、冲突的位置显示出来，对设计方案及时查漏补缺，减少各专业的反复协调工作并在工程前期降低错误出现概率，为工程质量提供有力保障。以犍为航电枢纽工程为例，该项目为河床式水电站，闸坝式挡水建筑物，（3）级船闸（单级）通航1 000 t级船舶；坝顶设一台泄水闸双向门机，沿坝轴线共轨运行，大车运行距离约870 m，小车沿上下游运行距离约8 m；泄水闸共28孔，泄水闸双向门机下游为泄水闸工作闸门启闭机排架房，房顶部设计为景观建筑。在金属结构专业与建筑专业的协同设计过程中通过模型碰撞检查发现，在下游极限运行状态时，双向门机小车机房与坝顶景观建筑干涉，O计过程中及时调整了机房高度以进行避让，其BIM模型碰撞检查见图10。
3.2基于BIM技术的装配及运动仿真
金属结构设备在实际运行过程中具有多种运行状态和使用工况，采用Catia DMU电子样机可以对设备进行真实模拟和验证。其中：运动仿真模块能够对设备机构自由度进行模拟，例如，闸门的启闭操作、启闭机的行走、回转以及整个机构系统的联动；装配模块可以对具有装配体特征的设备实现虚拟装配仿真，记录装配路径和序列，清晰再现设备的整个装配过程，并且能够对设备分段分块运输提供依据，用于指导工厂制造和现场安装设备。图11展示了乌东德水电站18 000 kN导流洞固定卷扬式启闭机的设计虚拟和工厂实物装配流程。
3.3基于BIM技术的虚拟运维仿真
人机工程学是一门多学科的交叉学科，研究的核心问题是不同作业中人、机器及环境三者间的协调，目的是指导工作器具、工作方式和工作环境的设计和改造，使作业效率、安全、健康、舒适等方面的程度得以提升。金属结构设备同常规产品一样都有人机交互特性，为方便运维人员操作使用、检修维护设备，利用人机工程进行检修通道引导、安全操作培训和检修维护提示（见图12），设计方将上述人机工程仿真数据一并移交运营单位。此外，通过人机工程模拟可以对设计方案进行虚拟体验和优化，使产品设计更符合实际需求。
3.4基于BIM技术的设备信息跟踪
基于BIM的金属结构设备全过程跟踪管理涵盖从采购计划、招标、制造、安装到试运行阶段的各项工作。将BIM模型以及设备跟踪信息与流程管理相结合，可以实现数据的双向深度融合，即根据设备跟踪信息确定其在流程管理中所处的阶段，再自动推送进行下一阶段流程操作，为设备的流程化管理提供依据，也可以根据流程阶段的要求对BIM模型信息不断完善。
基于BIM技术的设备信息跟踪管理以工程三维模型为信息载体，以数据信息对象编码为纽带，建立模型与动态信息之间的关联关系。图13为基于二维码识别技术的金属结构启闭机设备信息跟踪示意，通过对数据信息、组织结构或KKS编码进行统一定义，构建数据全面、组织有序、服务于设备流程跟踪管理的系统，为运维移交提供全过程信息的模型数据。
4结语及展望
4.1结语
基于主流三维协同设计平台，开展了数字化设计、软件二次开发和BIM技术的深化应用，运用知识工程将专业设计经验和专家知识赋予参数化模型中，实现经验积累和知识更新；采用数字化装配技术在设计阶段完成启闭机和闸门的虚拟装配；采用机构运动仿真有效减少了产品在制造工程中的装配干涉和运行过程中的动态干涉；采用人机工程仿真实现了沉浸式虚拟产品体验和虚拟运维，提高产品的人性化设计水平。
4.2展望
为解决产品全生命周期的应用和需求，水电工程金属结构设备有必要建立一套全新的管理模式，形成水利水电工程金属结构全生命周期管理平台，提升金属结构设备全过程管理能力和效率，并对水利水电工程安全运行提供智能化决策依据。具体分为以下4个研究方向：①结合三维专业协同设计集成CAD/CAE/ CAM环境，完成对金属结构设备的设计、分析、制造和资源管理，形成各类设备、相关装配部件、产品的基础信息资源库。②基于三维在线可视化交互技术的金属结构设备数据信息文档交付平台，支持设计数据、二维图纸、三维模型、制造安装过程等信息的在线查看浏览，同时建立参建各方在线沟通、技术交底、工期跟踪等平台。③探索基于物联网技术的金属结构移动设备管理模式，解决在制造生产、出厂检验、运输安装、调试运营等各阶段中设备身份识别易混乱的问题。④基于在线监测系统和人机工程学虚拟运维系统的金属结构设备运维安全决策平台，支持工程各部位金属结构设备的实时监测、虚拟操作培训、运行操作警示和安全报警等，提升水利水电工程金属结构设备优化管理、安全运行、巡视检修方面的可视化、智能化水平，真正实现“无人值班、少人值守”。
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