水利水电工程施工总布置设计研究

摘要：为解决水利水电项目设计流程复杂、多专业协调难度大等问题，通过引入BIM技术建立施工总布置设计的三维模型，运用Civil3D、AIM、Revit等工具实现多专业协同设计、工程量统计、碰撞冲突检测、虚拟互动漫游等功能，最终使该项目施工总布置设计效率与质量均实现质的飞跃，创造良好工程效益。

关键词：水电站工程；施工总布置；BIM建模；协同设计

当前BIM技术已引领工程设计领域的信息化变革，但在实际应用环节受制于水利水电工程规模庞大、多专业交叉等复杂特征的影响，尚未实现BIM设计的统一标准及规范流程，如何有效应用BIM技术手段辅助工程设计成为现阶段亟待解决的问题。

1研究背景

1.1项目概况

以某水电站工程为例，工程位于新疆维吾尔自治区喀什市塔什库尔干塔吉克自治县境内，属“一库六级”水电开发方案中的重点规划对象之一，水电站规划装机容量为202MW，占梯级总装机容量的32%。在地形地貌方面，施工区域境内包含山地、谷地两种地形，平均海拔超过4000m，由昆仑山、喀喇昆仑山、兴都库什山、天山汇合形成“世界屋脊”。在河流水文方面，该地属塔什库尔干河流域，流域面积为9980km2，干流总长度298km，河道平均比降13‰；流域范围内人口稀少，水利水保设施较少，该水电站厂房建设地点位于下坂地水利枢纽电站厂房下游约24km处，属塔什库尔干河中下游河段水电梯级开发中的第二级水电站，坝址以上流域面积为9705km2，多年平均流量33.4m3/s。通过综合考虑坝址选择、拦泄洪建筑物布置、引水系统工程布置、工程投资等情况，将不同规划方案进行比较分析，最终确定选用无坝引水方案，利用无压渠涵和隧洞、调压室、进水口、压力管道等有压引水建筑物进行引水发电。在特征水位设计上，采用无压引水道引水模式，压力前池设计水位为2744.5m、设计尾水位为2367.5m。在装机容量设计上，由于该方案无调节能力，根据电站供电范围、动能经济指标及电力电量平衡测算结果，确定电站装机容量为195MW，采用3台机方案、机组选型为HL96-LJ-210，多年平均发电量为7.155亿kW·h，装机年利用小时为3669h。施工总工期为55个月，包含12个月准备工期、42个月主体工程施工工期以及1个月完建工期。

1.2施工总布置方案

1.2.1砂石与混凝土系统在渠首、厂址处分别布置1#、2#砂石加工厂，两砂石加工厂处理能力分别为100t/h和60t/h，用于筛分三级砾石、天然砂石共4种工程主体与支洞临建混凝土所需的成品骨料。同时，在渠首、1#～4#引水洞支洞口、电站厂房处共布置6座混凝土生产系统，用于承担不同施工区的混凝土拌和任务。1.2.2施工管理与生活区设置该电站工程施工现场分5个区域设置施工管理与生活区，其中1#区位于渠首附近，为控制闸、进水闸、明渠、无压埋涵、压力前池、引水洞进口及1#支洞提供施工服务；2#~4#区分别布设在各支洞口周围，用于辅助日常施工生产及生活各项活动的开展；5#区布置在厂房附近，服务于厂房及引水洞压力钢管段施工。1.2.3施工占地与弃渣场布置该水电站施工现场占地面积为164.7hm2，其中料场占地面积44.7hm2，存渣场占地7.3hm2，弃渣场占地50.6hm2，道路占地50.9hm2，生产、生活设施占地18.5hm2。

2BIM应用思路与技术路线

2.1研究内容

根据国内现有水利水电工程特征与项目管理经验，拟以该水电站施工总布置设计与实施为切入点，引入BIM技术探索该水电站施工总布置由二维集成向三维信息化转型的具体应用方法及实施路径，在此过程中基于多专业视角进行施工总布置BIM协同设计方案及管理模式的构建与分析，致力于最大限度克服以往二维设计环节存在的单线串联、工序交叉、效率低下等实际问题。将研究内容大体分为以下五个方面：（1）将不同专业、不同工序涉及的各类模型进行归纳整理，生成统一的建模标准，由此将BIM协同设计流程进行规范化处理，依托不同环节的高效配合实施，有效解决构建大型水电站施工模型环节面临的难题。（2）由于水电站施工总布置涉及多专业、多工序的协同管控问题，在BIM模型中将不同专业、工序模型之间建立可视化连接，即可实现对水电站施工的协调设计，在此过程中克服多专业协调难题，为工程设计及管理效率的提升提供技术支持。（3）在完成水电站施工项目单项模型构建的前提下，通过运用BIM技术提供的协同控制功能，可将同一工程项目中具有相同信息属性的施工区域地形、水文、土方开挖量/回填量等信息自动生成，并实现在模型内位置的自动查找与协同布置，生成的施工总布置3D模型可提供精确三维坐标，支持在前期设计方案审核、施工前技术交底等环节进行虚拟化施工场地的漫游，供相关作业人员由涵洞、水闸、坝体至施工现场各区域进行可视化漫游，从而在最短时间内掌握项目建设区域内的整体与细部面貌。（4）将设计文件导入BIM模型中，支持在联网后进行文件内容的自动更新，同时提供可视化检索功能，在输入相关文件信息后可生成设计模型的缩略图及文件属性信息，避免因不同设计模型混淆产生干扰问题，并有效规避重复设计情况的发生，进一步拓宽BIM应用范围、辅助提升水利水电工程的设计效率。（5）BIM模型支持对施工现场场景的可视化再现，便于辅助工程相关人员进行设计方案、成本方案、进度计划的综合比选，并且依托参数化、信息化功能满足实际施工环节的现场管控、责任划分、作业内容交底等需求，辅助提升水电站工程项目管理水平。

2.2技术路线

采用PW作为协同设计平台，综合应用Revit、Civil3D多种BIM建模软件，配合AIM可视化工具包的应用，确定的BIM应用技术路径如下：2.2.1WBS任务分解考虑到在以往施工总布置环节，在同一设计节点仅支持1人完成图纸设计工作，将若干节点数据、文件汇总后将增加系统整体运行压力、削弱系统运行稳定性，加之不同工序间的串联设计将面临上一工序修改、后续工序均需变更等问题，易增加重复设计概率，并进一步影响整体设计效率。基于此，该项目中拟引入WBS理论进行水电站工程施工总布置设计任务的分解，建立“项目→任务→工作→活动”的任务分解结构。为克服原有单线串联带来的重复设计、设计变更等问题，拟基于统一建模标准建立全新的施工总布置设计管理结构，以中心任务为核心，从中分解出专业1、专业2至专业n，在各专业之下分别对应设计者1、设计者2以及设计者n，将不同设计者的反馈结果进行汇总，即可实现对施工总布置设计任务的协同控制，以此实现对项目设计过程的标准化管理。该WBS分解结构可最大限度消除水电站项目施工总布置设计过程中的等待工序，且最终形成的文件规模较小，可有效提升处理效率。2.2.2协同管控基于PW协同设计平台进行工程设计文件的分类与定义，支持对水电站工程项目整体设计实施过程的跟踪监控，并结合实际需求进行不同专业、不同人员任务量的动态调节。在利用该平台进行设计信息的协同管理与控制时，需依托WBS任务分解工具进行施工总平面布置设计任务的分解与逐级下达，通过在平台中建立任务分解目录，针对不同任务进行内容分解与权限设计，依据使用、管理、存储的顺序进行项目设计过程的规范化管控，有效提升设计文件的使用率，并基于权限设置保证信息安全。2.2.3BIM建模与集成根据该水电站工程施工总布置设计任务的具体内容，可将其划分为枢纽布置、施工导流、主体结构、场内交通、渣场料场布置专业，各专业间彼此相互关联，致力于实现对设计文件与信息的同步控制与互联共享。基于协同设计中的设计标准统一原则，需综合考虑不同软件间的兼容性、不同格式文件转换、数据单位统一等应用要求，完成BIM应用方案的初步设计。例如在该水电站工程施工总布置设计环节，在枢纽布置专业之下划分出有压引水建筑物发电、厂房结构协调等工作，在施工导流专业之下引出围堰设计、导流布置等工作，在主体结构之下引申出引水隧洞开挖、洞内出渣、混凝土等工作，在场内交通之下引出物资转运站，在渣场料场布置之下划分出渣场、料场等。通过建立BIM应用方案图，可实现对模型中不同工作、活动的信息化处理，并建立各工作、活动之间的可视化连接。当涉及设计变更问题时，仅需由设计人员对局部信息或数据进行修改，即可利用模型功能进行文件、图纸、报告的关联更新，保证实现对各专业内容的一体化修改，使水电站单项设计任务与整体管控工作实现有机融合。

3施工总布置BIM协同设计

3.1枢纽布置

将AIM与Civil3D应用于该项目中无坝引水方案中枢纽布置环节，主要建筑物包含进水口、隧洞、调压室及压力管道四个部分，利用其强大地形处理功能进行建筑物布置区域的快速规划与直观表达，将控制闸、进水闸、无压渠涵、压力前池、有压引水隧洞、调压室与压力管道均设置在河道左岸。其中无压引水段首起下坂地电站尾水渠、沿河流左岸山脚与公路之间布置，经协力波斯沟后到达沟口下游，与压力前池衔接，全长为1685m；压力前池紧靠协力波斯沟口下游的有压隧洞进水口布置，总长85m、净宽12.4m；有压引水隧洞布置在河道左岸，洞线靠河岸布置，隧洞总长度15938.9m、内径4.7m；调压室、压力管道、电站厂址及厂房均布置在左岸地形宽阔区域，并基于Revit进行厂房结构、压力管道等细部的参数化设计，实现自动出图。

3.2施工导流

采用Civil3D软件建立精确的导流设计方案，依据水流对于无坝引水实施环节可能造成的影响，借助AIM工具进行数据可视化展示，由此施工导流设计划分为三部分，其中协力波斯沟渠首段的底部高程最低值为2730m，1#支洞进口处的底部高程为2715m，地面厂房的最低开挖高程为2350m，在上述部位的实际施工环节需重点考虑基坑排水及内部防渗问题。

3.3主体结构

基于Civil3D与AIM平台生成主体结构设计方案，同时根据土方开挖量、施工工艺方法进行施工支洞布局与断面规格参数的计算，与施工工期、费用、施工机械及工具施工情况等进行关联，完成主体结构设计方案整体与分项施工任务的部署。该项目中引水隧洞全长为15.936km，隧洞开挖量为48.06万m3，选用钻爆法作为施工工艺，共布置4个净断面为7×6m的施工支洞，其中开挖循环进尺为3m，洞挖、衬砌进尺平均值分别为130m/月和120m/月，结合冬季不停工作业条件计算出施工工期约为50个月，并将工期进度细化分解至具体工序及专业，为后续施工进度管理提供可靠参考。

3.4场内交通

利用Civil3D软件的地形处理功能建立装配模型，实现对场内道路挖填曲面的快速生成，完成道路、桥梁、公路隧洞工程量的精确计算，并通过AIM软件进行直观表达。该项目中施工所需运输外来物资总量为32万t，根据货运总量选定在喀什火车站附近租用场地作为物资转运站，由此生成两条场内交通路线，其中推荐路线为“喀什→塔什库尔干→坝址”，全长322km；备用路线为“喀什→莎车→厂址”，全长422km。

3.5渣场料场布置

采用Civil3D软件进行渣场、料场三维设计与工程量计算，该项目中以渣场为主要布置对象，基于分散布置原则进行存渣场、弃渣场布局设计，将其分别布置在渠首、厂址及各支洞口附近，引水隧洞内施工时选用5t电瓶机车牵引8m3梭车进行洞内出渣，洞外利用2m3装载机装渣，并依托20t自卸汽车将其运送至指定渣场。

3.6可视化与信息化

通过运用BIM技术进行水电站工程施工总布置设计，基于信息化建模方法进行设计文件、信息的同步关联，支持提供碰撞检查、漫游浏览与动画效果输出等功能，有效提升不同专业的协同设计效率、节约跨专业交流成本，配合漫游功能实现对场地整体及细部面貌的可视化呈现。

4结论

通过引入BIM模型进行水电站施工总布置设计，实现设计理念、设计效率、设计质量与设计表达效果的整体优化与提升，后续对该项目进行技术经济性评价可知，该水电站工程的技术指标、经济指标均优越，单位千瓦静态投资为7064元/kW、单位电能投资为1.926元/kW·h，建成后为区域发电做出重要贡献。

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作者：李学彪 单位：新华电力发展投资有限公司