1  概述

近年來,我國的水利水電工程建設技術取得了重要突破,建成了三峽、二灘、小浪底等一批具有世界先進水平的水 利工程。2015 年 2 月習近平總書記提出了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路。今后一個時期將是 我國水利水電工程設計和建設的高峰期,水利建設方面將加快推進 172 項重大節水供水水利工程建設,水電建設方面將 重點建設大型水電基地。但目前水利水電工程項目面臨周期短、任務緊、難度大等問題,傳統的設計手段制約了工程建 設進度和質量。因此,利用信息技術手段來改進工程的勘察、設計、建造和管理的做法,受到行業的普遍認可。2015 年 9 月水利部水利水電規劃設計總院和中國水利勘測設計協會聯合組成調研組,對中水北方勘測設計研究有限責任公司等 4 家單位進行了現場調研,同時向湖北省水利勘測設計研究院等 22 家單位發放了問卷調查。從調研情況看,水利水 電勘測設計階段已開始大量采用先進的信息模型技術,而且該技術未來將延續至工程的全生命周期。現將有關情況和建 議報告如下:

2  三維協同設計應用基本情況

我國水利水電勘測設計行業經歷了 3 個技術發展階段,從最初采用手工繪圖,到本世紀初“甩圖版”,直至 2005 年 部分大型設計單位著手研究的“三維協同設計”系統,一步步建立了革命性的全新設計方式,實現了無圖板設計、無紙辦 公、無時空限制的“三無”生產,獲得良好的技術經濟效益。

2.1 三維設計系統應用十分迫切

設計是工程建設的靈魂,其質量的優劣關乎到工程建設質量的高低。由設計作為工程建設的龍頭,可以通過改進設 計技術手段,提高工作效率,保證工程質量與安全。三維協同設計在統一的可視化設計平臺上共享數據、信息和知識。據統計,采用三維協同設計,設計效率可提高

2.2 國家對應用三維設計系統的要求

近年來,工程建設行業對三維協同設計的認識和應用有序推進,取得了良好的經濟和社會效益。住房和城鄉建設部 先后出臺《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》等多項文件。要求通過倡導行業服務,加強政策引導,完善相關法 律法規等舉措推進 BIM 在全國的應用。并建立了明確的行動目標:到 2020 年甲級勘測設計單位,將實現 BIM 和企業管 理系統融合的一體化集成應用;國有投資的大中型建筑中,不少于 90%的新立項目的勘察、設計、施工和運維集成應用

BIM。

40%,設計變更修改率降低 80%,對地形地質條件復雜、水工結構多樣的水利水電工程,它具有可視化、多專業協同、 高仿真模擬、便于工程優化等特點,是工程設計技術發展的必然趨勢。

2.3 水利行業三維設計系統的引進和開發情況

水利工程具有建筑物多、結構復雜、形狀異化等特點,三維設計推進較難,但由于其應用效果顯著,設計單位耗費 巨資爭相引進。長江勘測規劃設計研究院引進了 CATIA 設計平臺,中水北方勘測設計研究有限責任公司引進了 Bentley 設計平臺,多家省院在 AutoDesk 設計平臺上開展了三維設計的嘗試,取得了較好的效果。但由于應用主要停留在前期 比選階段,深度不夠,未能發揮軟件的真正效能,難以形成生產力。

各設計單位逐步開展了三維設計技術的研發和應用。部分單位已經在成熟的商業軟件基礎上,開發了適合水利水電 工程設計的專業軟件,如“大壩三維協同設計系統”、 “隧洞三維協同設計系統”等支持大壩、隧洞的參數化設計。

3 國內水利水電行業設計單位三維設計的使用情況 鑒于行業特點、基礎軟件、硬件環境、資金使用等原因,三維協同設計技術在水利行業中,從研究到實際應用階段,面臨著較多難題,較建筑、火電、核電等領域發展緩慢。目前形成了“ABC”三個陣營,即 AUTODESK、BENTLEY、CATIA 三維設計平臺。

3.1 基于 AUTODESK 公司的三維設計平臺

隨著三維時代的到來,AutoDesk 公司提出了針對基礎設施的 BIM 解決方案,開發了 IDS 設計套件,在水利工程建設行業普遍應用。其最大特點就是延續了大多數設計者的軟件使用習慣和操作界面。  BIM 技術涉及多專業、多領域的綜合應用,其實現方式必定是多種軟件工具相互配合的結果,具體表現為:(1)設計套件內部的數據交換,歐特克自身的軟件系統中各產品可實現信息間的有效傳遞,形成了基于智能模型的數據信息交互流程。(2)BIM 系統平臺與外部 系統的數據交換,根據不同的工程目的和設計階段生成符合不同應用要求及具有不同深度的模型。

舉例說明:大體積混凝土配筋系統。在水利水電行業,存在大量結構形態比較特殊的混凝土結構,由于體型巨大且異 型,一直采用分段、分塊繪制的方式。基于 Revit 可以方便的創建此類結構模型,但對于異型混凝土結構的配筋支持技 術不強,無法達到異型大體積混凝土實際設計的需要,于是在 Revit 平臺基礎上又開發出了一套基于結構體型和特征面的靈活三維配筋系統,以滿足水利水電行業對于大體積混凝土結構的建模、配筋、自動統計及出圖需要。如圖所示。



3.2 基于 Bentley 公司的三維設計平臺

Bentley 公司構建了水利水電工程三維數字化設計平臺(HydroStation),提出了覆蓋工程設計全專業、全過程的 三維協同設計解決方案。該平臺系統目前包括地質三維勘察設計系統、樞紐三維設計系統、工廠三維設計系統、混凝土 配筋三維設計系統、參數化設備及元件庫等基礎服務組件。2009 年以來,HydroStation 項目實現產業化,在行業一定 范圍內應用。具有代表性的平臺有:地質三維勘察設計系統和三維配筋設計系統。多家使用 bentley 平臺的單位簽訂了共享協議,在三維設計技術交流、生產管理體系、技術方法咨詢等方面為各單 位互相幫助,積極將研究成果應用于多個大型水電水利工程項目。例如,中南勘測設計研究院將平臺部分成果應用于龍 盤水電站等水電工程項目;昆明勘測設計研究院應用于西藏旁多水電站。廣西電力工業勘察設計研究院等 10 余家單位均由華東院提供三維設計咨詢服務,有關研究成果也在各類工程項目中開展應用。

3.3 基于 CATIA 的三維設計平臺

達索公司的 CATIA 系列產品作為主體三維設計基礎平臺在水利水電工程全生命周期、項目資產管理、專業協同、 三維配筋開發等方面取得了積極成果。在生產流程管理方面,利用 MaxtriOne 平臺,在壩工三維協同設計項目實施過程 中進行計劃、產品、過程和資源等方面管理。在協同設計方面,利用達索 ENOVIAV5 虛擬產品管理解決方案 VPM,搭 建 “在線設計”協同平臺,進行設計任務分配和設計數據動態歸檔。此平臺具有的實時協同、在線設計的特點,可以提高 協同工作效率,保證數據單源性和實時更新。在成果輸出方面,設計人員可以完成三維模型建立,也可以生成二維線框 圖,并進行詳細標注。對于二次開發,目前國內設計單位利用 CAA 自主開發了生成指定格式的地表模型、拱肩槽開挖模型、綜合變模計算接口輸入文件、滑塊穩定分析接口及配筋系統 HydroRebar。

3.4 混合應用的三維設計平臺

由于各單位目前的業務已經不局限于水利水電工程,在地鐵、建筑、風電、環境等工程領域的需求不斷加大,對模 型平臺提出了不同要求。根據實際工作需求,各單位基本均采用兩個以上的三維設計平臺,應對市場競爭。這種模式要 求對不同格式的模型進行相互轉換,投入多,技術難度大,因此成果較少。目前比較成熟的是“水工結構三維可視化 CAD 系統”,該系統基于底層開發,靈活自主性強,能兼容“ABC”等各主流三維平臺的模型文件,其三維和二維開發技術體現了行業的較高水平。


3.5 大型水利工程三維設計的應用情況

三維設計在我國水利、水電、水務等各種涉水項目的前期規劃、方案比選、工程設計、施工模擬、運行管理等工程 各個階段已有不同程度的應用。我們在 106 家水利勘測甲級設計單位中抽取了 26 家進行調研。結果表明,各單位均開展或接觸過三維設計,但應 用水平相差懸殊,僅 1 家單位在全過程,占比 3.8%;全項目開展三維設計,4 家單位開展了全過程的三維設計,但并未在全部項目中應用,占比 15.4%;21 家單位在個別項目的單個階段開展了三維設計。占比 80.8%。比例分析如圖所示。




26 家設計單位均認為,三維設計應用價值很大。但由于技術水平、業主需求、資金投入、工程適用性等種種原因,三維設計在全國在建水利水電工程中應用的比例并不高。在前期工作中開展三維設計的項目占 5%,在工程施工階段開展 三維設計的不足 1%。下面將以兩個典型案例具體分析說明。

(1)魯甸紅石巖堰塞湖應急搶險與永久整治工程 紅石巖堰塞湖為魯甸地震形成的大型堰塞湖災害,極高危險級,風險等級 I 級,其超過 130 米高度的堰塞體防滲處理、右岸 620 米高的高邊坡整治、左岸 5670 萬立方米的古滑坡處理等,均為世界性難題,無先例可循。 魯甸地震發生后,經專家學者現場調研和科學論證,確定了紅石巖堰塞湖整治方案:在原址修建大型水利、水電工程,發揮防災、供水雙重效益。該方案是典型的缺乏信息條件下前 期勘察設計,利用傳統設計手段幾乎是不能完成的任務。但采用三維協同設計后,利用互聯網、 衛星等獲取的地形、水文、地質等基礎數據,進行處理、轉化,快速、高效、低成本的完成了全部前期勘察設計工作的技術。


紅石巖堰塞湖應急搶險與永久整治工程樞紐布置圖


(2)滇中引水工程 滇中引水工程是大型引調水工程,以城鎮生活與工業供水為主,兼顧農業和生態用水。工程建筑物多樣,地域范圍廣,利用三維協同設計可以更加直觀清晰的表達設計意圖。設計只需要一次建模后,就可以解決施工和運行管理等各階段的虛擬仿真,為水利工程設計、施工、運營的精細化管理提供了技術手段。



滇中引項目型引建筑構件圖


4  問題及對策

水利水電行業三維設計雖然取得了一定的成績,但仍然面臨著時間緊迫、標準化工作現狀不適應新的設計理念和技 術、缺少成果共享機制、人才短缺等問題。各單位應抓住水利水電建設高峰期這一歷史機遇,積極拓展合作方式,創新 運作模式,升級設計手段,完成技術積累,提高市場競爭力。

4.1 創新意識不強,技術推廣遲緩

目前很多設計院都開展了三維設計工作,但是多數設計者對三維設計缺乏深入理解,認為僅僅是三維建模而已。建議加強行業的理論和技術培訓。

4.2 技術標準短缺,平臺應用受限

經過近十年摸索式發展,三維設計軟件平臺將在相當長的時間內處于“ABC 三足鼎立”的現狀,整個水利水電行業仍 沒有形成針對三維設計技術標準,不利于技術的推廣普及。建議盡快開展三維設計標準研究及編制工作,將三維設計經 驗規范化,建立三維設計資源標準、立三維設計行為標準和三維設計交付標準,從而指導水利水電行業三維設計技術的應用和開發,規范各專業三維設計流程和成果管理。

4.3 投入資金巨大,企業不堪重負

當前,我國水利水電勘測設計甲級資質設計單位有 106 家,乙級資質以上有 300 余家,從業人員七萬余人,每年完成設計投資額約 5000 億。由于水利水電行業的專業眾多,設計院勢單力薄,由于需要巨額投資,僅有寥寥幾家實力強大 的電建集團能夠真正將三維協同設計應用于實際工程設計和施工過程。建議集中行業力量,合作完成三維設計流程、協 同過程、三維模型建立、設計成果輸出、后期渲染動畫、機電元件庫等方面基礎性、可復用性的工作,降低門檻,使眾 多中小設計院也能實現三維協同設計,為水利水電工程三維設計提供技術支撐。

4.4 人才儲備匱乏,行業指導不足

三維設計在工程建設行業已經取得了共識,但掌握三維設計的人才在相當長的一段時間內將處于短缺狀態,主要為專家型、開發型和熟練掌握設計軟件的,即 BIM 工程師、BIM 項目經理、BIM 數據管理員、BIM 開發人員。建議加強人 才培養,集中開發建立一批三維建模、三維設計二次開發、三維設計軟件應用等課件,開展行業內培訓。

5  有關建議

5.1 組織編制并盡快出臺行業 BIM 指導意見

由行業主管部門牽頭,組織各單位借鑒其他行業的經驗,研究制定 BIM 實施路線圖,建立 BIM 應用標準體系和數 據資源服務平臺。同時,政府部門出臺相關政策,加強技術培訓,推進行業服務,加強相關業務指導。

5.2 建立三維設計協作機制和三維設計聯盟 建立三維設計協作機制和三維設計聯盟,使設計院明確三維設計發展戰略方向,加快形成體系化的行業 BIM 技術平臺,降低技術門檻,少走彎路,減少重復投資。建立 BIM 合作、共享平臺,深化基于 BIM 的三維協同設計的技術研究,解決 共性問題,研究相關標準,對內群策群力,共同發展,對外形成合力,增強行業話語權。同時,充分發揮行業內先行設 計院的優勢,在經驗分享、回避彎路的同時,鼓勵技術創新,推進行業基于 BIM 的三維協同設計的發展,推進全行業 BIM 應用的發展。

5.3 創新設計理念,構建勘測設計云 采用云計算技術為工具,對傳統水利水電工程勘測設計工作的全過程進行優化,打造“勘測設計云”中心。從勘測基礎數據的傳輸與共享、快速自動生成勘測成果、提供海量的通用模型庫,提升設計工作效率等方面提升勘測設計工作水 平。全國 300 多家水利設計單位可以通過云中心,進行不同專業、不同單位之間的云協同工作,促進行業之間的交流和資源共享,提升整個水利行業的生產力和服務水平。






調研報告作者:劉志明、尹迅飛、何定恩、劉輝、陳雷、呂潔




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