摘要：在社会各行各业都在进行产业转型和升级的今天，建筑行业新型信息技术——建筑信息模型技术(BIM)成为实现建筑产业信息化的关键技术。在当今水利工程的建设过程中，参与的部门和专业众多且工期较长，设计复杂，投资大等特点。同时还受到所在区域的社会，人文和经济环境的影响;且传统的项目管理方式已经不满足现在的政策和环境要求，需要运用新型技术进行水利行业的产业升级。基于此，本文从新型建造方式出发，以奋斗水库为例，利用新技术和新理念，采用BIM技术探究寒区水库初步设计和施工图设计进行运维数字化研究，使传统水利工程升级为绿色水利工程，降低传统模式的运维成本和为建设智慧水库提供一定的理论依据和技术支持。
关键词：新型建造技术,BIM,智慧水利
1 新型建造技术与智慧水利工程
1.1 新型建造技术
随着当今经济社会的快速发展和城市化进程的不断加速,城市人口随之激增,出现了住房供应不足、居住环境及条件逐步恶化、城市资源供应不足等社会问题。城市基建发展滞后的城市化进程速度的问题日渐凸显。尤其体现在传统建造方式上,其粗放管理、劳动密集、技术粗糙的特点,带来建造周期较长、产业现代化程度不高且对环境的破坏较大等世界性难题。基于此,各国根据本国国情提出了一些相应的新型建造方式[1]。是以“绿色”为前提,以“智慧”为手段,以“工业”为方式,实现“节能环保,提高效率,提升品质,保障安全”的新型工程建设组织模式。
1.2 智慧水利
水利工程,属于基础设施工程范畴,其参建单位(部门)和涉及专业众多、建筑物体型大、设计复杂、多地下结构。因此,水利工程在工程全生命周期(勘察、设计、施工、运营维护、拆除)中产生的信息量(工程信息和管理信息)是巨大的。而相较于传统建造方式,新型建造方式更环境友好,管理高效透明。基于高新技术武装水利工程,将产生的信息形成闭环,消除信息孤岛,从而将传统的水利工程升级为数字水利工程,进而发展为智慧水利工程。
1.3 新型建造技术的应用
BIM(Building Information Modeling)即建筑信息模型技术,以三维数字技术为基础,集成项目全生命周期中所产生的全部有效信息。完善设计、生产、管理、服务各个环节的数据连接,使在项目实施的各个阶段的实体和功能都有完整的数字化表达。具有协同性、可视化、模拟性三大特点。同时在项目全产业链中,从上游的项目建议书和可行性报告,到中游的勘察设计,到下游的施工和设备运营维护,全部工作都留有痕迹,反向促进建造行业的管理体系升级。
当前,在设计企业在初设阶段用BIM技术[2]进行造型、空间等分析外,还可进行能耗、成本分析,使初设方案更具有科学性。运用BIM技术进行协同设计,可使设计重心前移,使设计师更注重设计本身而不是繁琐而重复的出图过程,同时进行各专业的碰撞检查生成高质量的施工图。施工企业在施工过程中运用BIM技术:(1)检查错漏碰缺。最大程度减少返工;(2)模拟施工,多维管理。有效协同各参建单位的施工任务;(3)模型漫游,VR安全教育。所见即所建,做到预施工,从而防患于未然。
GIS(Geography Information System)即地理信息系统技术,是以测绘测量为基础,以地理空间数据为操作对象,以计算机语言为平台的分析技术,主要依据无人机测绘生成DEM(Digital Elevation Model)和无人机建模生成大范围的城市模型。BIM数据作为GIS数据的重要来源,可生成三维城市模型,GIS数据也可作为BIM模型的空间数据[3]。
因此,建立以BIM技术+GIS技术为数据基础,利用新技术和新理念,结合传统工程经验。构建基于现有设计软件为工具[4],以参数化模型和构件库为资源,辅以新技术使传统水利工程升级为绿色水利工程,运用新工具使水利工程行业建造技术升级为智慧水利建造技术,工程各个阶段信息数据的可查询性为水利工程的运营管理提供便利。
2 项目应用
2.1 项目概况
奋斗水库行政区划属于黑龙江省穆棱市,距穆棱镇东南14.1公里的穆棱河干流上游,地理坐标东经130°16',北纬44°28',坝址以上流域面积1740平方公里。奋斗水库工程是以城镇供水为主、结合防洪、兼顾灌溉和发电等综合利用的工程。水库校核水位385.85米,水库总库容为1.91亿立方米,为大(2)型,属Ⅱ等工程,正常蓄水位382.0米,防洪库容0.25亿立方米,为多年调节水库。
奋斗水库工程是国家“十三五”期间172项重大水利项目之一,水库拦河坝采用碾压式混凝土重力坝,是黑龙江省第一座碾压混凝土重力坝,其鱼道工程是黑龙江省第一个施工的过鱼设施,也是中国为数不多的高寒地区碾压混凝土重力坝。该水库首次采用BIM技术进行了初步设计和施工图设计,并开发了运维数字化移交系统,将是黑龙江省第一个采用BIM全生命周期技术的大型水利水电工程。
2.2 BIM技术应用
(1)全专业协同设计———完成多专业复合特点的水利水电工程设计
奋斗水库工程是以城镇供水为主、结合防洪、兼顾灌溉和发电等综合利用的工程。因此,项目负责人制定三维工作大纲后,各专业在Bentley平台下ProjectWise协同平台下,根据设计院标准文件开展三维设计工作,各专业相互参考,协同设计。将以往在施工阶段才能发现的问题及时在模型中得到修正,模型总装后进行会审,模型固化后进行二维图纸的抽取、统计工程量。
(2)三维地质模型———复杂水利水电工程地质解决方案
通过GIS工程地质数据库实现对项目勘查和地质数据的管理和查询,同时可以实现工程数据管理、三维地质建模以及分析、出图一体化的工程地质设计和管理。奋斗水库三维地质模型是依据初设阶段的地勘数据建立的,供后续水工、施工专业应用。
(3)CAD/CAE一体化设计
奋斗水库大坝碾压混凝土施工采用通仓碾压,最大坝高45.9米,在大坝建成初期以及水库蓄水之后,坝体坝趾、坝踵、孔洞周围易出现应力集中情况,因此,需要应用三维模型导入有限元分析软件中进行坝体应力应变分析,简化了以往需要在有限元分析软件中进行建模的过程。
(4)三维配筋———满足施工图阶段最后一公里需求
AglosRebar是以MicroStation为基础图形平台开发的大体积混凝土结构的三维配筋,遵循行业规范要求以及设计院的工作习惯,能够实现钢筋表自动统计、自动生成满足规范的钢筋图、自动标注、模版化配筋。在施工图阶段,根据优化后的初设阶段模型进行三维配筋、二维出图,交付施工单位实施大幅度提升了设计院施工图出图效率。奋斗水库施工图90%由三维配筋软件完成。
(5)机电金全专业综合应用———模型指导现场施工
奋斗水库发电厂房内除板、梁、柱等结构外,还有大量的其他专业的设备,水机的油气水管路以及电气的电缆支架、桥架更是纵横分布,二维图纸很难表达清晰,现场施工安装时容易出错。在奋斗水库施工图设计阶段,运用SolidWorks建立机电金模型,并对于布置复杂的空间结构进行精细化模拟和仿真,以“所见即所建”的方式指导施工。施工现场可以通过网络由移动终端访问设计施工一体化平台进行模型属性查询,大大提高现场解决问题的效率。
(6)BIM+信息化,搭建运行维护管理平台
奋斗水库运行维护平台是基于最新的B/S架构技术搭建,使用Webservice提供数据中心服务;使用WEBGL的方式展示模型,无需安装插件可以在浏览器中浏览BIM模型,可以将多种数据格式进行轻量化。奋斗水库运行维护平台在三维模型基础上关联工程信息及图文资料,构建BIM移交系统,应用于项目施工和运维管理阶段。该平台提升了建设资料的完整性和标准化程度,降低了基于不完整数据的决策风险,改善了运维工作的技术知识积累模式,减少了传统模式的运维成本。
2.3 新型建造技术效益
(1)通过录入地勘资料,建立奋斗水库工程三维地质模型,清晰表达出全、强、弱风化岩石的界限以及各断层、破碎带的位置、范围、走向等,使重力坝各坝段建基面设计更合理,计算开挖工程量更为方便、准确,既保证了结构安全又使工程造价得到了优化,这是以往二维设计手段难以做到的。初设阶段风化料开挖2.8万立方米,大坝混凝土4.9万立方米,相比可研阶段分别减少了21%和19%。
(2)奋斗水库鱼道工程最大设计水头差达32.43米,鱼道竖缝流速为1.0米/秒,鱼道总长2200.9米。鱼道的布置难度较大,且混凝土和开挖工程量大,通过三维地形、地质模型,则很好地解决了鱼道布置、基础建基面等问题。初设阶段风化料开挖13.9万立方米,鱼道混凝土2.8 万立方米,相比可研阶段分别减少了23%和24%。
(3)作为全省第一座碾压混凝土重力坝,奋斗水库坝址区极端气温低于零下40度,这种高寒地区碾压混凝土坝的温度控制和保护措施在全国都是先例,因此需要细化温控标准及施工期温控措施、越冬层面保温及永久保温措施。通过采用Bentley日照分析软件,选择典型天气进行最大日照分析,从而为进行坝体区的温度场、温度应力计算提供参数,进而提出可靠的温控防裂措施。
(4)奋斗水库采用全专业三维协同设计,厂房、水机、电气、金属结构等电站厂房相关专业在Projectwise协同平台下开展设计工作,三维模型因为真实准确的表达了各个专业的模型,在模型完成“错、漏、碰”检查、合理性检查、优化布置后,在三维模型中抽取形成的二维图纸可不再会签,节省了会签的时间。奋斗水库较其他大型枢纽工程,初设周期缩短了近1周,施工图缩短了2周,随着三维协同设计经验的积累,这种对比将愈加明显。
结论与展望
新型技术结合传统行业,既是对传统的传承和发展,也是对前沿技术的肯定和支持。建造行业产能巨大,社会影响力深远,要大力推进产业信息化和技术升级,进而建立在新技术革命下的管理体系。BIM技术属于建造行业本身的技术升级,结合其他行业的技术应用,能够完善建造行业本身的不足,这其中的每一项都值得进行更深入的研究。
参考文献
[1]毛志兵，李云贵，郭海山等．建筑工程新型建造方式[M].2018,11.
[2]梁春光，陶玉波，郭莉莉．BIM技术在国际工程凯乐塔水利枢纽项目中的设计与应用[J]．河南科技，2016(19):36-40.
[3]潘飞，张社荣．基于3D WebGIS的土木水利工程BIM集成和管理研究[J]．计算机应用与软件，2018,35(04):69-74+136.
[4]何关培．BIM和BIM相关软件[J]．土木建筑工程信息技术，2010,2(04):110-117.
