BIM技术在水电工程机电设计中的研究与应用

朱 毅，孙立鹏，孙文彬

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

随着 “数字中国”国家战略的实施，水电水利工程建设行业以数字信息技术驱动工程智能化建设、电厂智慧化运维的条件已经日趋成熟。业内对数字化、信息化、智能化、智慧化的具体应用目标和实施路径也日益明晰，发展方向更是随着科技的进步及行业对其的认知加深在不断的升级，持续的变化。从最初的BIM技术致力于传统勘察设计技术的数字赋能逐渐向通过新工具、新手段、新技术孵化创造新业务、新设备、新应用、新项目转变，逐渐呈现出了“业务数字化”和 “数字化业务”双轮驱动、互补前进的态势。其中水电水利工程机电专业因其在数字化、信息化、智能化、智慧化业务中所扮演的典型角色，BIM技术在工程机电领域全生命周期各阶段均有着广泛的应用。智慧电厂运维管控、机电安装智能建造、智能新设备的选型使用、老旧电厂智能升级改造、设备管线标准工艺优化设计、信息模型轻量化交付交互、设备检修及安装虚拟仿真等，均是通过数字化、信息化技术的发展而新出现的机电专有典型业务。

本文以两河口水电工程基于BIM技术的三维正向协同设计应用实践作为切入点，重点阐述三维正向协同设计的基础建设、流程优化和实践总结，并对以数字化设计成果为源头的工程全生命周期信息化应用进行了探索和思考，为未来BIM技术与水利水电工程专业设计的深度融合与应用提供参考[1]。

两河口水电工程为我国第三大水电能源基地雅砻江干流中游的控制性水库电站工程，位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，地下厂房内安装6台单机容量为500MW的水轮发电机组。两河口工程实现了全面的三维正向协同设计，并在模型整体总装轻量化交付、三维设计流程优化、模型成果质量的标准化、模型的深化设计应用、全要素的智能机电工程管控系统等领域进行了实践应用和探索研究。

随着水电站机电工程新技术、新工艺、新设备的不断涌现，传统的二维设计模式已经不能满足现在及未来水电工程建设的要求[2]。三维正向协同设计首先是工程语言从二维图纸向三维数字化表达的转变，其次是计算机辅助绘图向计算机辅助设计的质变，更重要的是数字化设计向智能化设计的发展[3]。三维正向协同设计不仅能在三维环境中表达工程全部的几何外观和设计构想，还能通过模型中载入的数据在整个设计过程进行持续的优化分析与方案对比，为工程建设的决策提供科学依据，降低实施风险[4-5]。同时，三维协同设计可以充分发挥BIM模型多专业协同的优势，通过数据的共享、信息的流通，减少设计工作中人为误差，避免错漏碰缺，打造优化、深化、标准化的设计服务和各类信息化应用的基础[6-9]。

2.1 正向设计的特点

两河口水电工程的设计全过程均在三维环境中开展，设计过程的相关信息均通过模型承载和传递，主要体现在:

(1)设计意图直接通过模型体现，模型的创建过程亦是设计的过程。

(2)在三维环境中进行性能指标计算复核及设计成果的校审检查等。

(3)以模型为载体进行设计方案的技术交底及成果轻量化交付。

(4)模型不仅具有出图所需的外观几何信息，还承载了设备及管线的相关主要技术参数信息。

(5)模型与图纸具有联动关系，图纸是由模型直接剖切所得，保证图模一致。

(6)材料表是由模型承载的不同信息通过分层过滤自动分类统计生成。

(7)模型及其所承载的信息具有可传递性，可直接或间接用于工程中多种BIM业务的应用而不需要重新建模。

图1为两河口水电工程主厂房、母线洞、主变洞三个地下洞室隐藏土建模型后机电多专业三维正向协同设计的总装模型。

图1 两河口水电站三维正向设计部分机电模型

2.2 协同设计的特点

两河口水电站机电工程协同设计包含水力机械、电气一次、电气二次、通信工程、金属结构、暖通工程、给排水及输变电工程八个专业，机电工程外的协同设计涉及厂房、坝工、建筑、结构、水道等其他专业以及各个设备供应厂商。

(1)专业内协同

两河口水电工程机电专业内协同设计的重点是约束每一位设计人员均应在统一的标准建模环境和操作界面中开展三维协同正向设计工作，并且保证不同设计人员所建模型之间的接口格式和属性一致，专业内提交的各个模型成果具有统一性和规范性[10]。

(2)专业外协同

由于不同的设计专业以及各个设备供应厂商采用的三维设计软件均不相同，故需在专业内的协同成果基础之上，将专业外协同的重点放在约定各相关方协同工作的方式、流程和模型数据格式上，通过协同设计并行工作的优势，保证信息传递的及时性、有效性以及模型数据的通用性。

随着BIM技术在水电水利工程中的应用和探索越来越深入，工程设计方对三维正向协同设计的理解和实施路径也越来越清晰，行业内对大型水电水利工程机电三维正向协同设计的流程及方法也逐步形成了范式，达成了共识[11-15]。但通过两河口水电工程的实践，仍发现流程中有一些重难点值得被关注，所以笔者在本项目中提出了 “区域划分、超前设计、迭代更新”的理念开展协同设计工作，取得了较好的成果和应用效果。

3.1 标准化设计环境配置及构件资源库基础建设

两河口水电工程三维正向协同设计在项目可研阶段初期就启动了标准化设计建模环境的配置，及构件资源库的建设等基础类工作。本项工作的重要性首先是使参与设计的工程师都能在标准化的统一环境中开展三维正向协同设计工作，其不仅可得到一套统一的模型成果，为后续的模型整合、协同设计以及 “区域划分”的模型界面接口属性一致打下良好的基础，还能够有效提升项目成果的整体品质；
其次是在项目前期设备未招标、参数不确定时为 “提前设计，迭代更新”提供条件，提高构件资源库的复用率，从而有效提升项目设计工作的整体效率，节约人力成本。

(1)标准化环境的定制

BIM是工程物理特性与功能特性信息化、数字化的承载和可视化的表达，是传统手绘制图与CAD辅助设计的升级[16-18]。但目前市面上没有针对水电水利工程的专有三维设计软件，故需要在商业软件中根据水电水利工程现行的标准规范进行定制的开发与完善，以实现所建立的项目三维模型在美观、直观的基础上具有实际工程设计的指导意义，所载有的几何信息与属性信息满足国家行业设计标准的要求，通过模型剖切或转换视角所生成的2D图纸满足行业图纸的交付要求[10]。本项目的机电工程三维正向协同设计工作选择在Autodesk Revit平台中开展，标准化环境的定制工作包含对专业系统功能分类、添加材质属性、定义连接性、配置模型颜色、确定填充图案、线形线宽、尺寸标注、字体字高、符号注释、模型文件名称、确定属性信息种类等多达五十余个设置进行替换、修改或增补。

(2)专业构件资源库的建设

在Autodesk Revit平台进行BIM设计的实施过程中，专业库中构件的数量和质量直接影响到模型成果及图纸成果的品质，是实施BIM设计标准化的重要基础工作[10]。在本项目标准化建模环境定制的同时，同步开展了构件资源库的建设和资料储备，为 “超前设计”打下基础。专业构件资源库的建设包含参数化构件和非参数化构件两大类，其中参数化构件由外形驱动参数 (csv或txt)数据表控制[19]，此类构件虽然具有常用性、通用性、快捷性、简便性等优点，但不适合大型的、复杂的机电设备，故大多用于弯头、法兰、桥架连接件、支吊架、阀门、IPB、共箱母线等约束条件较少的机电设备或通用管线构件模型中。非参数化构件虽然不能根据参数驱动，但因其具有不受制于约束条件数量影响的优点，故可创建出精细度较高的模型构件，多来源于以往项目的积累、设备供应商的提供和设计方有针对性的创建，特别适合大型的、复杂的机电设备，比如水轮发电机组、桥机、主变压器及各类复杂的辅助设备等，如图2所示。

图2 专业构件资源库部分成果

3.2 超前设计

根据以往水电工程机电专业设计的经验，总结出水电工程与其他民建工程机电专业设计最大的不同就在于设计周期和实施过程。

其他工程建设领域大多都是在设计方提供完整的设计资料后方才开展施工，而水电工程涉及的专业众多，土建开挖和浇筑周期较长，所以机电工程的设计、选型、招标、采购、出图、施工是根据工程整体的建设情况分期实施，并互相紧密牵制。这就导致设计成果交付的时间大量集中在设备供应商的设计联络会确定最终技术参数之后，这让本就处在整个工程设计链下游的机电专业很难获取合理的设计周期，严重影响了三维正向协同设计工作的有效开展。鉴于此，在两河口水电工程中首次提出了 “超前设计”的理念。其难点在于需要合理的根据工程建设进度编制科学的设计计划，给三维设计留有足够的实施周期，以及统一设计人员的认识，将三维设计的过程理解为设计本身，而将出图过程仅理解为设计成果的表达，并非设计过程。其优势在于可利用数字化设计软件在三维环境中提前开展设计工作，将设计工作启动的时间点前移，此过程中根据实际情况不断地优化和调整设计方案，在方案最终确定后可短时间快速完成出图任务，动态延长设计周期而非出图周期。

“超前设计”可有效避免各类矛盾在施工高峰期叠加到设计环节，在提高人力资源使用计划性的同时，还能通过持续地进行模型维护和阶段性整体设计成果的可视化会商，提升业主对设计服务的体验和参与度。

3.3 区域划分

BIM行业内极力推行同步分布式交互的协同设计方式，即多个协作成员在同一时间、不同地点进行实时协同设计[6-9]。但在实践过程中发现难度很大，原因是此种方式首先受制于项目是否有投入进行数据库服务器等软硬件的建设；
其次受制于网络环境和网络安全；
然后还对设计人员电脑终端的性能要求较高；
更为重要的是运用此种协同方式要有明确统一的模型或数据结构层级、转换格式；
最后还要求每一位参与项目协同设计的人员理解统一的实施规则和具备一定的三维设计能力。考虑各种因素、结合实际情况，本项目采用了异步分布式交互协同，即多个协作成员在不同时间、不同地点通过网络文件管理、E-mail、分布式数据库等手段进行协同设计。在实施过程中，逐渐的总结发现并提出了 “区域划分”的理念，效果显著，具有一定的推广价值。

本项目将机电专业的设计范围按系统功能和土建结构物理区域划分为若干个协同实施分区，区域之间界面清晰，采用标准化的建模环境保证界面接口格式和属性一致，每个区域内均可独立完成各专业的协同设计工作，区域与区域之间的模型能够便捷的进行总装。区域划分的原则可根据项目的特点由项目部组织各专业讨论确定，划分的区域个数可随项目阶段的不同而不断的细化或适当调整。

如图3(a)所示，首先将工程以土建结构物理区域划分为安装间、母线洞、第一副厂房、第二副厂房、主变室、主厂房等若干个协同设计实施区域，若在实施过程中发现某区域划分范围太大，还可继续细分，例如将主厂房再细分为单机组段，如图3(b)所示。其次在单个区域内具体开展多专业的协同设计，单个区域内的设计深度到达技施出图深度后，固化本区域内的总装模型，再返回各专业开展最后的出图工作。采用 “区域划分”的方式进行协同设计其难点在于前期对区域划分的原则制定，需要多专业进行讨论，界定责任范围、明确每个区域的设计边界。其优势在于每个实施区域内的多专业协同设计进度互不影响，可有效避免混乱，例如安装间区域的成果已达出图深度，而母线洞区域仍处于方案设计阶段，两个区域之间互不影响；
其次每个区域可进行快速的同坐标系总装，随时可展现工程整体面貌，让参建各方清晰的了解工程设计进度和最新成果。

图3 部分 “区域划分”设计成果

3.4 迭代更新

传统的CAD设计流程存在如下不足[19-20]:

(1)在开展施工图设计之前，设计人员手中只有草图，缺乏完整的设计资料或者因设备招标采购未完成而缺少设备最终的技术参数，所以在绘制最终技施图纸时往往需要重新绘制，草图则被作为辅助参考，故草图的工作价值被折损。

(2)在设计过程中的草图因受制于设备厂家供图时间或相关上游专业出图时间等因素，不能一次性准确传递到最终的施工设计中，以至于后期现场实际施工时更改频繁，造成工期的延误和成本的增加。

(3)在开展工程各专业协同设计的过程中，由于CAD图纸均为局部的、零散的单专业成果，没有一个完整的综合性设计方案供设计人员在出图前进行内部碰撞检查和进一步优化设计。

(4)业主在最终的施工图纸交付现场之前无法了解工程机电整体性设计方案，以至于在图纸交付现场或施工完成后又提出诸多的优化建议，导致机电设计及安装工程多次返工。

(5)各项目、各专业的二维产品及资料难以流通和传承，导致许多工程的设计资产价值随时间衰减严重或直接遗失。

水电工程的设计是随着外部数据的输入而不断加深的，行业内三维正向协同设计主推的全生命周期应用理念最重要的体现就是做到 “一套模型、一个工程”，保证模型随着工程的进展不断细化加深，同时模型所承载的数据也具有延续性。通过两河口水电工程三维正向协同设计的工作经验总结，结合水电工程的建设习惯和现场实际反馈，笔者对三维正向协同设计的流程进行了适应性改良和优化，结合 “超前设计、区域划分”提出了 “迭代更新”的方法。

优化后的设计流程为:机电设备及管线选型计算→各专业在三维环境中利用构件资源库开展初步设计→向其他专业提供三维设计初步方案→机电设备招标设计→复核机电设备及管线选型计算→向其他专业提资→根据划分的区域和设备资料的获取情况持续优化初步设计方案中的模型 (迭代更新)→区域协同成果三维环境中联合会审→优化设计方案或实施其他深化设计应用 (根据需要)→固化模型→完成技施出图→基于模型的各类信息化应用 (根据需要)。

图4为两河口水电工程机电专业通过三维正向协同设计的方式提交工程现场的技施图纸。

图4 两河口三维正向协同设计部分机电技施图纸

虽然优化后的设计流程比传统的设计流程多了迭代更新、模型校审、优化设计等过程，但从实施效果来看，采用积累的构件资源库在三维环境中开展初步设计能够节省大量的时间和人力，加之将设计工作启动的时间点前移，拉长了设计服务周期，有效的避免了各类矛盾在施工高峰期叠加到设计环节，留出更多的时间和人力投入到提高设计品质的工作中，很大程度地缓解了人力 “洪峰”，同时还提高了成果质量。

通过实践，在两河口水电工程三维正向协同设计中将 “迭代更新”分为 “大迭代”和 “小迭代”。“小迭代”是根据区域划分的结果，根据设计进度、施工进度、设计资源获取的情况，各相关专业在单个单元区域内的迭代更新过程。“大迭代”则是根据工程的重要节点，将各个单元区域的 “小迭代”成果进行总体装配，再通过参建各方的联合会审得到工程阶段性整体模型最新成果的过程。通过 “大迭代”和 “小迭代”的交替实施，能够很好的将 “一套模型、一个工程”的全生命周期BIM技术应用理念落在实处。

随着BIM技术在我国工程建设领域的应用不断深入和普及，国内对BIM技术的认知已逐渐从简单的三维设计演变到了利用模型解决各种工程具体的问题，把关注点放在了提高项目全生命周期设计、建设、运维的各种信息化应用技术中[21-25]，而三维正向协同设计正是BIM技术各种应用价值体现的基础。

以工程勘察设计工作的维度来看，传统CAD时代的设计成果是零散的、不连贯的、信息共享不畅的，而BIM技术的出现则给设计方案的整体呈现、深化设计和其他价值挖掘创造了良好的条件。两河口水电工程在三维正向协同设计总装模型上对机电设备及综合管线标准工艺优化设计、电缆及桥架二次优化设计、模型轻量化交付、可视化设计交底会商、智能碰撞检测、材料量统计和成本测算等方面均进行了应用实践，同时也在全过程质量监督管控、工程进度三维可视化实时展示与预警分析、关键机电设备状态跟踪等信息化管控方面进行了探索和研究，并对工程竣工后的智能电站建设提出了规划[26-28]，如图5所示。

图5 两河口机电设备及综合管线标准工艺优化设计部分成果

笔者从两河口水电工程三维正向协同设计的实践应用中总结得出了 “数字化设计→信息化赋能→智能化应用→智慧化服务”的水电水利工程BIM技术应用发展的推荐技术路线，可供参考。

(1)数字化设计:打造标准化的三维设计环境、创建或积累构件资源库，编制三维正向协同设计各要点的实施标准，规范生产过程、提升设计的成果价值和品质，为数据的可视化应用创造优质的模型载体。

(2)信息化赋能:通过采集工程参建各方的各类海量信息，实现数据的聚合、清洗、梳理、分类，通过对应的模型进行承载和体现，并完成模型的总装与再拆分与再重组，尽可能的提升数据的有效价值。

(3)智能化应用:以模型为载体将汇聚的数据进行关联分析解决具体的工程应用问题，释放模型和数据价值。

(4)智慧化服务:总结提炼数据智能化应用的结果，逐步形成为 “知识库”，结合相关的衍生算法为工程提供更优质、更科学、更精准的诸如智能辅助决策、机电设备健康预警预判、系统故障专家诊断等各类定制化的智慧服务。

BIM技术是改变工程设计、建造、运维方式的生产力提升，是各类与之相关生产方式的升级，是生产关系的变革，是一种工程建造理念的重要转变。其核心价值是通过三维模型、工程各类数据以及可交互的应用平台实现工程知识资源的共享共用[29-32]，通过参建各方对模型的应用和对其中数据的添加、更新、清洗、分类、提取、应用，解决各自生产成本的最大化减小，从而实现项目整体利益的最大化。从设计源头开始实施基于BIM技术的三维正向协同设计，实现设计工程师在三维环境中的设计方案交底，不仅能够有效地提升工程参建各方的设计参与感与体验感，还能够开展基于模型为基础的机电安装工程全要素智能化建管服务，通过不断地融入设计、施工、监理、监造、设备物质管控、合同管理、质量验评等各类数据，使之成为一个具有生命力、可视化的集成数据与应用分析中心[1]。实现水电水利工程机电专业各业务的数据并联与智能化创新应用，深度充分挖掘工程数据价值[33-37]，最终实现各要素数据在参建各关联方横向的传递与工程建设周期纵向的阶段性时序传递，将“网状结构大数据”结合具体应用场景的问题分析、问题预警等智能化创新应用和科学辅助决策价值充分体现在实处。图6(a)为两河口水电工程整体设计方案的轻量化成果交互界面以及在此基础之上自主研发的水电工程智能机电工程管控系统的主界面，如图6(b)所示。

图6 机电模型轻量化交付及智能建设管控系统

BIM技术在我国水电水利工程的应用方兴未艾，因其涉及到工程设计、管理、政策、法律法规、标准规范、建造方式、新设备的应用、建造模式、人才培养等各个领域，不可能一蹴而就，需要行业内各参与方理念的统一和共同的努力。本文以两河口水电工程的三维正向协同设计作为切入点，过程中总结了相关重、难点，提出了 “区域划分、超前设计、迭代更新”的方法，可供其他类似工程借鉴参考。BIM技术作为未来工程建设领域的主要技术方法，随着科学技术的不断进步，行业认知的不断深入和统一，必将得到更为广泛的应用，前景广阔。