1  概述

近年来,我国的水利水电工程建设技术取得了重要突破,建成了三峡、二滩、小浪底等一批具有世界先进水平的水 利工程。2015 年 2 月习近平总书记提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路。今后一个时期将是 我国水利水电工程设计和建设的高峰期,水利建设方面将加快推进 172 项重大节水供水水利工程建设,水电建设方面将 重点建设大型水电基地。但目前水利水电工程项目面临周期短、任务紧、难度大等问题,传统的设计手段制约了工程建 设进度和质量。因此,利用信息技术手段来改进工程的勘察、设计、建造和管理的做法,受到行业的普遍认可。2015 年 9 月水利部水利水电规划设计总院和中国水利勘测设计协会联合组成调研组,对中水北方勘测设计研究有限责任公司等 4 家单位进行了现场调研,同时向湖北省水利勘测设计研究院等 22 家单位发放了问卷调查。从调研情况看,水利水 电勘测设计阶段已开始大量采用先进的信息模型技术,而且该技术未来将延续至工程的全生命周期。现将有关情况和建 议报告如下:

2  三维协同设计应用基本情况

我国水利水电勘测设计行业经历了 3 个技术发展阶段,从最初采用手工绘图,到本世纪初“甩图版”,直至 2005 年 部分大型设计单位着手研究的“三维协同设计”系统,一步步建立了革命性的全新设计方式,实现了无图板设计、无纸办 公、无时空限制的“三无”生产,获得良好的技术经济效益。

2.1 三维设计系统应用十分迫切

设计是工程建设的灵魂,其质量的优劣关乎到工程建设质量的高低。由设计作为工程建设的龙头,可以通过改进设 计技术手段,提高工作效率,保证工程质量与安全。三维协同设计在统一的可视化设计平台上共享数据、信息和知识。据统计,采用三维协同设计,设计效率可提高

2.2 国家对应用三维设计系统的要求

近年来,工程建设行业对三维协同设计的认识和应用有序推进,取得了良好的经济和社会效益。住房和城乡建设部 先后出台《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》等多项文件。要求通过倡导行业服务,加强政策引导,完善相关法 律法规等举措推进 BIM 在全国的应用。并建立了明确的行动目标:到 2020 年甲级勘测设计单位,将实现 BIM 和企业管 理系统融合的一体化集成应用;国有投资的大中型建筑中,不少于 90%的新立项目的勘察、设计、施工和运维集成应用

BIM。

40%,设计变更修改率降低 80%,对地形地质条件复杂、水工结构多样的水利水电工程,它具有可视化、多专业协同、 高仿真模拟、便于工程优化等特点,是工程设计技术发展的必然趋势。

2.3 水利行业三维设计系统的引进和开发情况

水利工程具有建筑物多、结构复杂、形状异化等特点,三维设计推进较难,但由于其应用效果显著,设计单位耗费 巨资争相引进。长江勘测规划设计研究院引进了 CATIA 设计平台,中水北方勘测设计研究有限责任公司引进了 Bentley 设计平台,多家省院在 AutoDesk 设计平台上开展了三维设计的尝试,取得了较好的效果。但由于应用主要停留在前期 比选阶段,深度不够,未能发挥软件的真正效能,难以形成生产力。

各设计单位逐步开展了三维设计技术的研发和应用。部分单位已经在成熟的商业软件基础上,开发了适合水利水电 工程设计的专业软件,如“大坝三维协同设计系统”、 “隧洞三维协同设计系统”等支持大坝、隧洞的参数化设计。

3 国内水利水电行业设计单位三维设计的使用情况 鉴于行业特点、基础软件、硬件环境、资金使用等原因,三维协同设计技术在水利行业中,从研究到实际应用阶段,面临着较多难题,较建筑、火电、核电等领域发展缓慢。目前形成了“ABC”三个阵营,即 AUTODESK、BENTLEY、CATIA 三维设计平台。

3.1 基于 AUTODESK 公司的三维设计平台

随着三维时代的到来,AutoDesk 公司提出了针对基础设施的 BIM 解决方案,开发了 IDS 设计套件,在水利工程建设行业普遍应用。其最大特点就是延续了大多数设计者的软件使用习惯和操作界面。  BIM 技术涉及多专业、多领域的综合应用,其实现方式必定是多种软件工具相互配合的结果,具体表现为:(1)设计套件内部的数据交换,欧特克自身的软件系统中各产品可实现信息间的有效传递,形成了基于智能模型的数据信息交互流程。(2)BIM 系统平台与外部 系统的数据交换,根据不同的工程目的和设计阶段生成符合不同应用要求及具有不同深度的模型。

举例说明:大体积混凝土配筋系统。在水利水电行业,存在大量结构形态比较特殊的混凝土结构,由于体型巨大且异 型,一直采用分段、分块绘制的方式。基于 Revit 可以方便的创建此类结构模型,但对于异型混凝土结构的配筋支持技 术不强,无法达到异型大体积混凝土实际设计的需要,于是在 Revit 平台基础上又开发出了一套基于结构体型和特征面的灵活三维配筋系统,以满足水利水电行业对于大体积混凝土结构的建模、配筋、自动统计及出图需要。如图所示。



3.2 基于 Bentley 公司的三维设计平台

Bentley 公司构建了水利水电工程三维数字化设计平台(HydroStation),提出了覆盖工程设计全专业、全过程的 三维协同设计解决方案。该平台系统目前包括地质三维勘察设计系统、枢纽三维设计系统、工厂三维设计系统、混凝土 配筋三维设计系统、参数化设备及元件库等基础服务组件。2009 年以来,HydroStation 项目实现产业化,在行业一定 范围内应用。具有代表性的平台有:地质三维勘察设计系统和三维配筋设计系统。多家使用 bentley 平台的单位签订了共享协议,在三维设计技术交流、生产管理体系、技术方法咨询等方面为各单 位互相帮助,积极将研究成果应用于多个大型水电水利工程项目。例如,中南勘测设计研究院将平台部分成果应用于龙 盘水电站等水电工程项目;昆明勘测设计研究院应用于西藏旁多水电站。广西电力工业勘察设计研究院等 10 余家单位均由华东院提供三维设计咨询服务,有关研究成果也在各类工程项目中开展应用。

3.3 基于 CATIA 的三维设计平台

达索公司的 CATIA 系列产品作为主体三维设计基础平台在水利水电工程全生命周期、项目资产管理、专业协同、 三维配筋开发等方面取得了积极成果。在生产流程管理方面,利用 MaxtriOne 平台,在坝工三维协同设计项目实施过程 中进行计划、产品、过程和资源等方面管理。在协同设计方面,利用达索 ENOVIAV5 虚拟产品管理解决方案 VPM,搭 建 “在线设计”协同平台,进行设计任务分配和设计数据动态归档。此平台具有的实时协同、在线设计的特点,可以提高 协同工作效率,保证数据单源性和实时更新。在成果输出方面,设计人员可以完成三维模型建立,也可以生成二维线框 图,并进行详细标注。对于二次开发,目前国内设计单位利用 CAA 自主开发了生成指定格式的地表模型、拱肩槽开挖模型、综合变模计算接口输入文件、滑块稳定分析接口及配筋系统 HydroRebar。

3.4 混合应用的三维设计平台

由于各单位目前的业务已经不局限于水利水电工程,在地铁、建筑、风电、环境等工程领域的需求不断加大,对模 型平台提出了不同要求。根据实际工作需求,各单位基本均采用两个以上的三维设计平台,应对市场竞争。这种模式要 求对不同格式的模型进行相互转换,投入多,技术难度大,因此成果较少。目前比较成熟的是“水工结构三维可视化 CAD 系统”,该系统基于底层开发,灵活自主性强,能兼容“ABC”等各主流三维平台的模型文件,其三维和二维开发技术体现了行业的较高水平。


3.5 大型水利工程三维设计的应用情况

三维设计在我国水利、水电、水务等各种涉水项目的前期规划、方案比选、工程设计、施工模拟、运行管理等工程 各个阶段已有不同程度的应用。我们在 106 家水利勘测甲级设计单位中抽取了 26 家进行调研。结果表明,各单位均开展或接触过三维设计,但应 用水平相差悬殊,仅 1 家单位在全过程,占比 3.8%;全项目开展三维设计,4 家单位开展了全过程的三维设计,但并未在全部项目中应用,占比 15.4%;21 家单位在个别项目的单个阶段开展了三维设计。占比 80.8%。比例分析如图所示。




26 家设计单位均认为,三维设计应用价值很大。但由于技术水平、业主需求、资金投入、工程适用性等种种原因,三维设计在全国在建水利水电工程中应用的比例并不高。在前期工作中开展三维设计的项目占 5%,在工程施工阶段开展 三维设计的不足 1%。下面将以两个典型案例具体分析说明。

(1)鲁甸红石岩堰塞湖应急抢险与永久整治工程 红石岩堰塞湖为鲁甸地震形成的大型堰塞湖灾害,极高危险级,风险等级 I 级,其超过 130 米高度的堰塞体防渗处理、右岸 620 米高的高边坡整治、左岸 5670 万立方米的古滑坡处理等,均为世界性难题,无先例可循。 鲁甸地震发生后,经专家学者现场调研和科学论证,确定了红石岩堰塞湖整治方案:在原址修建大型水利、水电工程,发挥防灾、供水双重效益。该方案是典型的缺乏信息条件下前 期勘察设计,利用传统设计手段几乎是不能完成的任务。但采用三维协同设计后,利用互联网、 卫星等获取的地形、水文、地质等基础数据,进行处理、转化,快速、高效、低成本的完成了全部前期勘察设计工作的技术。


红石岩堰塞湖应急抢险与永久整治工程枢纽布置图


(2)滇中引水工程 滇中引水工程是大型引调水工程,以城镇生活与工业供水为主,兼顾农业和生态用水。工程建筑物多样,地域范围广,利用三维协同设计可以更加直观清晰的表达设计意图。设计只需要一次建模后,就可以解决施工和运行管理等各阶段的虚拟仿真,为水利工程设计、施工、运营的精细化管理提供了技术手段。



滇中引项目型引建筑构件图


4  问题及对策

水利水电行业三维设计虽然取得了一定的成绩,但仍然面临着时间紧迫、标准化工作现状不适应新的设计理念和技 术、缺少成果共享机制、人才短缺等问题。各单位应抓住水利水电建设高峰期这一历史机遇,积极拓展合作方式,创新 运作模式,升级设计手段,完成技术积累,提高市场竞争力。

4.1 创新意识不强,技术推广迟缓

目前很多设计院都开展了三维设计工作,但是多数设计者对三维设计缺乏深入理解,认为仅仅是三维建模而已。建议加强行业的理论和技术培训。

4.2 技术标准短缺,平台应用受限

经过近十年摸索式发展,三维设计软件平台将在相当长的时间内处于“ABC 三足鼎立”的现状,整个水利水电行业仍 没有形成针对三维设计技术标准,不利于技术的推广普及。建议尽快开展三维设计标准研究及编制工作,将三维设计经 验规范化,建立三维设计资源标准、立三维设计行为标准和三维设计交付标准,从而指导水利水电行业三维设计技术的应用和开发,规范各专业三维设计流程和成果管理。

4.3 投入资金巨大,企业不堪重负

当前,我国水利水电勘测设计甲级资质设计单位有 106 家,乙级资质以上有 300 余家,从业人员七万余人,每年完成设计投资额约 5000 亿。由于水利水电行业的专业众多,设计院势单力薄,由于需要巨额投资,仅有寥寥几家实力强大 的电建集团能够真正将三维协同设计应用于实际工程设计和施工过程。建议集中行业力量,合作完成三维设计流程、协 同过程、三维模型建立、设计成果输出、后期渲染动画、机电元件库等方面基础性、可复用性的工作,降低门槛,使众 多中小设计院也能实现三维协同设计,为水利水电工程三维设计提供技术支撑。

4.4 人才储备匮乏,行业指导不足

三维设计在工程建设行业已经取得了共识,但掌握三维设计的人才在相当长的一段时间内将处于短缺状态,主要为专家型、开发型和熟练掌握设计软件的,即 BIM 工程师、BIM 项目经理、BIM 数据管理员、BIM 开发人员。建议加强人 才培养,集中开发建立一批三维建模、三维设计二次开发、三维设计软件应用等课件,开展行业内培训。

5  有关建议

5.1 组织编制并尽快出台行业 BIM 指导意见

由行业主管部门牵头,组织各单位借鉴其他行业的经验,研究制定 BIM 实施路线图,建立 BIM 应用标准体系和数 据资源服务平台。同时,政府部门出台相关政策,加强技术培训,推进行业服务,加强相关业务指导。

5.2 建立三维设计协作机制和三维设计联盟 建立三维设计协作机制和三维设计联盟,使设计院明确三维设计发展战略方向,加快形成体系化的行业 BIM 技术平台,降低技术门槛,少走弯路,减少重复投资。建立 BIM 合作、共享平台,深化基于 BIM 的三维协同设计的技术研究,解决 共性问题,研究相关标准,对内群策群力,共同发展,对外形成合力,增强行业话语权。同时,充分发挥行业内先行设 计院的优势,在经验分享、回避弯路的同时,鼓励技术创新,推进行业基于 BIM 的三维协同设计的发展,推进全行业 BIM 应用的发展。

5.3 创新设计理念,构建勘测设计云 采用云计算技术为工具,对传统水利水电工程勘测设计工作的全过程进行优化,打造“勘测设计云”中心。从勘测基础数据的传输与共享、快速自动生成勘测成果、提供海量的通用模型库,提升设计工作效率等方面提升勘测设计工作水 平。全国 300 多家水利设计单位可以通过云中心,进行不同专业、不同单位之间的云协同工作,促进行业之间的交流和资源共享,提升整个水利行业的生产力和服务水平。






调研报告作者:刘志明、尹迅飞、何定恩、刘辉、陈雷、吕洁




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