BIM技术在乌东德水电站中的应用

每年高考都下雨,今年也不例外。6月正值雨季,下雨后天气凉爽,有利于考生考试发挥,避免了7月高温出现考生中暑的情况,而高考下雨更被人们理解为鱼跃鱼跃龙门、化身为龙的最后一搏,龙游天下必然要有水的供应。适当的降水,可以让天气变得凉爽,庄稼也能有个好收成,但过量的降雨会造成洪涝灾害。

我们通常会建立水电站,用来防止洪涝灾害,同时,它还能将水能转换为电能。说到水电站,今天我们就来聊聊乌东德水电站吧。

乌东德水电站坝址位于四川省会东县和云南省禄劝县交界的金沙江下游河道上,该水电站的开发任务以发电为主,兼顾防洪。

乌东德水电站正常蓄水位975m,坝顶高程988m,最大坝高270M(世界第5高拱坝),总库容74.08亿m3,装机容量10200MW(世界第5),工程静态总投资为789亿元,为I等大(1)型工程。枢纽工程主体建筑物由混凝土双曲拱坝、坝身5个表孔和6个中孔、右岸2条泄洪洞、两岸地下电站等组成。

图1乌东德水电站枢纽工程CATIA三维勘测设计模型与效果图

乌东德水电站工程规模大,难点诸多,技术难度巨大,施工条件复杂,建设工期紧张;参建单位众多,协调工作繁琐;涉移民、环保水保等专业领域,是一项规模宏大的系统性工程。该项目应用了BIM技术,突破了许多难点,一起来看看BIM技术在乌东德水电站工程中的应用吧。

BIM建模

乌东德水电站枢纽工程在预可研、可研、施工详图等各设计阶段,基于CATIA基础平台及专业软件开展了地质、坝工、电站建筑物、导流、机电与金结等多专业三维协同设计,不同设计阶段有逐步求精的模型深度等级。

(1)三维数字化勘测与三维地质建模。乌东德水电站通过平板式工程地质测绘系统和平板式钻孔地质信息录入系统完成了13000米勘探平洞和150多个、近26000米的地质钻孔。

在前期勘测阶段,现场实测地质数据如地质点、勘探点等数据按标准格式,现场即时录入平板电脑,并及时发送到工程地质数据库,从源头上解决数据录入问题,大幅提高地质勘测效率。

在后期施工阶段,通过施工地质可视化快速编录系统,现场直接完成施工地质编录工作,生成施工地质照片为底板的施工地质编录图,还可以将编录内容与照片转入三维模型,并及时发送到工程地质数据库,能够提供更为详细的三维地质施工解译成果。

从工程地质数据库中读取测绘点、钻孔、平洞等地形地质数据并自动导入GOCAD中,结合ArcGis技术,构建高精度三维地质模型(图3)后,连同地质属性信息导入至CATIA基础平台中,进行后续枢纽布置等多专业三维协同设计。

图3高精度地质三维模型构建过程

(2)枢纽工程总骨架与专业子骨架创建。基于地质三维模型,充分利用三维可视化的优势,进行坝址坝线坝型比选,布置导流洞、引水发电建筑物等关键控制点与轴线,并建立枢纽工程主要建筑物三维参数化模型,进行空间分析与优化布置。根据枢纽布置结果,完善总体和专业子骨架。通过骨架关联设计技术、协同技术与权限管理机制保证了上下游专业设计数据关联、一致和及时变更。

(3)坝工专业复杂形体精细化设计。通过ADAO程序进行拱坝形体方案设计,生成形体参数设计表并对接CATIA拱圈三维模板快速完成各高程拱圈曲线,拟合成拱坝基本体型。结合三维模板完成表孔、中孔、结构分缝、混凝土分区及坝体廊道的设计与优化,过程见图4.

图4双曲拱坝三维设计过程

(4)电站建筑物与导流专业全程模板化三维设计。基于地质模型,电站建筑物专业采用“骨架+模板”的方法完成地下式引水发电建筑物三维设计整体模型,导流专业采用类似的方法完成了导截流建筑物的三维设计建模,见图5.

图5地下式引水发电建筑物和导截流建筑物全程模板化三维设计

(5)机电(电一、电二、水机、暖通)多专业三维协同设计。机电专业参照地下式引水发电建筑物中的主厂房、调压室、主变洞等三大洞室土建结构,调用机电标准件库,进行机电管路和设备等综合布置设计(图6)。

图6机电多专业三维协同设计

BIM应用情况

(1)碰撞检测。机电多专业通过碰撞检测工具进行错、漏、碰检查,形成碰撞检测报表并可自动定位到有问题的位置,及时进行方案调整与优化。

(2)工程量统计。通过三维设计可一次性精确获取模型的各种参数如数量、质量、形心等,省去了人工算量的过程,尤其是解决了对复杂异性结构工程算量精度低下、机电设备明细统计过程繁琐的难题。

(3)计算分析。初步形成三维设计模型到分析计算模型的简化准则,提高分析计算前处理效率。

(4)地质出图。基于GOCAD高精度三维地质模型,任意布设平切面和纵剖面,快速切剖生成地质剖面图(图7)和等值线图。

(5)结构出图。通过我院自主研发的CATIA水工结构三维设计二维出图技术解决方案,通过三维模型抽取二维图与轴侧图,尤其是提高了复杂曲面结构的出图表达质量(图8)。

(6)三维配筋出图。将模型导入到我院自主研发的三维配筋软件中,基于计算分析结果,进行交互式三维配筋,剖切出图并自动生成钢筋表(图9),特别对于复杂曲面结构能够显著提高钢筋图出图效率。

(7)机电出图。提出二三维混合、结构图叠加效果图的出图表达理念(图10)并应用。

图7地质剖面出图 图8结构出图

图9三维配筋出图 图10机电出图

(8)基于模型的延伸应用。开发了交互式三维演示系统,结合虚拟现实引擎进行场景实时渲染,提供交互式体验(图11);进行坝址区模型3D打印,采用LOM技术一次性打印成型(图12)。

图11交互式三维演示系统 图123D打印模型(精度0.1mm)

通过乌东德水电站枢纽工程BIM设计的实施,积累了融合设计经验和规则的三维模板库。基本打通了三维设计二维出图环节,提高了设计质量与效率,包括地质剖面图、水工结构图与钢筋图、机电三维图。

应用BIM技术后,发现并解决了机电与厂房土建结构以及机电专业内部之间的碰撞干涉问题,在机电专业内部共检查出42处碰撞问题,机电专业和厂房专业间共检查出12处碰撞问题,均以较快的速度优化了达到设计要求的方案。

5月25日,乌东德水电站建设现场,大坝已现雏形。位于金沙江下游的乌东德水电站是我国继三峡、溪洛渡之后的第三座千万级巨型水电站。目前工程建设已过半,工程计划于2020年投产送电,2021年全部建成投产,年送电量超过320亿千瓦时。同时,项目创造了世界上容量最大的特高压多端直流输电工程、首个特高压多端混合直流工程等多项世界第一。(下图摄影作者:衡昌辉)

建设中的乌东德水电站大坝

水电站坝址左岸厂房正在安装发电机组

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