建造零图纸的水电站：挪威的成功故事

斯米斯托水电项目是挪威目前正在建设的一个新水电项目。它已成为首批挑战传统使用2D图纸作为项目设计基础的项目之一。它由两个独立的高水头发电厂组成，均具有低排放和大水库容量。

本文重点介绍在设计和施工过程中使用 3D/BIM 模型，重点是在不使用传统 2D 图纸的情况下将设计传达给土木和地下工程的承包商。根据EPC合同安排，承包商和顾问之间的持续互动导致为工程，设计和施工工程制定和实施多个BIM策略，并为项目的执行带来了一些好处。

我们将探讨以下关于通过协作和创新在设计和施工中集成使用3D / BIM模型以实现无图纸工作的问题：

1. 今天的技术有可能吗？
2. 用户是否希望这样做？
3. 可行吗？

背景

斯米斯托HPP

斯米斯托水电项目是挪威自20世纪初以来正在建设的主要新水电项目之一，它由两个独立的高水头发电厂组成，排放低，水库容量大。这两座发电厂，33MW的Smibelg和25 + 8MW的Storåvatn，位于挪威北部的Nordland。建设工程于2015年夏季开始，水力发电的调试将在2019年分三个阶段完成。

该项目的主要特点包括总共27公里的无衬砌地下水道，通过隧道和竖井，两个地下发电站，11个进水口，一个泵站和六个水下隧道穿孔，以及几个较小的水坝。

该项目位于偏远的沿海地区，峡湾和山脉在风、降雨和温度方面气候变化很大。该站点只能通过海路到达，大多数进水点只能通过直升机到达，这对执行的规划和后勤提出了很高的要求。

项目执行依据

项目业主Smisto Kraft AS根据EPC合同安排，将所有土木和地下工程的执行合同授予挪威承包商Hæhre Entreprenør AS。液压机械和机电设备由供应商提供和安装，由项目业主签约和协调。工程、采购和施工 （EPC） 合同安排意味着 EPC 承包商负责从设计、采购、施工到调试和将项目移交给项目业主的所有活动。

Multiconsult ASA代表承包商进行所有土木工程的设计和咨询，并与项目业主签约的不同液压和机电供应商进行协调。

在挪威水电项目的执行中，使用EPC合同进行土木工程是非常规的，传统上，顾问代表项目所有者进行设计。尽管如此，项目中的EPC设置为EPC承包商和顾问之间的扩展合作创造了机会。通过早期的澄清轮次，双方设法统一了项目执行的目标，重点是持续互动，以实现：

• 具有成本效益的技术解决方案
• 现场
高效执行 • 从概念到施工
的高效工作流程 • 满足所需的工厂绩效和建筑工程的文件

作为对双方具有潜在高超值的补充共同目标，决定挑战传统的设计和施工方法，在3D / BIM模型中进行所有设计和绘图工作。此外，设计通过模型传达给承包商，而无需准备传统的2D图纸。

规划和设计流程

不寻常的合同安排与通过3D模型与承包商进行非常规的设计沟通相结合，引入了规划和设计过程变化的需求。已经确定了工作流程和工具使用方面的变化。

设计过程是所涉及的学科之间的迭代，一个始终是提供学科的前提。通过应用线性方法将整个流程构建为子阶段，在所有学科达到某个里程碑之前，下一阶段的工作不会开始，从而获得更小的迭代周期和更简化的设计过程。

项目执行的工作流程基于多咨询理念，但为了实现项目特定目标而进行调整。已应用的最终工作流包括以下连续的子阶段：

1. 设计作品
的初始化 2.跨学科设计过程
3.详细设计
4.建筑工程跟进

子阶段定义了承包商、供应商和项目所有者在整个过程中的参与，以及要完成的工作、顺序和详细程度。

事实证明，建议的工作流程可以简化设计工作，并减少类似项目中通常涉及的修订次数。这两个优点都可以降低成本。此外，新的工作流程为项目规划和跟进提供了一个改进的平台，因为它以第4章所述的特定质量水平可视化。

开发和实现基于模型的执行的方法

为了适应在施工现场直接从3D / BIM模型中检索信息的雄心，而无需准备任何传统的2D图纸，它专注于以下领域对传统方法的潜在改进：

• 在设计和施工
中以不同的方式使用现有软件 • 根据利用率
合理化信息从顾问传递到承包商的方式 • 新产品，取代传统的二维图纸
• 允许通过模型扩展通信

为了开发和实施在整个设计阶段都关注施工现场可用性的概念，应用了编织设计模型的思维方式。之所以选择此模型，是因为它通过五个连续的开发步骤和多次迭代来调整设计、战略和技术使用。

由于双方都参与了不同概念的不断发展，因此它能够在施工现场连续测试功能，并迭代到导致多项发展的新概念，如本文所述。

如何使用模型

结合几何图形，必须为设计的土木元素定义一组特定的属性，以形成要建造的内容的表示。在传统的 2D 图纸上，几何图形以平面视图和参考坐标点的剖面形式给出，而图纸上的规格提供有关材料、安装技术和质量标准的信息。

与 2D 工程图不同，3D 模型在最终坐标中提供完整的元素几何形状和位置。结合每个元素的指定属性，3D 模型形成设计的数字表示。

对于 Smits 项目，决定定义一组自定义的信息参数和属性。此信息指定给每个建模元素，包括：质量级别、顺序、元素 ID、设计规定、说明、耐火要求、材料要求、数量等。

结合单元几何形状，信息参数使设计中的所有信息在需要时可用，唯一但重要的障碍是在施工现场对计算机程序的必要使用和理解。为了构建和促进信息检索，模型在层次结构中准备和协调如下：

1. 编译模型
• 岩石和混凝土工程之间外部界面的整体组成和控制图示

2. Colibri 软件
中每个主要结构（例如发电厂、大坝）的集成模型 • 界面处理、冲突检测和跨学科协调
• 施工模拟 • 土建工程作业指导书

3. 设计模型，欧特克土木三维用于隧道和景观美化工程，Revit 用于所有其他结构
• 将 IFC 模型导出到集成模型 • 导出特定模型
，以便在施工现场直接检索测量数据

测 序

如前所述，液压机械和机电设备由项目业主签约的供应商提供和安装，详细设计的合同要求通过三维模型提供。结合结构化土木结构模型，供应商的模型允许物理界面处理、早期阶段的冲突检测以及集成模型中的跨学科协调。

土木结构根据计划的施工顺序进行标记，并根据安装顺序与供应商的个性化模型相结合。该标签系统允许在设计阶段对施工和安装顺序进行更高级的协调。

质量水平

为了控制模型中描述的规划和设计过程，所有组件的开发都结构化为指定的质量级别，说明每个元素的设计，跨学科控制和施工状态的状态和质量。当前质量水平与集成模型中的计划施工顺序一起可视化。

土木结构根据计划的施工顺序进行标记和开发。结合质量水平，确保功能的实现，流程的可视化开发除了为所有相关方提供沟通平台外，还为项目规划和跟进提供了良好的平台。

在设计和施工之间的交叉点，模型中提供了完整的结构以可视化整体，但承包商不能从标记为低于 S4 的任何组件开始。

S5标签用于在现场完成的元素，其中执行受到控制，并与承包商控制系统的设计相对应，包括对执行元素的调查。如果执行偏离设计，则在给出标签 S5 之前相应地调整模型。持续升级到“竣工”文档可能会为水电站的运营和未来维护工作创建一个功能工具。

质量级别描述了设计过程中每个元素的成熟度，并不对应于特定级别的细节或信息。建模中的细节和信息水平在设计过程开始之前由双方商定，直到适当的施工水平。从理论上讲，一个元素可以在早期阶段提出高度的细节，即使它没有为施工做好充分的准备。相反，一个元素可能没有几何细节，但有足够的信息用于构建目的。

根据执行调整设计基础

设计模型按照模型层次结构的呈现进行准备和协调，以便将正确的信息传达给承包商的现场管理人员以及建筑工人。随着施工现场的现代化设备，包括机器控制和测量设备，二维图纸并不总是传达执行设计基础的最有效形式。这需要针对项目的不同功能采用不同的方法，同时考虑到不同软件的特征和计划的执行方法：

• 为隧道、景观美化和岩洞挖掘准备的模型，其中机器控制是执行
的核心 • 发电站混凝土工程、钢筋和其他安装的模型，需要详细的几何控制和组装程序

如果除了几何图形之外，不需要分配多个属性，则Autodesk Civil 3D软件用于设计项目的以下功能：

• 竖井和隧道工程;确定承包商准备钻探计划
所需的中心线和横截面要求 • 园林绿化工程;定义形状和障碍

Autodesk Revit 软件用于项目的所有其他功能。选择该软件是因为它允许结构化分配3D元素的属性。Revit 用于设计以下主要功能：

地下工程： 

• 岩洞和岩屑;确定爆破量和最小外部边界，以方便准备钻探计划
• 岩石螺栓;定义螺栓的深度、位置、方向和尺寸以及执行要求。

所有其他土木工程，包括： 

• 混凝土形式和钢筋，包括嵌入细节、遮光等。
• 技术装置，如接地、照明电气装置、供暖、通风和卫生

通过模型的直接信息流构成了所有设计沟通的基础，包括设计会议。此外，模型观点还构成通过BCF文件直接在模型中在各方之间交流问题、标记和问题的基础。

混凝土工程的设计基础

对于混凝土工程，所有元素都根据计划的浇筑顺序进行建模，包括施工接缝。这为设计工作提供了准确的基础，例如对结构计算的影响，钢筋长度和接头位置的正确规范。作为承包商通过直接量化的补充福利，它为早期阶段的建筑规划和采购提供了可能性。

对于混凝土工程，完整的设计基础在结构的综合模型中实施。但是，为了便于检索信息，提高可用性，通过以下措施在模型中提供信息排序：

• 每个施工序列的组合模型视点集，显示计划的子排序并突出显示关键信息，如出块和预埋件
• 钢筋弯曲时间表
• 混凝土单元 ID 和钢筋之间的关系。钢筋（以及其他相关细节，如预埋件、地板倾斜度）被分配给其承载的混凝土构件。

结论

通过承包商和顾问之间的持续互动，在土木和地下工程的执行中，已经制定并实施了工程，设计和施工中的几种BIM策略。

• 通过集成使用3D / BIM模型，简化从概念到施工的价值创造 •修改设计和施工工程的方法，无需准备传统的2D图纸 通过协作和创新在设计和施工中集成使用3D / BIM模型
- 零图纸：

1. 今天的技术有可能吗？
2. 用户是否希望这样做？
3. 可行吗？

BIM模型结合了元素几何形状和信息参数，在需要时提供了设计阶段的所有信息，唯一但重要的障碍是在施工现场对计算机程序的必要使用和理解。然而，在使用该软件方面达到一定的能力水平后，通过3D / BIM模型在各方之间的直接数据流已经有了显着的改进，例如：

• 最大限度地减少耗时的手动操作，例如需要建立和维护一套完整的图纸，这也减少了可能的错误来源。
• 交流和检索信息
的绝佳平台 • 加强跨学科协调和控制
• 高效的调度工具，包括设计和执行工作
• 可视化工具，提供施工项目的
出色概览 • 在项目的任何给定阶段直接检索相关数量并简化体积计算

Herman B. Smith是一名土木工程师，也是设计和咨询工作的项目经理。

Gøran A. Hansen是一名土木工程师和BIM经理。