建築、工程與施工成功案例

中國水電顧問集團北京勘測設計研究院:山東文登抽水蓄能電廠3D 地質模型(技術版)

客戶:中國水電顧問集團北京勘測設計研究院
中國水電顧問集團北京勘測設計研究院(簡稱“北京院”),隸屬于國資委中國水電顧問集團公司。始建於1953年,是中國水利水電產業最早成立的部直屬大型勘測設計研究院,主要從事水電、水利、工民建、新能源(風電)、市政等領域的規劃、測繪、勘察、設計、科研、諮詢、監理、環保、水保、監測、岩土治理、工程總承包等業務。擁有工程勘察、工程設計、工程諮詢等近20項國家甲級資質證書,對外經營資格證書、進出口資格證書,以及 CMA 計量證書和 ISO9001:2008品質管制體系認證證書、ISO14001:2004環境管理體系認證證書、GB/T28001-2001職業健康安全管理體系認證證書

案例:
山東文登抽水蓄能電廠3D 地質模型
相關軟體及解決方案:
AutoCAD Civil 3D
Autodesk Revit Architecture
Autodesk Revit Structure
Autodesk Revit MEP
Autodesk Navisworks
Autodesk Inventor
AutoCAD

客戶感言:
“BIM 是一項新興技術,是未來發展的方向,它是服務于建築全生命週期的一個資訊平臺,用於整合、分享和管理資訊,它的表現形式是3D 的、即時動態的。在水利水電產業 BIM 技術必將獲得更廣泛的應用。”
——中國水電顧問集團北京勘測設計研究院資訊中心主任 鄭兆信

之所以我們稱3D 地質模型的應用是水利水電工程地質專業的一次革命,是因為它將使得工程決策更加科學化、合理化、標準化、系統化,為最終實現水電工程多專業3D 協同設計打下一個良好的基礎。BIM 為我們實現這一目標搭建了非常好的平臺。”
——中國水電顧問集團北京勘測設計研究院 專業總工程師 徐春才

“目前絕大部分水電設計院在進行設計時,採用的是全2D 製圖,而水電工程多為巨型或大型工程,巨大的工程量帶來了大量溝通和實施環節的資訊流失。隨著3D 技術在產業中逐漸得到重視,帶來的不僅僅是效率的提升,更是一次革命,使清潔能源產業在設計過程中真正做到低碳、綠色、環保。”
——中國水電顧問集團北京勘測設計研究院 工程師 高立東

“AutoCAD Civil 3D 是一款優秀的3D 設計軟體,其開放式二次開發介面更是方便使用者制定屬於自己的專業程式,這就賦予了該軟體巨大的隱形價值,因此贏得了一批忠實的粉絲。作為一名軟體發展人員,我希望歐特克公司繼續發揚這種優良作風,開放更多基礎性功能原始程式碼,我們將一如既往的支援。”
——中國水電顧問集團北京勘測設計研究院工程師 朱夏甫

案例正文:
山東文登抽水蓄能電廠3D 地質模型
——蓄能電廠工程全面運用 BIM 的代表性專案

中國水電顧問集團北京院運用 BIM 提升勘測設計品質
抽水蓄能電廠是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫,在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電廠。又稱蓄能式水電廠。它可將電網負荷低時的多餘電能,轉變為電網高峰時期高價值電能,還適於調頻、調相,穩定電力系統的周波和電壓,且宜為事故備用,還可提高系統中火電廠核電廠的效率。
抽水蓄能電廠一般由地下廠房、水道、上水庫和下水庫組成,其核心工程水道和地下廠房是典型的地下地質工程。通過建立3D 地質模型,可以使工程設計和施工最大限度地去適應客觀存在的地質條件,使得工程設計建設達到最為科學、合理、經濟的狀態。抽水蓄能電廠的工程地質勘察同常規水電廠的工程地質勘察一樣,在工程勘察領域是最為複雜的。一是大型水利水電工程在國民經濟中都承擔著重要任務,一旦失事,會造成政治經濟等方面的重大損失;二是由於水利水電工程大多建于高山峽谷,所處地區區域地形地質構造極為複雜,樞紐建築物及水庫庫區涉及空間區域廣;三是地質資訊眾多,鑽孔深度可達數十米至數百米,平洞勘探資料可達數百米至數千米,加之水工建築物的規模宏大、所承受的荷載、在地基內產生的應力和變形等都很大。因此在勘察設計過程中,僅僅依靠傳統的2D、靜態的表達方式,是無法滿足需求的,利用電腦技術進行3D 地質 CAD 建模與視覺化分析,是水利水電工程地質領域手段上的突破,是發展的必然趨勢,有著廣泛且迫切的需求和必要性。
“水利水電工程地質3D 建模及視覺化分析系統”是列入中國水電顧問集團公司的科技研發專案,由北京院承擔獨立自主開發,該專案是基於 AutoCAD Civil 3D 進行開發,獲得了中國水電顧問集團科技進步一等獎、優秀軟體一等獎,在國家版權局進行了電腦軟體著作權登記。該專案在北京院承擔的多個工程專案中進行了應用,對工程建築物區域進行了3D 地質建模,取得了比較好的應用效果。“山東文登抽水蓄能電廠3D 地質模型”是其中的一個應用實例。這些工程及區域地質條件均有各自不同的特點,從不同側面驗證了本專案的合理性和可行性。通過生產一線地質工程師的使用,說明了本系統具有操作簡便、符合一線工程地質人員的工作習慣、易於掌握運用等特點。

專案概況
文登抽水蓄能電廠位於山東省膠東地區文登市界石鎮境內。工程區距文登市公路里程約35km,文登距威海市公路里程約44km,對外交通方便。電廠總裝機容量1800MW,年發電量26.28億kw •h。
電廠樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統、地下廠房系統、開關站及出線場等組成。上水庫位於昆崳山泰礴頂東南側支溝首部,最大壩高101m;下水庫位於楚峴河,最大壩高51m;水道系統沿上、下水庫之間的條形山體內展布,由上水庫進/出水口、引水隧洞、尾水閘室、尾水調壓室、尾水隧洞、下水庫進/出水口組成,其軸線長度約3100m,地下廠房近中部佈置,主廠房開挖尺寸為217.5m×24.9m×53m(長×寬×高)。


圖1 文登抽水蓄能電廠工程地理位置


圖2 文登抽水蓄能電廠樞紐工程

工程區位於昆崳山山脈最高峰泰礴頂東南側,地勢總體上為西北高、東南低,地面高程一般變化在100~800m之間。出露基岩主要為晚元古代晉寧期二長花崗岩,中生代印支期黑雲角閃石英二長岩及石英正長岩,三種岩石均為高強度、高彈性模量的堅硬岩石,一般岩體作為建築物基礎及圍岩,具有較為優良的工程地質特性。覆蓋層則主要為第四系沖積、洪積、崩積及殘坡積物等,主要分佈於上水庫庫盆、下水庫河谷等主要衝溝內。
工程區構造斷裂不甚發育,主要斷裂方向為近E-W向,中、陡傾角為主,其他方向斷裂較少,多為壓扭性斷層及長大裂隙,規模較大的斷層有F3、F5、F12及F10等。工程區基岩多裸露,風化、卸荷深度不大,是工程地質條件比較優越的抽水蓄能電廠廠址。

解決方案
一、中國水電顧問集團北京院3D 設計應用情況
中國水電顧問集團北京院於2007年開始開展3D 設計工作,提出3D 設計是提高設計效率和產品品質、提升北京院核心競爭力的重要手段。確定以歐特克公司的產品為3D 設計的工作平臺,地質專業的3D 地質模型、水工專業的建築物開挖和施工專業的道路設計使用 AutoCAD Civil 3D 作為基礎平臺;水工專業的大壩、水道和金結專業使用 Inventor 作為基礎平臺;水工、機電和建築專業的廠房、機電、建築和通風使用 Revit 作為基礎平臺;最終3D 模型的組裝使用 Navisworks 來完成。其最終目標是要實現3D 協同設計。

中國水電顧問集團北京院工程地質專業是系統內開展3D 設計較早的單位,自20世紀80年代後期開始,北京院成功開發了“水利水電工程地質 CAD 繪圖系統”,解決了許多2D 製圖的重大技術問題,可以完成工程地質各類常用圖件的繪製。在此基礎上,自2003年以來,北京院先後以 AutoCAD 和 Civil 3D 為基礎平臺,開發了“水利水電工程地質3D建模及視覺化分析系統”,該系統用於水利水電工程地質3D 建模及相關地質分析。針對中國水電工程複雜的工程地質條件,提出了一套工程地質體3D 建模方法,解決了地質勘探點、3D 鑽孔、平洞和豎井勘探及地質剖面圖等資料同時綜合利用的難題。可以建立包括地層、斷層、褶皺、透鏡體、溶洞、複雜3D 地質結構面、錯斷地質結構面、地形表面、地下水位元面、風化介面、覆蓋層與基岩分介面等各種地質要素的複雜3D 地質模型,同時實現了3D 地質模型視覺化與工勘成果查詢、計算、分析與演示的一體化。該系統具有獨立自主的智慧財產權,符合目前使用的水利水電勘察規範的最新有效版本;符合目前習慣的製圖方式和資料格式;便於一線地質人員操作和應用,並為設計專業提供了進行3D 設計的基礎平臺——3D 地質模型。山東文登抽水蓄能電廠3D 地質模型就是使用該系統建立的。

二、山東文登抽水蓄能電廠3D 地質模型概況
根據工程設計的需求,配合水工專業3D 設計的需求,專案組建立了三個3D 地質模型:工程區整體3D 地質模型;上水庫3D 地質模型;地下廠房區3D 地質模型。
工程區整體3D 地質模型:3D 建模的基礎圖件是採用1:2000工程地質圖,如圖3所示。主要包括:3D 地形、公路、河流;主要大的斷層、岩層曲面;水工建築物 :上水庫堆石壩、3D 水體、水道系統、地下廠房、下水庫大壩、下水庫3D 水體。


圖3 工程區整體工程地質圖


圖4 工程區整體3D 地質模型

上水庫3D 地質模型: 採用1:1000工程地質圖作為3D 建模的基礎圖件,如圖5所示。主要包括:3D 地形、公路、河流;3D 鑽孔、平洞;主要大的斷層、岩層曲面;覆蓋層、風化介面;水工建築物:上水庫堆石壩、3D 水體。


圖5 上水庫1:1000工程地質圖


圖6 上水庫3D 地質模型


圖7 上水庫築壩堆石料3D 計算

利用3D 地質模型進行料場儲量計算,可以簡化計算過程,提高工作效率,使計算結果更加可靠。如在進行上、下水庫庫區開挖料料源儲量計算過程中,根據地質測繪、勘探鑽孔及平硐資料建好3D地質模型後,結合庫盆開挖形狀只需進行簡單的差分計算即可計算出不同風化帶及覆蓋層的儲量,相比于傳統的平行斷面法等傳統儲量計算方法不僅大大節省了計算時間,而且由於3D 計算採用了三角網格剖分原理因此其精度更高,結果也更加準確。
根據計算,上水庫各種風化料儲量合計約504萬M3。其中全、強風化軟岩料儲量合計約216萬M3 ,占到庫區開挖總量的1/3以上,若不加以利用,棄料量將非常大;另一方面堆石料設計需要量為473萬M3,而硬岩料儲量約為287萬M3 ,僅利用硬岩料儲量不足,因此需考慮利用軟岩堆石料。
廠房區3D 地質模型:採用1:2000工程地質圖作為3D建模的基礎圖件,主要包括: 地下廠房及水道系統、主要地質結構面 :


圖8 地下廠房區3D地質模型

利用廠房區3D 地質模型,能夠更加直觀地反映地質勘探成果,對覆蓋層、風化帶及構造等不同地質單元均能以3D 形式進行模擬。如根據勘探平硐等勘察成果對地下廠房及其所揭露的構造進行模擬,能夠形象地反映出斷層與廠房頂拱及邊牆的交切關係並進行初步穩定分析,彌補了傳統平切圖不夠直觀的不足。已知主要結構面切割地下洞室圍岩形成的若干個塊體,可以直接的瞭解到每個塊體的分佈位置、形態、體積以及與建築物的關係。還可以根據結構面的物理力學參數計算塊體的穩定性。

三、3D 地質模型的應用與分析
通過完整的山東文登抽水蓄能電廠3D 地質模型,設計師可以進行全方位的3D 漫遊展示。專案組使用 Autodesk Navisworks 進行3D 地質模型的整合,並且進行3D 動態顯示的 AVI 影片檔,使用 Adobe PDF 軟體進行3D 瀏覽。實現了對3D 地質模型多種方式的瀏覽,以滿足工程人員直觀多方位的觀察與分析需要。包括:3D 立體方式、單層顯示方式、掀蓋層3D 顯示方式、切面方式、動態顯示方式、透明顯示方式、3D PDF 顯示方式等。地質人員可以通過3D 瀏覽為設計師們講解地質構造,什麼地方是地質不良體,什麼部位需要工程建築物回避,設計師們會在3D 實體地質模型上看得一清二楚。可以説明建築師對建築的最終造型和外觀有更加感性和直觀的認識。
在水電工程地質勘察中,一項非常重要和繁瑣的工作就是切制剖面圖和平切圖。當3D 地質模型建立好以後,實現了在3D 地質模型上切制任意方向、任意角度、任意高程部位的各類圖件,最終解決了在2D 製圖中無論是採用手工或電腦都很難解決的技術難題。其中利用3D 地質資料模型切制各類地質圖件,可以在 AutoCAD 圖形中,沒有任何圖形元素的情況下,從這些資料檔案中切製圖件,即減少了 AutoCAD 圖形檔的所佔用的磁碟空間,又提高了切制速度,而且精度未受任何影響。圖9所示是切出的各類平切圖。


圖9 切制平(斜)切圖、曲面剖切

3D 地質模型的建立不僅為工程地質專業本身提供了極大的便利,同時也為設計專業提供了一個3D 設計基礎平臺,設計師們在3D 地質模型上可以直接完成設計構思,進行工程建築物佈置,根據地層岩性及地質構造空間環境,可以任意調整設計方案使之獲得最佳佈置效果,特別是地下建築物的空間佈置、調整、平移和旋轉。對於那些用語言和文字都不易表達

清楚的工程地質問題,通過3D 地質模型各方位的視覺化,可以非常直觀的表達清楚,達到一目了然的效果。


圖10 3D 地質模型切制剖面圖


圖11 地形曲面的高程分析

上水庫和大壩壩體做成3D 實體,可以利用 AutoCAD 的命令直接計算出水庫庫容和大壩體積,如圖12所示。


圖12 上水庫和大壩壩體做成3D 實體

四、動態關聯
利用 Civil 3D 原有的功能和北京院自主開發的功能,實現了基礎建模資料與3D 地質模型的動態關聯,即曲面建立好後,當原始資料進行了改變,曲面可以按照更改後的資料進行自動更新。實現了3D 地質模型與剖面圖、平切圖的雙向動態關聯,這是生產一線工程地質人員迫切需要的功能,也是優秀的3D 地質 CAD 軟體所應該具備的功能。這在目前水利水電產業3D 地質 CAD 軟體中尚屬首次實現,具有獨創性。

未來展望
3D 設計已經在中國水電顧問集團北京院地質專業獲得了廣泛的應用,目前已經在十多個專案中實現了3D 建模和視覺化分析。3D 地質模型在電腦上的實現,將使工程地質人員的製圖水準和地質理論分析水準得以提高,使工程地質製圖實現系統化、專業化、標準化。工程地質製圖和分析品質大大提高,從而達到在電腦上自動切制各類地質剖面的目標,這一目標的實現,將是工程地質電腦製圖領域的一次飛躍。首先得益的是成天為切制各類縱橫地質剖面、平切圖、分析圖等忙得不可開交的地質師們。他們將有更多的時間來進行工程地質分析。大大提高工作效率,節約設計階段。工程地質3D 模型在水利水電產業的應用前景十分廣闊,大到宏觀決策,小可用於水利水電一個具體樞紐工程勘測設計工作。通過3D 地質模型,實現任意切制剖面圖和平切圖,不僅解決了長期困擾地質專業人員的技術難題,同時也為設計專業提供了一個實現3D 設計的基礎平臺,設計專業可以在3D 實體地形地質模型上進行水工建築物的設計、工程量計算等,從而推進勘測設計一體化的進程,這也必將在水利水電工程的勘測設計中發揮重要作用。

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