基于BIM技术的水闸设计研究.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 103 基于 BIM 技术的水闸设计研究 赵一阳 河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司 天津 300222 摘要摘要：近年以来，为促进水利建设行业的数字化转型，我国多部委多次下发文件，推动建设数字孪生工程。其中重点为基于参数化的 BIM 设计。BIM 技术可以通过参数化模型、协同设计、有限元分析、三维配筋等多层次配合，在水闸工程设计中采用 BIM 全过程设计，推进水利工程设计的数字化。本文通过 BIM 全过程设计分析，探索 BIM设计的应用重点。以某节制闸工程 BIM 设计为例，展示 BIM 全过程设计的流程及特点，有效的提高了水利工程设计的效率。关键词：关键词：BIM 设计；水闸设计；设计流程；设计效率。中图分类号：TV222 0.引言 近年以来，为促进水利建设行业的数字化转型，我国多部委多次下发文件，推动建设数字孪生工程。其中重点为基于参数化的 BIM 设计。BIM 技术可以通过参数化模型、协同设计、有限元分析、三维配筋等多层次配合，在水利工程设计中全过程均采用 BIM 技术，推进水利工程设计的数字化。通过 BIM 技术在设计阶段的应用，进一步将 BIM 设计成果移交至数字化信息管理平台，可将水利工程建设成为全生命周期的智慧工程。目前，BIM 技术已在建筑设计行业得到了充分应用，但在水利工程中 BIM 设计的应用，尤其是全过程 BIM设计应用还是较少，因此其标准化数据库几乎没有。水闸工程由于其设计标准化程度较其他工程高，本文立足于某水闸工程的 BIM 设计，为其他类似工程的应用提供一定的参考。1 BIM 技术在的特点 1.1 可视化 水闸工程在需要按照施工图按图施工，但目前设计院所的设计人员所设计的图纸一般为二维图纸，不同的现场施工技术人员的识图能力有一定的差异，其通过施工图所得的图纸信息不同。通过 BIM 技术可建立三维模型，施工技术人员可以根据三维模型对工程有一个直观的理解，使水闸工程的施工过程效率得到了极大的提升。1.2 协调性 一个水闸工程的设计工作涉及到水文、地质、水工、金属结构、建筑等多个专业。不同专业在设计的过程中，需要充分的沟通。通过 BIM 技术及协同操作平台，可以更好对工程项目进行协调沟通，减少专业之间由于沟通协调产生的问题。例如：当水位发生变化时，由水文专业通知水工专业，水工专业根据水位的变化，对闸室结构模型进行调整并上传协同操作平台，此时金属结构专业会发现模型发生调整，闸门已无法满足水工结构要求，会相应的调整闸门尺寸和位置。1.3 参数化建模 水利工程相比于建筑工程项目，其建筑物具有不规则性大、结构复杂、体积大等特点。将水工建筑物进行参数化建模难度较高，但水闸工程结构较为单一，主要由闸室及上、下游连接段组成，可对其进行参数化建模。1.4 比选与优化性 当对水闸工程中的建筑物进行参数化建模后，工程设计方案的比选及优化将更加便捷。通过对水工建筑物模型库中模型参数的调整，可以迅速的构建出新的方案模型，对此进行方案比选，择优选取最合适的方案。同理，可以通过参数调整，对建筑物尺寸等进行调整，以实现工程的优化设计。1.5 工程量计算的便捷性 工程量计算是工程设计工作中的重点，尤其是在水利工程设计中。由于水利工程的复杂性，涉及到的工程量会达到上百项甚至几千项，对其的统计计算工中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 104 作消耗的时间会占到设计工作的三分之一甚至一半。有效的缩短工程量计算时间，极大的提高设计工作效率。当 BIM 技术应用到水闸工程设计中，在 BIM 模型建立的过程中，对各种构件均赋予其各自的名称与属性，在模型建立完成后，各项工程量可以自动进行统计，缩短了工程量计算时间，提高了工作效率。尤其是在方案比选阶段，可以通过对 BIM 模型库内的模型参数进行调整，生成比较方案的模型，同时还可以统计出比较方案的工程量，得到工程投资的对比。2 水闸工程BIM 设计 在进行水闸工程 BIM 设计时，首先要对工程区场地进行地形建模；其次根据水文地质资料，确定水闸设计参数并建立水工结构模型。此时可根据结构部位划分出不同区块，并对各区块进行建模，并将其加入参数化模型库，这样可以通过调整模型的参数达到对模型的调整，便于后期方案比选。同理，除水工专业外，其他专业模型也可进行参数化设计，使其易于调整。下一步，将各专业模型进行组装拼接，进行碰撞试验，校核出各专业之间的错漏点，并进行修改。通过模型库内模型的参数调整，形成比选方案，通过整体模型对各方案型式及工程量进行比较。选定合适的方案，对模型进行进一步细化，完成最终的结构模型。将已完成的模型导入有限元计算分析软件，将边界条件代入软件，对模型进行应力应变分析，求得模型各部位的应力应变。在此基础上，进行结构配筋验算，确定各部位配筋参数。在三维配筋软件中，对模型进行配筋。最终对结构、配筋模型进行剖切生成二维施工图。这样可根据业主要求提供二维或三维设计成果。水闸工程 BIM设计流程见图 1。3 工程实例分析 某节制闸设计过流能力 15.0m3/s，建筑物级别为 4级，该涵闸由进口段、闸室段、消力池段组成，总长20.8m。闸室采用开敞式结构，共布置三孔，单孔净宽 2.5m，采用三孔一联的整体式钢筋混凝土结构。闸室底板厚1.0m，顺水流方向长 6.0m，闸室总宽 11.1m；闸墩高4.0m，边墩厚度 0.8m、中墩厚 1.0m。根据调度运行要求，闸室上游侧设一道工作闸门，工作闸门采用露顶式平面滑动铸铁闸门，一门一机，动水启闭；综合考虑闸门检修要求，工作闸门上游侧设置1扇检修闸门，为满足检修的需要，闸门上、下游各设置检修桥。闸墩设钢筋混凝土排架、启闭机平台。该节制闸平面布置图见图 2。图 2 节制闸平面布置图 3.1 布置型式及尺寸 在设计过程中，首先需要根据水闸的工程任务及调度运行情况，确定工程等别与建筑物级别。其次，图 1 水闸工程 BIM 设计流程图 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 105 根据水位、流量等参数对闸室进行水力学计算，确定其布置型式及尺寸。本工程是以城镇供水为主的引水工程，根据年引水量，设计输水流量及供水对象重要性综合考虑，并根据规范要求，确定工程规模为中型，工程等别为等，建筑物级别为 3 级。（1）建筑物布置 节制闸由进口段、闸室段、消力池段组成，后接下游渠道。节制闸共计 3 孔，单孔净宽 2.5m，由进口段、闸室段组成，顺水流方向平面投影总长 20.8m。上游进口段 上游进口段顺水流方向长 5.0m，底板采用厚 0.5m钢筋混凝土结构，下设 10cm 素混凝土垫层。底板两侧采用钢筋混凝土翼墙与上游渠道与下游闸室平顺连接，两侧翼墙均为半重力式钢筋混凝土结构，挡墙墙顶宽 0.5m，墙高 3.5m，底宽 2.7m。闸室 闸室采用开敞式结构，共布置 3 孔、单孔净宽 2.5m，采用三孔一联的整体式钢筋混凝土结构。闸底板厚1.0m，顺水流方向长 6.0m，闸室总宽 11.1m；闸墩墩顶高程 85.7m，边墩厚度 0.8m、中墩厚 1.0m。根据调度运行要求，闸室上游侧设一道工作闸门，工作闸门采用露顶式平面滑动铸铁闸门，启闭设备采用直联式手电两用螺杆启闭机，一门一机，动水启闭；综合考虑闸门检修要求，工作闸门上、下游两侧每孔各设一道混凝土检修门槽，为满足检修的需要，工作闸门上、下游各设置检修桥。闸墩设钢筋混凝土排架、启闭机平台，启闭机安装高程 88.2m。闸室段末端与现状隧洞平顺连接。消能防冲设计 闸室下游河床为素填土层，抗冲刷能力差，根据闸基地质情况、水力条件及闸门控制运用方式等情况，设计采用底流消能方式，消力池采用下挖式。为减少对下游河床冲刷。消力池总长度 9.8m，池深 0.5m，为钢筋混凝土结构，底板厚度 0.5m。3.2 水力计算 闸孔宽度计算时，过闸水头差规范要求的小值，设计取为 0.1m。根据选定的过闸水头差，复核过闸水流 为 高 淹 没 度 出 流，根 据 水 闸 设 计 规 范（SL265-2016），高淹没度出流闸孔总净宽按下式计算:)(2000sshHghQB 200)65.0(877.0Hhs 式中:B0闸孔总净宽（m）；Q过闸流量（m3s）；0淹没堰流的综合流量系数；hs由堰顶算起的下游水深（m）；H0计入行进流速水头的堰上水深（m），偏于安全起见，不计入行进流速；g重力加速度（m/s2），取 g=9.81m/s2。通过计算和分析，最终确定开敞式闸孔总净宽为7.5m 时最大过流能力为 20.66m3s，大于设计过流能力 15.0m3s，满足设计要求。3.3 消力池设计计算 节制闸平时闭闸挡水，下游需用水灌溉时提闸放水，开闸后下游为高淹没出流。实际运行中为避免工程不利状况对下游可能的冲刷，故对节制闸闸下游按构造深度布设消力池，设计消力池深度 0.5m。消力池长度按 5 年排涝过闸流量计算。根据水闸设计规范（SL265-2016），池长计算公式如下:jssjLLL)9.6ccjhhL（式中:Lsj消力池长度（m）；Ls消力池斜坡段水平投影长度（m）；水跃长度校正系数，取 0.70.8；Lj水跃长度（m）；hc消力池内收缩水深（m）；ch消力池内跃后水深（m）。根据工程布置，闸后消力池设 0.5m 水平段，然后以 1:5.0 斜坡与消力池底板相连，则消力池斜坡段水平投影长度 Ls=3m；根据上述公式计算消力池水平段长度 4.9m，偏于安全起见并考虑与下游河道与两岸的连接，设计消力池水平段长度取 6.0m；消力池末端设尾坎与下游渠道底板相连，尾坎长度 0.8m，消力池总长度 9.8m。中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 106 消力池底板厚度应根据抗冲和抗浮要求确定。设计消力池底板布设排距、行距均为 1.5m 的 10cm 排水孔，用于解决底板抗浮问题和降低闸基渗透压力，则消力池底板厚度按抗冲要求确定。根据水闸设计规范（SL265-2016），抗冲要求底板厚度按下式计算:/1Hqkt 式中:t消力池底板厚度（m）；k1消力池底板抗冲计算系数，取 k1=0.2；q过闸单宽流量m3/（sm）；H泄水时的上、下游水位差（m）；经计算，消力池底板厚度 0.09m，设计消力池底板按构造要求取为 0.5m。3.2BIM 设计 当确定工程的布置及尺寸后，可在三维建模软件中进行建模。在建模前，所有涉及到的专业需要共同设定一个 seed 文件，以保证所有专业建模时所在同一个坐标系及单位相同，为后期组合做准备。建模完成后，闸室结构三维模型如图 3 所示。图 3 闸室结构三维模型 此时，可以将其保存入模型库，对其各部位进行参数设计，例如：边墩的高度、厚度均可设定为参数，当参数发生调整时，相应的模型也发生调整。完成整个工程的水工模型，根据模型属性，对工程量进行统计计算。最后，将建筑物所有部分进行组装，查验是否有冲突的位置，并对其进行调整，最后将所有专业的模型进行拼装，最终水闸三维模型见图 4。图 4 水闸三维模型 此时可将模型导入 ANSYS 或其他有限元软件，通过三维有限元计算，求得各部位内力，根据求得的内力进行配筋，可保证了配筋的准确性。将建筑物的模型分解成各个构件，将各个构件分别导入三维配筋软件中，根据三维有限元的计算结果，进行三维配筋。当完成整体模型和三维配筋模型后，可对设计成果进行三维校审，当设计成果完成所有修改后，可按照二维出图习惯，设置剖面，进行剖切出图。某些工程，应业主单位需要，要求 BIM 交付，此时可将三维模型、三维配筋模型等设计成果，通过平台或其他方式移交至业主。4.结语 以 BIM 技术为应用核心，通过地形数字重建、三维模型建立、有限元受力分析、三维配筋等高效的工作方式，可在一定程度上提高工作效率。随着水闸 BIM全过程设计的推广，按照“互联网+智慧建造”发展新思路，着力推动 BIM 技术在水闸设计中的应用，将有利于推进新时代水利高质量发展，同时也是时代发展的必然要求。参考文献 1罗春燕,孙惠,卢志伟,等.BIM 技术在水闸建模中的应用J.河北农机,2020(12):52-53.2梁冰寒.BIM 技术在水闸设计中的应用J.水利信息化,2022(10):15-19.3赵一阳.BIM 设计在水利工程设计中的应用J/OL.中 文 科 技 期 刊 数 据 库（引 文 版）工 程 技 术2023-06-22.http:/ 文 科 技 期 刊 数 据 库（引 文 版）工 程 技 术2023-02-21.http:/