基于BIM的水閘消能工優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用研究

宋永嘉，張豪杰，朱浩巖，巴 超，衡家然

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院， 河南 鄭州 450011;2.河南華北水利水電勘察設(shè)計有限公司， 河南 鄭州 450008;3.河南省巖石礦物測試中心， 河南 鄭州 450003)

20世紀60年代出現(xiàn)了輔助設(shè)計的概念，提高了設(shè)計工作效率和精度。隨著工程規(guī)模和復(fù)雜度在不斷地擴大，工程建設(shè)的需求已經(jīng)不僅僅局限于圖紙和報告，對可視化、參數(shù)化、協(xié)同化、方案模擬優(yōu)化等新技術(shù)的需求越來越激烈。于是，出現(xiàn)了建筑信息模型(BIM)。

隨著BIM技術(shù)[1]的發(fā)展，我國水利工程行業(yè)逐步在設(shè)計、施工、管理中得到了應(yīng)用發(fā)展。鐘登華院士等[2]將BIM可視化技術(shù)成功用到心墻土石壩的4D施工模擬和分析中。 張維錦等[3]通過對建模軟件Revi進行二次開發(fā)，拓展其功能，完成快速結(jié)構(gòu)建模和配筋。王漢東[4]總結(jié)了基于GIS和BIM的水利工程運行管理三維仿真系統(tǒng)，應(yīng)用于工程管理、流域聯(lián)合調(diào)度研究等領(lǐng)域。仇朝珍等[5]利用Dynamo可視化編程的優(yōu)勢，提出了橋梁構(gòu)件的基本建模思路，提高了Revit建模的效率與范圍，為廣大BIM從業(yè)者提供借鑒思路。

目前BIM技術(shù)[6]在水工設(shè)計中，以建模為主，水利計算應(yīng)用相對較少,“BIM+數(shù)值仿真”可以避免在不同軟件中重復(fù)建模，增加仿真效率。所以，針對水閘消能工消能效率低的問題[7]，本論文通過BIM技術(shù)與數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，建立了水閘BIM模型，分析了水閘消能效率問題，進行了消能工優(yōu)化設(shè)計研究[8-9]，為“BIM+數(shù)值仿真”在水利工程中的應(yīng)用提供參考。

1 設(shè)計流程

“BIM+數(shù)值仿真”優(yōu)化設(shè)計結(jié)合的途徑是前處理階段。前處理階段的建模取自BIM模型，然后在網(wǎng)格剖分軟件中剖分網(wǎng)格。后處理結(jié)果經(jīng)過分析后，反饋給BIM模型，修改模型尺寸優(yōu)化方案。BIM+數(shù)值仿真流程如圖1所示。

2 工程應(yīng)用

某水閘位于汕頭沿海地區(qū)，是集防洪排澇、擋潮、通航、調(diào)節(jié)內(nèi)河水位的綜合工程。工程設(shè)計洪水位為20年一遇，校核洪水位為50年一遇。擋潮標(biāo)準采用50年一遇潮水位。水閘正常蓄水位1.39 m，內(nèi)河50年一遇洪水位為1.47 m，水閘下游外江50年一遇洪(潮)水位為2.42 m。最大過閘流量在100 m3/s～1 000 m3/s，工程等別為Ⅲ等，中型雙孔水閘。水閘為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對稱布置，閘室順?biāo)鞣较蜷L15.0 m，閘孔總寬為28.8 m，單孔凈寬12.0 m，布兩孔，中墩厚1.8 m，邊墩厚1.5 m。閘底板高程為-2.11 m，閘頂高程為3.95 m，設(shè)平板鋼閘門，左側(cè)閘孔(通航孔)為雙扉門，右側(cè)閘孔(非通航孔)為常規(guī)閘門，動水啟閉。

主要建筑物從上游至下游依次為上游防沖槽、上游海漫、消力池、閘室、消力池、下游海漫、下游防沖槽。某水閘平面布置圖見圖2。

圖1 BIM+數(shù)值仿真流程

圖2 某水閘平面布置圖

3 基于Revit創(chuàng)建水閘三維模型

BIM技術(shù)在水利工程建模中應(yīng)用較少，目前還沒有專門應(yīng)用于水利行業(yè)的三維建模軟件，Revit是歐特克平臺軟件，建模原理是通過由圖元組成的族，在項目模板中通過參考平面和軸網(wǎng)的限定組成建筑信息模型。

在Revit中，水利工程三維建模利用族和項目模板完成。項目模板由不同的族組裝而成，族是在Revit中建立水工建筑物模型的切入點，通過族的組合可以實現(xiàn)任意幾何形體的建筑物建模，進而完成這個項目的建模。項目模型構(gòu)成如圖3所示。

圖3 項目模型構(gòu)成關(guān)系圖

(1) 創(chuàng)建地質(zhì)模型，三維地質(zhì)模型可以為設(shè)計提供更直觀的設(shè)計體驗，通過Revit推出Dynamo可視化編程插件[10]，創(chuàng)建參數(shù)化三維地質(zhì)模型。

(2) 創(chuàng)建族。Revit中族是組成模型承載信息的基本單元。族的創(chuàng)建步驟：① 設(shè)置尺寸精度和工作平面；② 通過參數(shù)控制繪制剖面；③ 建筑物材料設(shè)置；④ 族文件的參數(shù)化測試，通過改變族的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，檢驗?zāi)Ｐ统叽缡欠褡兓?/p>

(3) 三維模型創(chuàng)建。在創(chuàng)建三維族模型時，實心形狀和空心形狀的三維族模型都可以通過拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、放樣融合得到。

(4) 項目拼裝。族在項目樣板中拼裝流程是：① 在視圖中選擇合適的平面；② 設(shè)置標(biāo)高；③ 設(shè)置軸網(wǎng)，形成區(qū)域網(wǎng)格，為族構(gòu)件定位；④ 載入族，將族構(gòu)件定位到軸網(wǎng)和標(biāo)高組成的空間位置；⑤ 設(shè)置全局屬性參數(shù)。拼裝好的水閘模型如圖4所示。

圖4 水閘三維模型

4 Revit二次開發(fā)在水閘參數(shù)化建模中的應(yīng)用

在水閘建模中，通過Revit二次開發(fā)插件[11]用于消能工仿真實驗前批量建模處理，可實現(xiàn)可視化面板修改模型尺寸、調(diào)整模型數(shù)量和位置等功能，為后期消能工數(shù)值仿真實驗打下基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)BIM與水流數(shù)值仿真結(jié)合的目標(biāo)，避免二次建模，增加計算效率。

可視化操作界面實現(xiàn)方法：

在Revit中通過Ribbon UI用來加載Revit外部程序和可視化面板按鈕。

{

application.Create Ribbon Tab(“水閘”).

Ribbon Panel panel=application.Create Ribbon Panel(“水閘”，“消力池設(shè)計”)。

Push Button Data create Floor=new Push Button Data(“anniu”，“消力池”， @“C:shuizha.dll”，“shuizha.dkct”);//面板中創(chuàng)建按鈕，為按鈕鏈接窗體。

create Floor.Tool Tip=“輸入消力池尺寸”;//創(chuàng)建按鈕提示。create Floor. Large Image=new Bitmap Image (new Uri(@“C:消力池.png”))。

panel.AddItem(create Floor)；//添加圖片。

}

在設(shè)計好窗體后需要傳遞窗口信息和初始化窗體：public Form1(External Comm and Data cmddata， ref string msg， Element Set ele)

Initialize Component();//初始化窗體。

在Revit二次開發(fā)中，調(diào)整消力墩的間距尺寸和位置，以用來調(diào)試消力設(shè)施的消力效果。軟件實現(xiàn)流程是：(1) 綁定族構(gòu)件，消力墩；(2) 設(shè)置個數(shù)，排列消力墩；(3) 批量移動調(diào)整消力墩。

5 水閘消能工數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計

5.1 水閘消能工原設(shè)計參數(shù)

原設(shè)計根據(jù)規(guī)范[12]初步計算出水躍長度及消力池深度，在此基礎(chǔ)上進行水閘消能工的優(yōu)化。原消力池消能計算成果見表1。

5.2 水閘消能工優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)工程實際情況，增加水閘消能效率的優(yōu)化仿真實驗方案如圖5所示：

(1) 方案1：增加池長和池深。原設(shè)計中消力池水平段長11.8 m，消力池總長15.0 m，池深0.8 m?？紤]增加池長和池深。增加池長為16.0 m，消力池池深增加至1.0 m。

(2) 方案2：在原設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)置消力墩。消力墩尺寸：墩高a=0.8 m，墩寬s=墩間距s0=0.6 m，位于消力池1/3L2處。設(shè)置消力墩的消力池縱斷面如圖6所示。

(3) 方案3：SAF 消力池，消力池前部增加分流墩，墩高a1=h1=0.8 m；墩寬W1=0.6 m，墩間距S1=0.75h1=0.6 m；消力池內(nèi)增加消力墩，墩高a2=0.8 m，墩寬W2=0.6 m，墩間距S2=0.6 m。消力墩布置在距離分流墩1/3L1，保證充分發(fā)揮其消能作用。消力池水平段池長根據(jù)計算取L=12.5 m。

表1 原消力池消能計算成果表

圖5 增加水閘消能效率的仿真實驗方案

圖6 消力池縱斷面圖

(4) 方案4：SAF消力池(不改變池長)。有研究表明，新型消力池的應(yīng)用雖然比較成熟，但是應(yīng)用在低弗勞德數(shù)、低水頭、低尾水的情況下也很難達到令人滿意的消能效果[13]。所以為了降低消力池的優(yōu)化成本，不改變池長，僅僅增加分流墩和消力墩，對SAF型消力池改進試驗，池長取原設(shè)計池長L=15 m。

5.3 消能工優(yōu)化設(shè)計方案數(shù)值仿真分析

對消力池原設(shè)計及四種優(yōu)化方案進行數(shù)值仿真計算。采用 VOF兩相流模型與k-ε紊流模型[14]耦合對消能工的水氣兩相流進行數(shù)值模擬，并將各個方案的流態(tài)分布、消能效果等進行比較，從而進行消能工的優(yōu)化設(shè)計。

5.3.1 BIM模型導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分

三維計算模型來自BIM模型。在FLUENT軟件中加載需要計算的消力池部分。消力池計算模型區(qū)域縱斷面見圖7。

圖7 消力池計算模型區(qū)域縱斷面圖

水閘消力池劃分的網(wǎng)格數(shù)為100萬個左右，尺寸范圍為0.15 m到0.4 m。網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 消力池計算模型區(qū)網(wǎng)格

5.3.2 消能工仿真邊界條件

在原設(shè)計基礎(chǔ)上進行消能工的數(shù)值仿真計算。

(1)水力學(xué)參數(shù)。根據(jù)消力池的原設(shè)計條件進行消能工的優(yōu)化，選取水閘運行中可能出現(xiàn)的最不利工況組合作為計算邊界條件，水力學(xué)邊界條件見表2。

表2 水力邊界條件

(2) 其他邊界條件。上游進口壓強19 400 Pa(通過能量方程將已知流速轉(zhuǎn)化為壓強)，進出口水的體積分數(shù)均為1，上游水位1.39 m；下游水位下-0.51 m，水深1.6 m；水體與固體邊界為無滑移邊界；計算殘差設(shè)置為0.001；計算步長為0.02 s，計算3 000步。5組仿真實驗邊界條件相同。

5.3.3 原設(shè)計仿真試驗對比分析

在設(shè)定好邊界條件后，首先采用以上邊界條件對原設(shè)計消力池進行數(shù)值模擬仿真試驗，通過VOF兩相流模型追蹤水面線得出，閘后收縮水深為0.798 m，躍后水深為2.863 m，水躍長度為11.46 m,與原設(shè)計根據(jù)規(guī)范所計算結(jié)果基本吻合，證明了本次數(shù)值模擬模型邊界條件設(shè)定的可行性，然后進行消能工的數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計。

5.3.4 流速矢量變化

分析對比5種消能方式的流速矢量分布。原設(shè)計消力池內(nèi)旋滾不明顯，流速5 m/s以上的區(qū)域分布最多，橫向擴散效果較差，動能變化較小；方案1中，旋滾不明顯，橫向擴散效果較差，流速5 m/s以上的區(qū)域較原設(shè)計有所減少；方案2中，消力池內(nèi)旋滾明顯，流速5 m/s以上的區(qū)域分布較短，橫向擴散效果較好，池內(nèi)動能變化大；方案3中，水面旋滾明顯，但消力池后大于5 m/s的區(qū)域分布較多，說明動能削減不充分；方案4中，水面旋滾明顯，流速5 m/s以上的區(qū)域分布較短，與方案3相比，消力池坎附近水流起伏較大，說明消力池后坎也起到了消能作用，動能削減率高。

對比分析消力池流速矢量分布圖(見圖9)，消減動能效果較好的是方案2消力墩設(shè)計和方案4 SAF消力池(原池長)設(shè)計。

圖9 消力池流速矢量分布俯視圖

5.3.5 水面線變化

圖10—圖14為5種消力池計算模型區(qū)的水面曲線圖，上部為氣體，下部為水流，相鄰之間的兩相混合邊界可表示水面變化情況，即為水面線。橫坐標(biāo)X代表樁號，縱坐標(biāo)Z代表高程。

圖10 原始設(shè)計水面曲線圖

圖11 方案1水面曲線圖

圖12 方案2水面曲線圖

圖13 方案3水面曲線圖

圖14 方案4水面曲線圖

分析對比5種消能方式的水面線，原設(shè)計中，水躍不明顯，有遠驅(qū)式水躍的趨勢；方案1中，消力池內(nèi)水面高程增加，有遠驅(qū)水躍的趨勢；方案2中，消力池內(nèi)水躍前移，躍后水面比較平穩(wěn)；方案3中，水躍前移，水躍最高，有超出消力池的趨勢；方案4中，水躍前移，水躍明顯，發(fā)生在消力池內(nèi)。

通過5種方案水面線的對比分析，方案2比方案4水躍長度更短，躍后水面波動更平穩(wěn)。

5.3.6 消能效率

通過提取水流斷面平均流速和斷面水深，進行消能效率計算[15]。圖15消力池計算模型縱斷面圖，1-1為池前斷面，2-2為池后斷面。hi為斷面水深，以閘底板高程為基準面，vi為斷面平均流速。

圖15 消力池計算模型區(qū)域縱斷面圖

斷面能量公式：

(1)

消能效率公式：

(2)

消能效率對比結(jié)果見表3，由表3來看，原始設(shè)計的消能效率最低，方案2增設(shè)消力墩的消能效率最高。

表3 消能參數(shù)對比

5.3.7 綜合分析

對比5種方案的流速矢量、水面線變化、消能效率得知，添加消力墩后消能效果有顯著提高。由于此水閘的弗勞德數(shù)較低，分流墩沒有起到很好的消能效果，高速水流與消能墩的銜接也不理想，所以兩種SAF型消力池的消能效率沒有顯著提高?？紤]消能效率，不拆除原消力池等因素，添加消力墩的優(yōu)化設(shè)計方案較好。

6 結(jié) 語

BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)是運用BIM建模軟件創(chuàng)建三維模型，從而服務(wù)于設(shè)計階段[16]、施工階段[17]等。本文通過BIM技術(shù)建立水閘三維模型，并將BIM模型與數(shù)值仿真技術(shù)融合，用于研究水閘的消能工優(yōu)化問題，從而實現(xiàn)水閘消能工方案優(yōu)化設(shè)計。

(1) 在創(chuàng)建三維模型時，可以運用Revit二次開發(fā)，提高建模效率，為后續(xù)仿真模擬實驗打下基礎(chǔ)，避免了二次建模，增加了計算效率。

(2) 通過導(dǎo)出Revit中間格式文件在數(shù)值仿真前處理中與FLUENT結(jié)合應(yīng)用，選用VOF模型和RNGk-ε紊流模型進行水閘消力池水流模擬計算，從而得到水流的流動特性，實現(xiàn)了BIM與數(shù)值仿真技術(shù)的融合運用。

(3) 在消能工優(yōu)化設(shè)計研究中，以原設(shè)計作為對照，選取四組優(yōu)化方案，經(jīng)仿真計算表明，在低弗勞德數(shù)，低水頭的水閘中，在消力池內(nèi)添加消力墩的消能效率最高，與原設(shè)計相比提高了22.39%。