基于BIM技術(shù)的泵站進(jìn)出水流道異形漸變結(jié)構(gòu)施工方法

尚琦智 高 艷 劉文濤

(江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 前 言

近年來，江蘇省及周邊范圍內(nèi)興建了多座大型泵站或樞紐工程，隨著工程單體量以及泵站單機(jī)流量不斷增大，泵站進(jìn)出水流道的結(jié)構(gòu)也越發(fā)復(fù)雜多變。目前，泵站進(jìn)出水流道異形結(jié)構(gòu)多為大尺寸異形漸變截面，無法從傳統(tǒng)CAD圖紙中準(zhǔn)確描述該流道的結(jié)構(gòu)型式和位置，使其立體空間定位與施工均存在較大難度，增加了施工難度，影響了質(zhì)量[1]。部分學(xué)者基于BIM技術(shù)開展了一些工程施工技術(shù)的研究，但未在水利工程異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中得到應(yīng)用[2-14]。為此，依托南通市通呂運(yùn)河閘泵工程，結(jié)合BIM與3D打印技術(shù)，打印出泵站進(jìn)出水口異形結(jié)構(gòu)模板，完成泵站進(jìn)出水口異形構(gòu)件的制作，并總結(jié)基于BIM技術(shù)的泵站進(jìn)出口流道結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。

2 泵站流道異形結(jié)構(gòu)施工

2.1 施工工藝流程

基于BIM+3D打印技術(shù)的泵站異形結(jié)構(gòu)施工主要是通過BIM建模技術(shù)[15-17]，精準(zhǔn)進(jìn)行BIM三維建模和泵站異形結(jié)構(gòu)模板的分塊設(shè)計(jì)、加工及安裝的技術(shù)參數(shù)控制。其具體施工流程為：首先依據(jù)審核確認(rèn)的施工圖，基于BIM建模技術(shù)構(gòu)建泵站流道異形結(jié)構(gòu)模型以及定型組合式鋼模板總體結(jié)構(gòu)模型；然后再利用BIM技術(shù)模擬鋼模板結(jié)構(gòu)拆分及組裝，為其分塊加工提供精細(xì)準(zhǔn)確的三維設(shè)計(jì)圖和加工技術(shù)參數(shù)，加工便于運(yùn)輸及拼裝的組合式鋼模板；接著進(jìn)行現(xiàn)場鋼模板拼裝及支撐加固，并利用3D打印模型以及相關(guān)技術(shù)參數(shù)對異形結(jié)構(gòu)部位模板及支撐體系現(xiàn)場拼裝進(jìn)行精確放樣，保證泵站異形結(jié)構(gòu)部位三維立體定位及斷面結(jié)構(gòu)尺寸；最后澆筑泵站流道層混凝土，完成異形結(jié)構(gòu)施工。

2.2 泵站流道異形結(jié)構(gòu)三維模型的建立

圖1給出了BIM三維可視化施工模型，該模型主要是通過提取圖2所示的泵站流道異形結(jié)構(gòu)二維設(shè)計(jì)施工圖數(shù)據(jù)建立的。在建立結(jié)構(gòu)及模板三維模型時(shí)，需與業(yè)主方、設(shè)計(jì)方溝通確認(rèn)泵站流道異形結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)和各結(jié)構(gòu)參數(shù)有無偏差，確定CAD圖紙的準(zhǔn)確性。之后，在模型上任意提取坐標(biāo)點(diǎn)與CAD圖進(jìn)行對比，確保每個(gè)點(diǎn)準(zhǔn)確無誤。最后，為便于泵站流道異形結(jié)構(gòu)施工，可再利用3D打印技術(shù)打印出如圖3所示的異形結(jié)構(gòu)流道模型。

圖1 泵站流道BIM模型

圖2 二維坐標(biāo)體系下總體流道截面 (單位：mm)

圖3 3D打印流道模型

2.3 泵站異形結(jié)構(gòu)定型組合式鋼模板設(shè)計(jì)及模擬拼裝

定型組合式鋼模板設(shè)計(jì)，可根據(jù)泵站流道異形結(jié)構(gòu)模型及其與模板接觸面的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行，利用BIM建模技術(shù)構(gòu)建定型組合式鋼模板總體結(jié)構(gòu)模型。需要注意的是，該模型構(gòu)建時(shí)需既保證模板整體曲面的造型，也相應(yīng)進(jìn)行模板支撐體系設(shè)計(jì)以保證施工時(shí)架體的整體安全性。

通過應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行定型組合鋼模板整體虛擬拼裝(見圖4)和拆分，尋求最優(yōu)化的模板分塊(見圖5)加工、拼裝方案，模板分塊原則需考慮單塊模板以便于現(xiàn)場吊裝和安放，同時(shí)還應(yīng)與整體模板曲面體系相協(xié)調(diào)，盡量不在模板曲面異形處分縫以免模板安裝時(shí)因拼縫誤差造成異形結(jié)構(gòu)整體順直度較差，與此同時(shí)模板分塊還需考慮后方支撐體系的相互銜接及整體穩(wěn)定性。

圖4 泵站流道異形結(jié)構(gòu)組合鋼模板

圖5 泵站流道異形結(jié)構(gòu)組合鋼模板分塊模型

通過基于BIM與3D打印技術(shù)的模板精確對照技術(shù)參數(shù)可加工出便于運(yùn)輸及拼裝的定型組合式鋼模板，運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行鋼模板拼裝及支撐加固，并依托相關(guān)技術(shù)參數(shù)，對現(xiàn)場異形結(jié)構(gòu)部位模板及支撐體系現(xiàn)場拼裝、精確放樣，從而有效保證泵站異形結(jié)構(gòu)部位三維立體定位及斷面結(jié)構(gòu)尺寸。

2.4 泵站流道異形結(jié)構(gòu)組合式鋼模板工廠加工及現(xiàn)場拼裝

泵站流道異形結(jié)構(gòu)組合式鋼模板(見圖6)加工需嚴(yán)格按照BIM建模技術(shù)進(jìn)行虛擬拼裝及相關(guān)驗(yàn)算后得出的模板分塊加工設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行。鋼模板尺寸、平整度、接縫等技術(shù)指標(biāo)的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)需嚴(yán)格按照國家有關(guān)的鋼板驗(yàn)收規(guī)范(JYJ 041—2000)來執(zhí)行。對于曲面鋼模板，需做好樣架后由工程技術(shù)人員及監(jiān)理工程師進(jìn)一步驗(yàn)收確認(rèn)參數(shù)無誤后方可進(jìn)行模板面板鋪設(shè)，整體組合式鋼模板加工完成后需在工廠內(nèi)先進(jìn)行試拼裝并由工程技術(shù)人員進(jìn)行檢驗(yàn)，模板結(jié)構(gòu)尺寸及曲面參數(shù)均符合驗(yàn)收要求后方可出廠運(yùn)往施工現(xiàn)場。

圖6 泵站流道異形結(jié)構(gòu)組合鋼模板

組合鋼模板進(jìn)入施工現(xiàn)場后，需嚴(yán)格按照模板設(shè)計(jì)參數(shù)和加工分塊等參數(shù)進(jìn)場驗(yàn)收，對模板在運(yùn)輸過程中是否出現(xiàn)碰撞變形或損壞進(jìn)行逐一排查，滿足要求后方可卸貨。卸貨時(shí)嚴(yán)格按分塊編號及安裝順序要求分類堆放，并由專人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、看管。安裝時(shí)依托BIM模型和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，對現(xiàn)場異形結(jié)構(gòu)部位模板及支撐體系現(xiàn)場拼裝、精確放樣，由工程技術(shù)人員嚴(yán)格按照組合鋼模板分塊編號及安裝順序要求進(jìn)行安裝，并及時(shí)加固模板支撐體系，模板及支撐體系安裝加固完成后組織驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下道工序施工。

2.5 澆筑泵站流道層混凝土

現(xiàn)場泵站流道異形結(jié)構(gòu)組合鋼模板安裝加固完成并經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收后，進(jìn)行泵站流道整體混凝土澆筑(見圖7)，完成泵站流道異形結(jié)構(gòu)混凝土施工。流道混凝土澆筑施工需連續(xù)均衡上升，全斷面分層澆筑，分層厚度為30cm左右，澆筑過程中加強(qiáng)混凝土原材料質(zhì)量控制和振搗質(zhì)量控制，注意不可將振搗棒直接接觸組合鋼模板表面，以避免造成拼縫或支撐體系松動(dòng)變形，澆筑過程中模板工全程值班巡查，確保模板及支撐體系安全穩(wěn)定無超規(guī)范變形，混凝土澆筑完成后及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，避免因內(nèi)外溫差過大造成混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，混凝土強(qiáng)度需滿足規(guī)范要求的拆模強(qiáng)度后方可進(jìn)行模板拆除(見圖8)。

圖7 泵站流道層混凝土澆筑

圖8 泵站流道異形結(jié)構(gòu)組合鋼模板拆除

模板拆除時(shí)需確?；炷翉?qiáng)度滿足規(guī)范要求，需避免對混凝土結(jié)構(gòu)表面造成破壞，拆模完成后及時(shí)對泵站流道異形結(jié)構(gòu)實(shí)體按規(guī)范進(jìn)行施工質(zhì)量檢測(見圖9)，主要包括結(jié)構(gòu)斷面尺寸、表面平整度、外觀質(zhì)量等，滿足條件后及時(shí)進(jìn)行施工質(zhì)量評定，最后對應(yīng)用過程和效果進(jìn)行總結(jié)，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以便于在后續(xù)類似工程施工中不斷完善施工工藝，提高施工工效及施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 泵站流道異形結(jié)構(gòu)拆模后檢測

3 工程實(shí)例

通呂運(yùn)河水利樞紐工程位于南通市通呂運(yùn)河靠近長江口門處，為新建閘站樞紐，由1座抽水泵站和10孔節(jié)制閘組成，泵站工程單向引水設(shè)計(jì)流量為100m3/s，站身為堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，采用三臺套豎井貫流泵機(jī)組，單機(jī)流量33.3m3/s，水泵葉輪直徑3.3m，安裝高程-4.8m(廢黃河高程系，下同)，配套電機(jī)功率1600kW，總裝機(jī)容量4800kW，水泵與電機(jī)采用齒輪箱連接。泵站采用豎井雙側(cè)進(jìn)水，平直管出水流道，進(jìn)水側(cè)設(shè)擋洪門一道，并在擋洪門前設(shè)置安全隔柵。出水流道末端設(shè)快速工作閘門(帶小拍門)、事故閘門(兼檢修門)各一道，配液壓啟閉機(jī)啟閉，工作門布置在內(nèi)側(cè)，事故門布置在外側(cè)。為滿足豎井內(nèi)設(shè)備和流道布置要求，機(jī)組中心距取用10.0m。進(jìn)水流道入口斷面8.8m×4.9m，出水流道出口斷面8.0m×4.9m。站身采用一塊底板(3臺泵+空箱)，站身總寬38.92m(與節(jié)制閘連接段總寬37.7m)，順?biāo)飨蜷L38.8m。

泵站進(jìn)出水流道異形結(jié)構(gòu)施工采用基于BIM+3D打印技術(shù)的泵站異形結(jié)構(gòu)施工方法，針對泵站異形結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)，利用BIM+3D打印技術(shù)，進(jìn)行鋼模板的總體模型設(shè)計(jì)、拆分及拼裝模擬、組合模塊編號及詳細(xì)參數(shù)精確控制，指導(dǎo)鋼模板精細(xì)加工及現(xiàn)場拼裝等，并利用3D打印模型進(jìn)行直觀的技術(shù)交底，有效提高了現(xiàn)場施工效率和施工質(zhì)量水平，且該方法技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備及工序原理簡單、操作方便、節(jié)約成本、保證質(zhì)量與安全、施工效率高、施工效果滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，方法應(yīng)用效果良好。該工程于2018年10月29日開工建設(shè)，2020年6月30日順利通過完工驗(yàn)收。

通過采用上述方法對通呂運(yùn)河樞紐泵站流道異形結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，取得了如下一些效益：

利用BIM建模技術(shù)指導(dǎo)泵站流道異形結(jié)構(gòu)鋼模板工廠化精細(xì)加工及現(xiàn)場快速拼裝，能夠有效解決傳統(tǒng)施工工藝存在的工期長、施工控制精度差等不足，且能夠減少現(xiàn)場配模工作量，提高施工效率，有效縮短工期，經(jīng)測算對比傳統(tǒng)磚?；蚰灸Ｊ┕た晒?jié)約工期約50%，同時(shí)本方法可有效提高泵站異形結(jié)構(gòu)施工精度，保證施工質(zhì)量，具有較明顯的工期效益和質(zhì)量效益。

利用鋼結(jié)構(gòu)作為模板及支撐材料，其在工廠加工完成后運(yùn)至現(xiàn)場作業(yè)面能夠快速高效拼裝完成，避免現(xiàn)場加工模板造成污染，且施工完成后模板及支撐材料均可進(jìn)行回收或再利用，相比傳統(tǒng)木?；虼u模施工工藝，具有較好的環(huán)保效益。

現(xiàn)場施工僅為定型鋼模板拼裝，并且已在工廠完成過試拼裝，現(xiàn)場各工序流程簡單，作業(yè)環(huán)境較好，沒有二次加工以及現(xiàn)場大功率用電等較易發(fā)生危險(xiǎn)的作業(yè)，安全隱患較小，安全效益也較為明顯。

采用基于BIM+3D打印技術(shù)的泵站異形結(jié)構(gòu)施工方法，可節(jié)約施工成本約56%，且能夠縮短工期50%，該工藝在通呂運(yùn)河水利樞紐工程泵站進(jìn)出水流道施工中得到推廣應(yīng)用，縮短了工期，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。該工藝與傳統(tǒng)施工工藝經(jīng)濟(jì)效益對比分析見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)效益綜合分析對比

與其他類型的施工方法相比，BIM技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)施工全過程三維可視化模擬，對于施工技術(shù)交底更直觀、更明確，能更好地適用于泵站流道異形結(jié)構(gòu)等復(fù)雜形體的施工。本方法的應(yīng)用不僅能降低工程造價(jià)、縮短施工工期、提高質(zhì)量與安全保障，還對現(xiàn)代化水利施工和智慧水利建設(shè)的推進(jìn)有著重要意義。推廣基于BIM+3D打印技術(shù)的泵站異形結(jié)構(gòu)施工方法，能夠有效解決現(xiàn)代化水利工程建設(shè)中設(shè)計(jì)與施工脫節(jié)的問題，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代化水利工程建設(shè)完美結(jié)合的必由之路，其經(jīng)濟(jì)和社會效益十分顯著，綜合效益明顯。

4 結(jié) 論

基于BIM技術(shù)的泵站進(jìn)出水流道異形漸變結(jié)構(gòu)施工方法，可解決流道結(jié)構(gòu)型式和位置的確定問題，能減小立體空間定位與施工難度，保障施工進(jìn)度與質(zhì)量。但未考慮從業(yè)人員的業(yè)務(wù)水平，今后研究還要考量施工人員的工作能力，以增強(qiáng)異形結(jié)構(gòu)施工的精準(zhǔn)性。