基于BIM的液壓頂推升降式翻板閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王雪巖，李國(guó)寧，王文強(qiáng)，梁一飛，范 岳，薛 潔，左舒揚(yáng)

(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

昆都侖河治理工程的設(shè)計(jì)任務(wù)以景觀設(shè)計(jì)為主，兼顧防洪功能，形成多級(jí)瀑布、碧波蕩漾、工程和自然和諧共生的景觀模式，提高兩岸防洪能力，保障沿河兩岸設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的安全，改善小氣候，美化環(huán)境，構(gòu)成具有民族特色的景觀帶。

根據(jù)工程總體布置，河道治理總長(zhǎng)度約為16.6km，設(shè)計(jì)景觀壩1座，采用單孔形式，孔口寬200m，擋水高度3.5m。其中，昆河南橋下1.3km，為內(nèi)蒙古自治區(qū)成立70周年大慶獻(xiàn)禮段工程。

1 工程設(shè)計(jì)

1.1 水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1總體布置

根據(jù)工程布置，液壓頂推升降式翻板閘樁號(hào)為1+000，蓄水總長(zhǎng)1.0km，比降為2.87/1000。壩高3.5m，壩寬200m，壩后跌水高0.7m。最大設(shè)計(jì)壩前水深3.5m，蓄水面積20萬m2，蓄水量為45萬m3。

具體參數(shù)見表1。

表1 南橋至包蘭鐵路段液壓頂推升降式翻板閘蓄水參數(shù)表

1.1.2液壓頂推升降式翻板閘設(shè)計(jì)

液壓頂推升降式翻板閘由上游鋪蓋段、液壓頂推升降式翻板閘閘室段、消力池段組成，總長(zhǎng)均為35m。

(1)上游鋪蓋

液壓頂推升降式翻板閘上游鋪蓋長(zhǎng)12m，選用0.7m厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋪蓋下設(shè)0.1m厚素混凝土墊層。

(2)液壓頂推升降式翻板閘閘室段

閘孔凈寬200m，液壓頂推升降式翻板閘由32扇6.25×3.5m(寬×高)鋼結(jié)構(gòu)面板組成，每扇門葉后均設(shè)置兩根液壓桿。液壓頂推升降式翻板閘邊墻采用C25鋼筋混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)，與底板澆成一個(gè)整體。頂寬1.0m，迎水端為直立面，背水端邊坡1∶0.3，邊墻高為4.5m。

(3)消力池段

液壓頂推升降式翻板閘閘室后以坡度1∶4.0與消力池相接，消力池順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)15m，消力池池深0.7m。消力池底板厚0.6m，選用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.2 金屬結(jié)構(gòu)

1.2.1概況及組成部分

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要由以下三部分組成：工作閘門、啟閉設(shè)備和閘前防冰凍設(shè)備。

1.2.2金屬結(jié)構(gòu)布置方案

液壓頂推升降式翻板閘采用改進(jìn)型液壓頂推升降式翻板閘方案，啟閉設(shè)備選用多級(jí)柱塞式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，配置兩套液壓泵站，左、右岸各一套，每套控制16扇閘門。由于冬季閘門擋水運(yùn)行，閘前設(shè)置一套防冰凍裝置。

1.2.3金屬結(jié)構(gòu)防冰凍措施

空壓機(jī)→儲(chǔ)氣罐→主管路→支管路→吹氣裝置。

空氣通過壓縮機(jī)進(jìn)入有壓力的儲(chǔ)氣罐，經(jīng)過穩(wěn)壓后連續(xù)穩(wěn)定的輸出到管路當(dāng)中，經(jīng)過吹氣裝置吹到閘門前，氣泡不斷上升，最后到達(dá)水面爆破，防止水面結(jié)冰。

2 基于BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

基于Inventor軟件對(duì)包頭市昆都侖河景觀河道液壓頂推升降式翻板閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行三維參數(shù)化建模，將液壓頂推升降式翻板閘的水工結(jié)構(gòu)通過拉伸、開槽，挖孔等命令將底板、擋土墻等部件用衍生特征形成關(guān)聯(lián)，將閘門門葉與閘底板通過底支鉸通過iLogic規(guī)則編輯，完成參數(shù)化聯(lián)動(dòng)。利用Vault軟件將建好的水工結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入平臺(tái)，對(duì)模型信息進(jìn)行管理存儲(chǔ)，完成各專業(yè)的模型裝配。對(duì)液壓頂推升降式翻板閘模型的局部和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。最后繪制三維模型圖紙，將模型進(jìn)行局部剖視和軸側(cè)三維展示，提供工程量明細(xì)，進(jìn)行施工模擬。

2.2 水工結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.2.1水工結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)

為提高水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，運(yùn)用Inventor軟件建立水工結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型庫，實(shí)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)模型的快速建立及調(diào)整修改。對(duì)于常用的、構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單的單體結(jié)構(gòu)，如閘底板、左右邊墻、上下游擋土墻、上游鋪蓋、下游消力池、上下游邊坡等，運(yùn)用衍生特征命令，編輯表單，設(shè)置ILOGIC規(guī)則，建立相應(yīng)的建模系統(tǒng)，將各組成部分的參數(shù)化建模、相互間關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行整合，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。如圖2所示。

圖2 水工結(jié)構(gòu)模型

2.2.2計(jì)算分析

建立水工結(jié)構(gòu)建模軟件與常用分析計(jì)算軟件間的數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行有限元分析等計(jì)算分析工作，并能將計(jì)算分析并調(diào)整后的模型返回水工結(jié)構(gòu)建模軟件的設(shè)計(jì)模型中，促進(jìn)設(shè)計(jì)工作優(yōu)化調(diào)整的便捷性。如圖3所示。

圖3 水工結(jié)構(gòu)有限元分析

圖4 三維配筋及鋼筋圖

2.2.3配筋設(shè)計(jì)

配筋設(shè)計(jì)基于水工結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行鋼筋配筋，實(shí)現(xiàn)鋼筋類型、數(shù)量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)及鋼筋表的自動(dòng)生成。如圖4所示。

2.2.4圖紙輸出

建立適合水利水電工程設(shè)計(jì)規(guī)范的統(tǒng)一制圖模板，基于水工專業(yè)三維模型實(shí)現(xiàn)各類工程圖紙的生成，包括平面圖、剖面圖、三維軸側(cè)圖以及局部詳圖等，內(nèi)容包括圖框及標(biāo)題欄、各類標(biāo)注(包括字型、字號(hào)、線型、線寬、符號(hào)形式、填充方式、顏色等)、各類數(shù)據(jù)表格、圖幅及比例尺適配等。生成的工程圖紙需與相應(yīng)的水工結(jié)構(gòu)三維模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)調(diào)整修改時(shí)，工程圖紙的自動(dòng)更新。如圖5所示。

圖5 水工圖

2.3 金屬結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.3.1閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)用Inventor軟件建立水工鋼閘門參數(shù)化模型，將鋼閘門模型門葉進(jìn)行全參數(shù)化設(shè)計(jì)，如閘門寬度、擋水高度等參數(shù)與水工結(jié)構(gòu)建立規(guī)則聯(lián)系，形成液壓頂推升降式翻板閘整體參數(shù)化聯(lián)動(dòng)。其他零部件如底支鉸、耳板等建立系列庫，液壓泵站、液壓油缸等逐漸積累形成各級(jí)容量啟閉機(jī)模型庫。如圖6所示。

2.3.2計(jì)算分析

將裝配完成的閘門模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，設(shè)置運(yùn)行的邊界條件并加載工程運(yùn)行中的相關(guān)載荷，對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定分析、應(yīng)力分析、位移分析等計(jì)算分析工作，對(duì)應(yīng)力集中或者位移偏大的地方進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。如圖7所示。

圖7 金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

2.3.3圖紙輸出

將三維模型與二維平面圖靈活結(jié)合，繪制可以直接進(jìn)行加工生產(chǎn)的零部件圖。針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)建立符合規(guī)范的統(tǒng)一制圖模板，將各零部件的材料、型號(hào)、裝配要求、加工精度、粗糙度以及公差配合等信息清晰明白地傳達(dá)到圖紙上，準(zhǔn)確無誤地傳遞給生產(chǎn)車間。生成的工程圖紙與相應(yīng)的零部件三維模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)調(diào)整修改時(shí)，工程圖紙的自動(dòng)更新。如圖8所示。

圖8 閘門總圖

2.3.4防冰凍設(shè)備的設(shè)計(jì)

運(yùn)用Inventor軟件將防冰凍系統(tǒng)中的空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、油水分離器、吹氣單元、管路及附件、氣動(dòng)閥組以及控制柜等組成模塊進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)。將各模塊根據(jù)兩側(cè)設(shè)備控制房的大小進(jìn)行合理的布局?jǐn)[放。將吹氣管垂直排列布置，減少壓力損失。

空氣通過壓縮機(jī)進(jìn)入有壓力的儲(chǔ)氣罐，經(jīng)過穩(wěn)壓后連續(xù)穩(wěn)定的輸出到管路當(dāng)中，經(jīng)過吹氣裝置吹到閘門前，氣泡不斷上升，最后到達(dá)水面爆破，防止水面結(jié)冰。如圖9所示。

圖9 防冰凍設(shè)備

2.4 聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

BIM 技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，將各專業(yè)的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換為信息化模型，最終生成高質(zhì)量、高精度的施工圖紙。BIM 技術(shù)作為主要的溝通方式，將不同專業(yè)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，設(shè)計(jì)人員能夠直觀的對(duì)三維建筑模型進(jìn)行分析，將設(shè)計(jì)中存在不合理的區(qū)域進(jìn)行三維校審，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)不足之處，提出針對(duì)性的調(diào)整意見，適當(dāng)修改參數(shù)，即可調(diào)整零件尺寸、鋼筋擺放、混凝土規(guī)格、閘門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等，從而確保整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度。

液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)是調(diào)整閘門和閘底板聯(lián)動(dòng)參數(shù)，液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)會(huì)隨著河道寬度和擋水高度整體參數(shù)化聯(lián)動(dòng)。以包頭市昆都侖河景觀河道液壓頂推升降式翻板閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)其中河道寬度作為變量，其他作為定量，將兩扇閘門的液壓頂推升降式翻板閘河道寬度12.5m進(jìn)行參數(shù)化聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，調(diào)整為32扇閘門的液壓頂推升降式翻板閘河道寬度為200m。

2.4.1金屬結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)

(1) 建立Excel參數(shù)表作為第三方參數(shù)聯(lián)接，同時(shí)也作為與其他專業(yè)的參數(shù)數(shù)據(jù)接口，在編輯模型內(nèi)創(chuàng)建用戶參數(shù)，以閘門門葉為例，如圖10—11所示。

圖10 Excel參數(shù)表

圖11 門葉用戶參數(shù)

(2)按照門葉分節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維參數(shù)化建模，將門葉分為左側(cè)門葉和右側(cè)門葉，根據(jù)閘門中心，對(duì)稱布置，創(chuàng)建模型如圖12所示，門葉參數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整，如圖13所示。

圖12 左側(cè)門葉

圖13 門葉結(jié)構(gòu)參數(shù)

(3)其他零部件如底支鉸、側(cè)止水部件、底止水部件、液壓缸、鎮(zhèn)墩等通過衍生門葉進(jìn)行多實(shí)體創(chuàng)建，前面已演示模型創(chuàng)建過程，這里不再贅述，裝配好的閘門模型如圖14所示。

圖14 閘門裝配

2.4.2水工結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)

液壓頂推升降式翻板閘是水閘的一種類型，是以金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)為主、水工專業(yè)及其他專業(yè)配合的一種景觀河道類工程。為提高水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，運(yùn)用Inventor軟件建立水工結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型庫，實(shí)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)模型的快速建立及調(diào)整修改，并設(shè)置聯(lián)動(dòng)參數(shù)作為金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)參數(shù)模型的接口。

參數(shù)化模型庫按照水工專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行分類建立，并結(jié)合各設(shè)計(jì)對(duì)象的類型進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，具體參數(shù)化模型應(yīng)包含尺寸、定位、材質(zhì)等信息。對(duì)于液壓頂推升降式翻板閘水工結(jié)構(gòu)，將閘底板作為布局零件，左右邊墻、上下游擋土墻、上游鋪蓋、下游消力池、上下游邊坡等運(yùn)用衍生特征命令，關(guān)聯(lián)水工結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置ILOGIC規(guī)則，編輯表單，建立相應(yīng)的建模系統(tǒng)，將各組成部分的參數(shù)化建模、相互間關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行整合，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

(1) 聯(lián)接Excel參數(shù)表作為第三方參數(shù)表，在編輯模型內(nèi)創(chuàng)建用戶參數(shù)，以閘底板為例，如圖15所示。

圖15 閘底板用戶參數(shù)

(2)按兩扇閘門寬度為12.5m的閘底板作為最小單體進(jìn)行參數(shù)化創(chuàng)建，以兩扇閘門中心作為閘底板中心，對(duì)稱布置，創(chuàng)建模型如圖16—17所示。

圖16 閘底板

圖17 閘底板結(jié)構(gòu)參數(shù)

(3)將閘底板作為 “源零件”，衍生到其他零件如邊墻、擋土墻、鋪蓋、消力池等布局零件中，通過生成多實(shí)體創(chuàng)建裝配體，裝配好的水工建筑物如圖18所示。

圖18 水工建筑物裝配

2.4.3金屬結(jié)構(gòu)與水工結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

(1)將金屬結(jié)構(gòu)總體裝配模型與閘底板進(jìn)行約束裝配，如圖19所示。

圖19 專業(yè)配合裝配

(2)設(shè)置裝配體中iLogic規(guī)則，分別將兩扇閘門隨著閘底板寬度(河道寬度)的變化進(jìn)行陣列，使閘門整體結(jié)構(gòu)與水工建筑物形成整體聯(lián)動(dòng)，如圖20所示。

圖20 專業(yè)配合裝配

(3)手動(dòng)更新水工建筑物模型，生成液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)模型如圖21所示。

圖21 液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)

(4)修改Excel參數(shù)表中河道寬度為200m，手動(dòng)更新模型，液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)將會(huì)自動(dòng)調(diào)整為200m，如圖22—23所示。

圖22 修改Excel參數(shù)表

圖23 液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)

基于BIM技術(shù)對(duì)液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)與上下游專業(yè)銜接融合成為一體，讓整個(gè)工程充滿空間感和層次感，能夠充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，讓設(shè)計(jì)產(chǎn)品完美的呈現(xiàn)。如圖24所示。

圖24 液壓頂推升降式翻板閘效果圖

3 結(jié)語

本項(xiàng)目基于BIM技術(shù)，進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，集合了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析，貫通了工程設(shè)計(jì)從三維模型到二維圖紙的轉(zhuǎn)換，將水工專業(yè)和金屬結(jié)構(gòu)等專業(yè)靈活結(jié)合在同一設(shè)計(jì)空間內(nèi)，可借鑒其他項(xiàng)目使用。液壓頂推升降式翻板閘與鋼壩閘、氣盾閘等河道景觀類閘型類似，觸類旁通，舉一反三，可以將液壓頂推升降式翻板閘的BIM設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到其他壩型中，拓展景觀河道類水閘的應(yīng)用范圍，為其他景觀河道類閘的設(shè)計(jì)提供了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。