BIM 技術(shù)在水利工程鋼閘門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

竇林瑞，李凱旋，耿曄晗

（1.浪潮軟件科技有限公司，濟(jì)南 250000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 概要

鋼閘門作為低水頭擋泄水建筑物，廣泛應(yīng)用在河道景觀、灌溉蓄水、水庫(kù)擴(kuò)容、水電站增容等水利水電、水生態(tài)建設(shè)及城鎮(zhèn)化建設(shè)項(xiàng)目中［1］。傳統(tǒng)鋼閘門在閘門設(shè)計(jì)階段、 水利工程設(shè)計(jì)及配筋階段、分析階段、深化詳圖階段及施工過(guò)程中常常是分開(kāi)設(shè)計(jì)，這不僅會(huì)造成數(shù)據(jù)信息的丟失，也需要在各個(gè)階段多次重復(fù)性地輸入信息或重新構(gòu)建模型［2］。 因此， 利用BIM技術(shù)應(yīng)用在水利工程鋼閘門的設(shè)計(jì)中具有重要意義。 建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)，可以有效利用數(shù)字信息化的優(yōu)勢(shì)特征，把項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中涵括的多種需求要素，于三維模型上直觀地模擬構(gòu)建， 并具備數(shù)據(jù)信息的完整性、可視化及協(xié)調(diào)性等多方面的特征［3］，從而讓BIM技術(shù)在鋼構(gòu)閘門建設(shè)過(guò)程中所需的各個(gè)階段有機(jī)結(jié)合在一起，最終實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理的目標(biāo)。

目前， 為了提高BIM在水利工程建設(shè)期間的集成化程度， 國(guó)內(nèi)外已針對(duì)BIM在水利工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究，如：王文武［4］將BIM理論、技術(shù)與有限元分析有機(jī)融合，整合了參數(shù)化見(jiàn)長(zhǎng)的三維設(shè)計(jì)軟件Catia， 具備高效模型處理算法的Hyperwork，以及具有強(qiáng)大數(shù)值求解能力的Ansys通用有限元軟件，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算方法與出圖方式的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變。 張偉［5］利用BIM技術(shù)對(duì)引漢濟(jì)渭三河口水利樞紐工程進(jìn)行設(shè)計(jì)及操作， 證明BIM模型不僅能有效利用既有條件完成信息的共享工作，也能精確計(jì)算土方的開(kāi)挖、回填量，同時(shí)完成地質(zhì)模型的建立。 林旭等［6］基于無(wú)為泵站工程介紹BIM在水利工程總承包項(xiàng)目的應(yīng)用， 利用BIM達(dá)到項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中具有信息傳遞性， 通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以使BIM模型信息在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段進(jìn)行無(wú)障礙信息傳遞。

本文基于前者研究， 將BIM技術(shù)應(yīng)用到水利工程鋼閘門設(shè)計(jì)中，以某地區(qū)2m高、23.4m長(zhǎng)小角度支撐的水利工程液壓鋼閘門項(xiàng)目為例， 結(jié)合BIM軟件平臺(tái)Inventor，Revit，Tekla進(jìn)行從設(shè)計(jì)到施工圖階段的對(duì)接和應(yīng)用研究， 梳理水利工程鋼閘門設(shè)計(jì)BIM傳遞到施工階段應(yīng)用的關(guān)鍵信息點(diǎn)，為水利工程鋼閘門設(shè)計(jì)BIM技術(shù)一體化應(yīng)用提供參考。

2 BIM技術(shù)在水利工程鋼閘門中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)在水利工程項(xiàng)目中應(yīng)用的核心價(jià)值就是將水利工程各模型實(shí)現(xiàn)三維可視化， 建立完善的項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)庫(kù)， 實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目在全壽命周期中各個(gè)不同階段的工程信息、 過(guò)程和資源集成為一個(gè)模型，既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)又方便工程各參與方的使用［7］。 技術(shù)優(yōu)勢(shì)具體有：

2.1 三維可視化

傳統(tǒng)水利工程鋼閘門項(xiàng)目從可行性研究階段到施工圖階段一般都是通過(guò)二維圖紙來(lái)展示， 不利于工程各參與方的直觀理解。BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋼閘門關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)、 水工基礎(chǔ)建筑物等各個(gè)單元的三維可視化，整體性更加明確具體。

2.2 參數(shù)關(guān)聯(lián)性及可溯源性

BIM技術(shù)中族的概念至關(guān)重要， 族就相當(dāng)于將所涉及的項(xiàng)目進(jìn)行區(qū)分及參數(shù)化建立，創(chuàng)建者可以按照主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)集的建立或圖形表示的不同進(jìn)行分組，每個(gè)族都能被定義為多種類型，根據(jù)創(chuàng)建模型人員的設(shè)計(jì)， 每種類型都具備不同的材質(zhì)、形狀、尺寸等設(shè)置或其他參數(shù)變量，一旦項(xiàng)目結(jié)構(gòu)需要修改，只需修改相關(guān)參數(shù)，BIM中的模型會(huì)與之相關(guān)聯(lián)的參數(shù)信息自動(dòng)更新，這在很大程度上減少了圖紙修改的繁瑣工程量，也增加了項(xiàng)目信息的可溯源性。

2.3 信息共享性

水利工程鋼閘門在建設(shè)期間涉及多專業(yè)如金屬結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、水工結(jié)構(gòu)等的匯總，傳統(tǒng)工程項(xiàng)目往往會(huì)出現(xiàn)各專業(yè)、各單位之間信息分享不及時(shí)，導(dǎo)致工作量重復(fù)或信息斷層。BIM技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程將各種信息匯總成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，在交叉?zhèn)鬟f過(guò)程中，信息也跟著傳遞，保證了信息的連貫性，提高了工作效率。

2.4 碰撞問(wèn)題的預(yù)見(jiàn)性

鋼閘門水利工程在設(shè)計(jì)中，涉及多專業(yè)交叉，往往出現(xiàn)鋼閘門、基礎(chǔ)埋件、液壓管路等結(jié)構(gòu)與水工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的干涉碰撞， 尤其是在設(shè)計(jì)配筋工作中更容易出現(xiàn)干涉碰撞， 且該干涉碰撞往往在設(shè)計(jì)階段難以預(yù)見(jiàn)，卻發(fā)生在實(shí)際施工過(guò)程中。 BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞問(wèn)題的檢查， 提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，減少“錯(cuò)、漏、碰、缺”和設(shè)計(jì)變更，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

2.5 可出圖性

BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件從二維到三維的互相轉(zhuǎn)換，根據(jù)用戶需求輸出圖紙，兩者之間可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新，無(wú)需單獨(dú)修改。

總之，BIM技術(shù)應(yīng)用在鋼閘門設(shè)計(jì)工作中可以加強(qiáng)不同單位、 不同專業(yè)及不同階段的信息共享與協(xié)作，有效提高工作質(zhì)量和效率。

3 BIM技術(shù)模型實(shí)例分析

本文依托某水利工程鋼閘門建設(shè)實(shí)例項(xiàng)目，主體結(jié)構(gòu)為小角度支撐的液壓鋼閘門結(jié)構(gòu)形式， 設(shè)4扇，單扇寬度5.85m，閘門高2m，過(guò)流凈寬23.4m。水工基礎(chǔ)建筑物包括上游連接段、進(jìn)口鋪蓋、基礎(chǔ)底板、下游消力池、海漫等，上游連接段長(zhǎng)10m，鋪蓋段長(zhǎng)13m，閘室段長(zhǎng)12m，消力池長(zhǎng)15m，海漫段長(zhǎng)15m，全長(zhǎng)共計(jì)65m。

3.1 鋼閘門三維模型設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)建立參數(shù)化族群，是鋼閘門BIM思想設(shè)計(jì)的一種體現(xiàn)。 小角度液壓缸支撐鋼閘門三維模型的設(shè)計(jì)首先依據(jù)鋼閘門設(shè)計(jì)的基本原理與規(guī)范要求，采用Inventor三維軟件模型設(shè)計(jì)，以IFC格式轉(zhuǎn)入到Revit中，進(jìn)行族的創(chuàng)建與參數(shù)化設(shè)計(jì)，族的類型主要包括模板族、部件族和零件族，模板族指的是能夠快速完成的鋼閘門結(jié)構(gòu)， 具備參數(shù)化軸線更新驅(qū)動(dòng)建模，輸入?yún)?shù)較少，結(jié)構(gòu)形式單一；部件族指的是以模板族為基礎(chǔ)，以門葉為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括等截面的主橫梁、次梁等門葉部件族群；零件族指的是鋼閘門之間的各種其他結(jié)構(gòu)類型，如底較支座、預(yù)埋件、止水底板等零件族。 族在建立的時(shí)候，都進(jìn)行了參數(shù)化的設(shè)計(jì)，包括形狀參數(shù)的控制、參數(shù)之間的連接關(guān)系、參數(shù)標(biāo)注、材料性能等參數(shù)信息。 當(dāng)基本類參數(shù)被修改或者刪除時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新及結(jié)構(gòu)的改變， 不必針對(duì)每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行單獨(dú)修改，很大程度上提高了軟件的智能化能力。鋼閘門三維模型如圖1。

圖1 鋼閘門三維模型

3.2 水工基礎(chǔ)三維模型設(shè)計(jì)

Autodesk軟件有限公司是全球最大的二維和三維設(shè)計(jì)、工程與娛樂(lè)軟件公司，早在20世紀(jì)便以CAD軟件占據(jù)了我國(guó)二維制圖行業(yè)大部分市場(chǎng)， 其推出的以Revit為主的BIM軟件套包更是目前國(guó)內(nèi)建筑市場(chǎng)的主要軟件之一［8］。

本項(xiàng)目主要采用Revit軟件進(jìn)行水工基礎(chǔ)三維模型設(shè)計(jì)，主要步驟包括：①利用建筑樣板新建一個(gè)項(xiàng)目，使用“體量和場(chǎng)地”和“地形表面”等工具，根據(jù)使用場(chǎng)地大小、 高程等實(shí)際地形創(chuàng)建工程場(chǎng)地軸網(wǎng)和標(biāo)高；②使用“族”下的“板”“梁”“柱”等負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)的族建立及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配置，可以采用復(fù)制、陣列等辦法添加同類構(gòu)件；③對(duì)“族”參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及關(guān)聯(lián)，其中還可以進(jìn)行尺寸標(biāo)注、材質(zhì)及裝飾、結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息的設(shè)定，這樣便于在后期三維設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，可以隨時(shí)進(jìn)行檢查及修改；④進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)組裝及優(yōu)化，并對(duì)組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，修改干涉碰撞部位，完善結(jié)構(gòu)，生成三維模型，如圖2，圖3。

圖2 擋墻參數(shù)設(shè)定過(guò)程

圖3 整體三維水工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

3.3 配筋及碰撞檢查

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)配筋工作繁瑣且設(shè)計(jì)任務(wù)重， 不僅耗費(fèi)大量人力物力，還容易出錯(cuò)，給項(xiàng)目的質(zhì)量、安全及成本控制帶來(lái)了不確定性和差異性，而B(niǎo)IM給配筋設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了簡(jiǎn)便及準(zhǔn)確性，BIM模型里儲(chǔ)存了該項(xiàng)目的所有幾何、物理、性能等信息，實(shí)際上是項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)模型，可以進(jìn)行碰撞檢查，避免空間關(guān)系的沖突， 優(yōu)化資源設(shè)計(jì)， 減少項(xiàng)目可能存在的錯(cuò)誤和返修，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以比較好的預(yù)測(cè)項(xiàng)目成本［9］。本項(xiàng)目主要采用Tekla軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋， 主要步驟：①將Revit三維模型以IFC格式導(dǎo)入到Tekla中，設(shè)計(jì)鋼筋參數(shù)，進(jìn)行配筋；②進(jìn)行碰撞檢測(cè)，及時(shí)進(jìn)行配筋修改，該步驟不僅將配筋過(guò)程可視化，還簡(jiǎn)化了繁瑣的配筋施工圖；③快速提取鋼筋施工料表，提出合理鋼筋計(jì)劃；④提供施工圖紙。

圖4 二維平面布置

圖5 閘底板結(jié)構(gòu)配筋

4 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化精細(xì)設(shè)計(jì)建模、多專業(yè)錯(cuò)漏碰檢查、工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、三維配筋、二維出圖、 視覺(jué)傳達(dá)等多方位的專業(yè)性工作，還完成了以三維BIM模型為核心的數(shù)字化設(shè)計(jì)成果交付示范， 而其中的三維可視化、 參數(shù)關(guān)聯(lián)性及可溯源性、 信息共享性、 碰撞問(wèn)題的預(yù)見(jiàn)性、 可出圖性等技術(shù)特點(diǎn)更提高了工作質(zhì)量與效率， 為工程提供更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)與咨詢服務(wù)。 本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為例， 梳理水利工程鋼閘門設(shè)計(jì)到施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵信息點(diǎn)， 對(duì)在水利工程鋼閘門建設(shè)項(xiàng)目中推廣BIM的全面應(yīng)用及促進(jìn)建設(shè)工程創(chuàng)新具有重要意義。