基于BIM技術(shù)的白鶴灘水電站泄洪洞弧形閘門支鉸及下支臂安裝施工模擬

王孝海，羅 剛，黃紀(jì)村，趙賀來，王 博

(1.中國(guó)三峽建工(集團(tuán))有限公司，四川成都610000；2.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024；3.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南鄭州450046)

1 工程概況

白鶴灘水電站左岸共設(shè)3孔泄洪洞，在每孔泄洪洞進(jìn)口設(shè)置1扇超大型橫向三支臂結(jié)構(gòu)弧形工作閘門，用于水庫擋水、泄洪。閘門質(zhì)量720 t，孔口尺寸15 m×9.5 m，底檻高程770.00 m，總水壓力為122 300 kN，設(shè)計(jì)水頭58.00 m[1]。閘門安裝具有外形尺寸大、結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量大、進(jìn)水塔工作門閘室封閉、空間狹小等特點(diǎn)，施工干擾多、難度大。

弧形閘門安裝的主要工序有天錨預(yù)埋、液壓提升裝置安裝、臺(tái)車組拼、支撐大梁安裝、門葉臥拼及吊裝、支鉸及下支臂安裝、上支臂安裝、門葉與支臂連接、支臂連接桿等，其中支鉸及下支臂安裝為弧形閘門安裝的關(guān)鍵工序，分為支鉸和下支臂拼裝、提升就位、微調(diào)對(duì)準(zhǔn)、螺栓連接以及整體吊裝5道工序[2- 4]，施工干擾較多，測(cè)量控制、水平和垂直運(yùn)輸手段的選擇及安裝順序的確定等均是支鉸及下支臂安裝的重點(diǎn)。因此，在創(chuàng)建閘門三維模型的基礎(chǔ)上，通過弧形閘門支鉸及下支臂安裝施工的精確化模擬，對(duì)吊裝工序的合理性及預(yù)設(shè)方案的可行性進(jìn)行預(yù)判。通過支鉸及下支臂安裝碰撞檢查，可有效解決閘門安裝過程中可能遇到的施工干擾問題，優(yōu)化吊裝工序，確?；⌒伍l門安裝質(zhì)量及工期。

2 閘門三維模型創(chuàng)建

2.1 建模軟件的選擇

泄洪洞進(jìn)口模型以及金屬結(jié)構(gòu)使用Inventor軟件建模，樓梯等建筑相關(guān)結(jié)構(gòu)使用Revit軟件建模，各種吊裝設(shè)備、軌道等施工臨時(shí)設(shè)施采用3ds max軟件建模，施工過程采用navisworks軟件進(jìn)行模型拼裝、施工方案的精細(xì)化模擬，并在各個(gè)吊裝過程進(jìn)行模型干擾及碰撞檢查。

2.2 模型創(chuàng)建基準(zhǔn)

基本建模單位采用米，閘門相應(yīng)結(jié)構(gòu)建模單位采用毫米。項(xiàng)目的控制坐標(biāo)原點(diǎn)為2號(hào)進(jìn)水塔孔口底板中心點(diǎn)，該坐標(biāo)系統(tǒng)是本項(xiàng)目所有模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)控制點(diǎn)，是進(jìn)行項(xiàng)目組合的基本對(duì)準(zhǔn)約束條件，無論是inventor還是revit建模，其基礎(chǔ)坐標(biāo)原點(diǎn)不變，坐標(biāo)軸方向也保持一致。

2.3 閘門單體模型創(chuàng)建

閘門單體模型創(chuàng)建主要包括進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)模型、弧形工作閘門模型及施工附屬設(shè)施模型。進(jìn)水塔主體結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建包含結(jié)構(gòu)混凝土、回填混凝土、泄洪洞進(jìn)口孔洞、事故檢修門槽、啟閉機(jī)室、工作閘門室、平壓通道及其附屬結(jié)構(gòu)等?；⌒喂ぷ鏖l門模型創(chuàng)建包括門葉、門槽、支臂及支鉸[5- 6]。

在主體模型的創(chuàng)建工作中，基于統(tǒng)一的控制坐標(biāo)系統(tǒng)，模型尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙1∶1創(chuàng)建。采用大體型結(jié)構(gòu)體與孔洞布爾運(yùn)算方式進(jìn)行建模，其中涉及技術(shù)難度較大的進(jìn)水口洞身建模，可以采用洞身縱剖面與橫剖面相結(jié)合的拉伸方式創(chuàng)建。建筑物主體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 建筑物主體結(jié)構(gòu)模型

施工附屬設(shè)施模型創(chuàng)建包括液壓提升器、底板防護(hù)、大梁支架、大梁軌道、汽車吊、臨時(shí)支護(hù)、插筋及連接鋼筋、臺(tái)車、手拉葫蘆等[7- 8]。施工附屬設(shè)施模型主要進(jìn)行空間碰撞檢查，在外部尺寸上達(dá)到相應(yīng)要求即可，細(xì)部結(jié)構(gòu)建模要求不高，因此采用3D max軟件進(jìn)行創(chuàng)建。施工附屬設(shè)施模型如圖2所示。

圖2 施工附屬設(shè)施模型

2.4 閘門模型組合拼裝

進(jìn)水塔模型的拼裝基于統(tǒng)一的基準(zhǔn)在navisworks軟件中進(jìn)行?；⌒喂ぷ鏖l門門葉、門槽、支臂、支鉸等模型均單體創(chuàng)建，拼裝統(tǒng)一采用inventor軟件，基于基準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行原點(diǎn)固定放置。工程整體模型的拼裝在navisworks軟件中進(jìn)行，模型拼裝基于原點(diǎn)固定。施工附屬設(shè)施模型采用max創(chuàng)建，其模型拼裝基于相應(yīng)參照模型。進(jìn)水塔拼裝模型如圖3所示，弧形工作閘門拼裝模型如圖4所示，弧形工作閘門整體拼裝模型如圖5所示。

圖3 進(jìn)水塔拼裝模型

圖4 弧形工作閘門拼裝模型

圖5 弧形工作閘門整體拼裝模型

3 安裝施工過程模擬及碰撞檢查

3.1 安裝施工過程模擬

基于BIM的虛擬施工技術(shù)體系流程如圖6所示。

圖6 基于BIM的虛擬施工體系流程

3.2 碰撞檢查

應(yīng)用BIM可視化技術(shù)，施工設(shè)計(jì)人員在建造之前就可以對(duì)閘門安裝進(jìn)行綜合碰撞檢查，模型碰撞信息采用“碰撞點(diǎn)”和“標(biāo)識(shí)簽”進(jìn)行有序標(biāo)識(shí)，通過結(jié)構(gòu)樹形式的“標(biāo)識(shí)簽”可直接定位到碰撞位置。碰撞檢查可以優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，減少在施工階段可能存在的錯(cuò)誤損失和返工的可能性。

4 支鉸及下支臂安裝施工過程模擬

支鉸及下支臂安裝施工模擬可分為支鉸及下支臂拼裝、提升就位、微調(diào)對(duì)準(zhǔn)、螺栓連接以及整體安裝順序5個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行[9-11]。

4.1 支鉸及下支臂拼裝模擬

在起吊前，支鉸、下支臂、褲衩在支臂安裝位置下方完成組拼，組裝成一個(gè)整體。BIM模擬內(nèi)容為支鉸、下支臂、褲衩3個(gè)模型在空間上進(jìn)行對(duì)位及組裝，支鉸及下支臂拼裝模擬如圖7所示。

圖7 支鉸及下支臂拼裝模擬

4.2 提升就位模擬

組合件采用792.5 m高程的200 t液壓提升設(shè)備和800 m高程的100 t液壓提升設(shè)備聯(lián)合提升就位，BIM模擬內(nèi)容為組合件模型空間位置的變換、液壓提升器細(xì)部構(gòu)件的位置轉(zhuǎn)化及尺寸變化，工況1～3分別表示提升就位模擬過程中組合件的不同空間位置變化，如圖8所示。

圖8 提升就位模擬過程

4.3 微調(diào)對(duì)準(zhǔn)模擬

提升到合適位置后，仍采用792.5 m高程的200 t液壓提升設(shè)備和800 m高程的100 t液壓提升設(shè)備聯(lián)合提拉保持平衡，同時(shí)采用手拉葫蘆進(jìn)行微調(diào)，手拉葫蘆在支鉸固定位置的二期混凝土上下部錨點(diǎn)處受力。

微調(diào)對(duì)準(zhǔn)方案一為上、下部手拉葫蘆均采用單根纜繩的方式進(jìn)行微調(diào)，模擬如圖9所示；方案二為上部采用兩根纜繩、下部采用一根纜繩方式進(jìn)行手拉葫蘆微調(diào)，模擬如圖10所示。BIM模擬內(nèi)容為組件BIM模型微調(diào)后與二期混凝土預(yù)留螺栓對(duì)準(zhǔn)，液壓提升設(shè)備BIM模型細(xì)部位置變化，手拉葫蘆細(xì)部位置及尺寸變化。

圖9 微調(diào)對(duì)準(zhǔn)方案一模擬

圖10 微調(diào)對(duì)準(zhǔn)方案二模擬

4.4 螺栓連接安裝模擬

BIM模擬內(nèi)容為螺栓BIM模型的空間位置變換，螺栓連接安裝模擬示意如圖11所示。

圖11 螺栓連接安裝模擬

4.5 整體安裝順序模擬

支鉸、下支臂組合件安裝的順序?yàn)橄葍蓚?cè)、后中間，BIM模擬內(nèi)容主要為另一邊側(cè)以及中間組合件的BIM模型空間的出現(xiàn)，工況1表示支鉸、下支臂組合件兩側(cè)安裝模擬，工況2表示支鉸、下支臂組合件中間安裝模擬，整體安裝順序模擬如圖12所示。

圖12 整體安裝順序模擬

5 支鉸及下支臂安裝碰撞檢查

5.1 施工干擾分析

支鉸及下支臂拼裝時(shí)門葉在高位，隧洞內(nèi)較為空曠，而支鉸、下支臂及褲衩拼裝施工干擾??；提升就位時(shí)，空間內(nèi)僅有組件、792.5 m高程的200 t以及800 m高程的100 t液壓提升設(shè)備，相對(duì)施工空間充裕；螺栓連接為人工操作，沒有機(jī)械碰撞風(fēng)險(xiǎn)；整體安裝順序模擬為以上步驟的重復(fù)，因此以上4個(gè)安裝模擬節(jié)點(diǎn)施工干擾小，不需要進(jìn)行BIM碰撞檢查；而在支鉸微調(diào)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，提拉設(shè)備較多，相對(duì)操作空間狹窄，需進(jìn)行BIM碰撞檢查[12]。

5.2 支絞微調(diào)方案一

(1)支絞微調(diào)方案一碰撞檢查狀態(tài)(上、下部手拉葫蘆均采用單根纜繩的方式進(jìn)行微調(diào)，且組件BIM模型與預(yù)留螺栓對(duì)準(zhǔn))如圖13所示。

圖13 支絞微調(diào)方案一碰撞檢查狀態(tài)

(2)碰撞檢查設(shè)置，本方案下進(jìn)行下支臂組合(包括下支臂、褲衩、支絞)、底錨、液壓桿與啟閉機(jī)室結(jié)構(gòu)、微調(diào)繩索是否存在碰撞。進(jìn)行支絞微調(diào)方案一碰撞檢查，設(shè)置選擇A為底錨、下支臂組合以及液壓桿，設(shè)置選擇B為繩索、啟閉機(jī)室結(jié)構(gòu)以及啟閉機(jī)室兩側(cè)臺(tái)階。

(3)碰撞檢查結(jié)果顯示，微調(diào)繩索與底錨發(fā)生1處碰撞，支絞微調(diào)方案一碰撞位置如圖14所示。

圖14 支絞微調(diào)方案一碰撞位置

5.3 支絞微調(diào)方案二

(1)支絞微調(diào)方案二碰撞檢查狀態(tài)(上部采用兩根纜繩、下部采用一根纜繩方式進(jìn)行手拉葫蘆微調(diào))如圖15所示。

圖15 支絞微調(diào)方案二碰撞檢查狀態(tài)

(2)碰撞檢查設(shè)置：本方案下進(jìn)行下支臂組合(包括下支臂、褲衩、支絞)、底錨、液壓桿與啟閉機(jī)室結(jié)構(gòu)、微調(diào)繩索是否存在碰撞。進(jìn)行支絞微調(diào)方案二碰撞檢查，設(shè)置選擇A為底錨、下支臂組合以及液壓桿，設(shè)置選擇B為微調(diào)繩索、啟閉機(jī)室結(jié)構(gòu)以及啟閉機(jī)室兩側(cè)臺(tái)階。

(3)碰撞檢查結(jié)果顯示：支臂組合(包括下支臂、褲衩、支絞)、底錨、液壓桿與啟閉機(jī)室結(jié)構(gòu)、微調(diào)繩索間無碰撞。

6 結(jié) 論

支鉸及下支臂安裝工序階段，微調(diào)對(duì)準(zhǔn)原方案的牽引方案為采用支撐點(diǎn)位的上下部預(yù)埋錨點(diǎn)單線牽引微調(diào)；經(jīng)BIM碰撞檢查方案模擬，其上部牽引線將與792.5 m高程的200 t液壓提升設(shè)備底錨產(chǎn)生碰撞。經(jīng)方案優(yōu)化，上部采用雙牽引方案，在對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)位左右0.5 m設(shè)置預(yù)埋點(diǎn)，其微調(diào)過程將不再干擾，技術(shù)方案可行。

通過弧形閘門支鉸及下支臂安裝施工模擬和碰撞檢查，優(yōu)選確定了支鉸及下支臂安裝施工工藝：支鉸、下支臂及褲衩在支臂安裝位置下方完成組拼，并采用792.5 m高程的200 t液壓提升設(shè)備和800 m高程的100 t液壓提升設(shè)備聯(lián)合提升就位。提升到合適位置后，采用液壓提升設(shè)備與手拉葫蘆配合調(diào)整組合件高程，并在底部?jī)蓚?cè)用千斤頂調(diào)整鉸座平衡，實(shí)現(xiàn)組件與支承大梁上的預(yù)埋螺栓對(duì)位連接，然后從中心往兩端依次對(duì)稱完成螺栓的初擰和終擰。在支臂下端采用臨時(shí)支架固定，支架剛性連接于底檻鋼襯上。支鉸、下支臂組合件安裝的順序?yàn)橄葍蓚?cè)、后中間。