基于BIM的航運(yùn)輔助樞紐工程浮式檢修閘門設(shè)計(jì)

◎ 龔裕霞 江西省贛江船閘通航中心

檢修閘門是水工建筑物及機(jī)械設(shè)備檢修過程中用于擋水的閘門，為確保檢修過程順利進(jìn)行，檢修閘門設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格執(zhí)行國家技術(shù)政策。浮式檢修閘門可較好利用水體浮力，使閘門節(jié)段自動(dòng)浮升，減少水中作業(yè)環(huán)節(jié)及工作量，提升閘門施工過程的安全性及結(jié)構(gòu)性能質(zhì)量。但是，浮式檢修閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中如果應(yīng)用常規(guī)CAD技術(shù)，必然增大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖紙繪制、數(shù)據(jù)復(fù)核工作量，設(shè)計(jì)結(jié)果的精確度卻無法保證；而BIM（Building information modeling）建筑信息模型技術(shù)及AUTODESK平臺(tái)的INVENTOR軟件具備強(qiáng)大的建模及有限元分析功能，在保證模型構(gòu)建及數(shù)據(jù)參數(shù)精度的基礎(chǔ)上，能大大簡化分析過程。為此，筆者對(duì)BIM技術(shù)在航運(yùn)樞紐浮式檢修閘門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開分析，以供參考。

1.工程概況

某航運(yùn)輔助樞紐工程由1座千噸級(jí)船閘、5臺(tái)燈泡式機(jī)組、42孔泄水閘及土石壩等構(gòu)成，該船閘上閘首檢修閘門孔口設(shè)計(jì)長度為23.0m、寬和高均為12.45m；下閘首檢修閘門孔口設(shè)計(jì)長度為23.0m，寬和高均為9.28m。孔口尺寸較大，若采用常規(guī)閘門型式，必須在船閘上布置過高過大的啟閉設(shè)施，無法保證結(jié)構(gòu)安全性和美觀性。此外，該航運(yùn)輔助樞紐現(xiàn)場并無船閘上下閘首檢修閘門布置的門庫。綜合考慮以上各項(xiàng)影響因素后，最終決定采用浮式檢修閘門型式。該閘門通過電動(dòng)葫蘆和鉤環(huán)式自動(dòng)抓梁起吊，其中，揚(yáng)程為18m的啟閉機(jī)配置2臺(tái)CDI10-18D型電動(dòng)葫蘆；抓梁重1520kg，配置長0.48m、寬0.40m、高10.0m的箱梁。

2.設(shè)計(jì)原理

該航運(yùn)輔助樞紐浮式檢修閘門主要在靜水中啟閉，啟門前需要向閘室內(nèi)充水平壓，以將閘室內(nèi)外水位差控制在1.0m以內(nèi)后提升疊梁節(jié)段。

2.1 力學(xué)可行性

疊梁節(jié)段浮力、疊梁節(jié)段重力應(yīng)分別按以下公式[1]計(jì)算：

式中：F單為疊梁節(jié)段浮力（kN）；W單為疊梁節(jié)段重力（kN）；ρ為水體密度（kg/m3）；g為重力加速度（N/kg）；v為排開水體的體積（m3）；m為檢修閘門單節(jié)重量（kg）。將相關(guān)參數(shù)代入后得到該樞紐工程浮式檢修閘門疊梁節(jié)段浮力為65.11kN，疊梁節(jié)段重力為62.96kN。該浮式檢修閘門疊梁啟閉操作均在靜水中完成，故閘門開啟前閘室內(nèi)外水位基本處于平衡狀態(tài)，摩擦力忽略不計(jì)，則有F單-W單=2.15kN>0，表明該樞紐工程浮式檢修閘門疊梁節(jié)段能較好浮起。

閘門閉合的過程中，9節(jié)疊梁節(jié)段總自重達(dá)到566.64kN，考慮到水深實(shí)際，其中7個(gè)節(jié)段全部浸沒于水中，第8節(jié)段浸沒在水中的部分為0.49m。故該輔助樞紐工程浮式檢修閘門總浮力按下式確定：

式中：F總為浮式檢修閘門總浮力（kN）；v8為第8節(jié)空腔排水體積（m3）；其余參數(shù)含義同前。將參數(shù)取值代入式（3）后得到，樞紐工程浮式檢修閘門總浮力為492.87kN。

由于閘門閉合期間閘室內(nèi)外可能存在1.0m以內(nèi)的水位差，故應(yīng)按下式計(jì)算止水橡皮與鋼材的摩擦力[2]：

式中：f摩為閘門閉合時(shí)的摩擦力（kN）；μ為止水橡皮與鋼材的摩阻系數(shù)，取0.7；P為總水壓力；γ為閘門重度（kN/m3）；h為閘室內(nèi)外水位差（m），取1.0m；L為閘門設(shè)計(jì)擋水長度（m）。將相關(guān)參數(shù)值代入式（4）和（5）后可得，總水壓力為52.30kN，閘門閉合時(shí)的摩擦力為36.61kN。

則 疊 梁 總 重 力W總-F總-f摩=37.16kN>0，表明該航運(yùn)輔助樞紐工程浮式檢修閘門在一般情況下閉合良好。

2.2 可靠性

根據(jù)以上對(duì)該航運(yùn)輔助樞紐工程浮式檢修閘門受力性能的分析看出，單節(jié)疊梁浮體能較好浮起，因閘室內(nèi)外水位差較小，止水橡皮與鋼材之間的摩擦力忽略不計(jì)，疊梁節(jié)段能始終浮于水面；閘門在一般情況下閉合良好，即使因閘室內(nèi)外水位差超出1.0m而增大摩擦力，檢修閘門整體也能較好閉合。

在水體渾濁等特殊情況下閉合閘門時(shí)，水密度和浮力均增大，在閘門依靠原自重仍無法閉合時(shí)，必須向疊梁節(jié)段空腔內(nèi)充水以增大閘門重量，抵消部分浮力，便于閘門順利閉合；充水疊梁位置主要根據(jù)水密度確定[3]。該樞紐工程浮式檢修閘門止水效果與其余疊梁式檢修閘門一致，不會(huì)因空腔的存在而受到影響。

3.浮式檢修閘門設(shè)計(jì)

3.1 BIM模型構(gòu)建

浮式檢修閘門設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括一類二類焊縫處理、主橫梁組裝、門體立拼組裝及閘門性能試驗(yàn)等，以上控制要點(diǎn)也是閘門質(zhì)量形成過程中必須重點(diǎn)驗(yàn)證的環(huán)節(jié)，必須加強(qiáng)控制。

航運(yùn)樞紐浮式檢修閘門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，縱橫向桁架交錯(cuò)布置，應(yīng)用常規(guī)二維CAD軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必將涉及反復(fù)計(jì)算、繪制及查詢工作，存在大量重復(fù)性過程。應(yīng)用INVENTOR軟件則能較好解決這一問題，該軟件具備龐大的資源中心，只需要從資源中心內(nèi)調(diào)用浮式檢修閘門內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)斷面，省去了設(shè)計(jì)人員反復(fù)查詢零件手冊(cè)的繁雜過程；此外，在展開BIM設(shè)計(jì)時(shí)，只需修改BIM模型中的部分參數(shù)，便可自動(dòng)生成閘門模型，工效顯著提升。建立的浮式檢修閘門BIM模型見圖1，閘門內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 浮式檢修閘門BIM模型

圖2 閘門內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 浮式檢修閘門穩(wěn)定性計(jì)算

該航運(yùn)樞紐浮式檢修閘門設(shè)計(jì)主要面臨輕載時(shí)吃水淺，浮心不穩(wěn)；拖運(yùn)時(shí)容易傾斜等難題，這就要求在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確確定閘門重心、浮心、灌水量及不同載重狀態(tài)下吃水深度。按照《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》（CBT 8524-2011），長度在30m以內(nèi)的桶形浮式塢門輕載狀態(tài)下重心應(yīng)位于浮心以下。對(duì)于桶形閘門而言，內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閘門重心若采用常規(guī)手工計(jì)算則過程非常繁雜，再加上閘閥、滑塊及橡膠止水等材料屬性存在差異，很容易引發(fā)結(jié)果偏差。設(shè)計(jì)上的不合理必然造成檢修閘門側(cè)翻、傾倒等運(yùn)行事故。為此，該航運(yùn)樞紐浮式檢修閘門重心、浮心和配重的計(jì)算均采用BIM模型。

暫不考慮配重問題，構(gòu)建浮式檢修閘門BIM模型，按照軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該閘門單節(jié)重6.296kN，總重56.664kN，重心高5300.15mm。同時(shí)，建立5.2m的輕載吃水深度下浮式檢修閘門實(shí)體模型，通過軟件得出模型體積、重心所在以及閘門浮力及浮心值。

考慮到該浮式檢修閘門輕載吃水時(shí)浮力大小主要與閘門自重有關(guān)，故需根據(jù)閘門自重確定配重重力。該閘門浮心高度比重心高度低，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在閘門底部放置全部配重塊，此后由軟件得出閘門重心高度，取值符合規(guī)范。

3.3 輔助結(jié)構(gòu)計(jì)算

對(duì)于桶形浮式檢修閘門而言，內(nèi)部主梁結(jié)構(gòu)主要有實(shí)腹式和桁架式等，各層主梁尺寸不盡相同。在采用常規(guī)手工計(jì)算的情況下，過程繁瑣，結(jié)果準(zhǔn)確度不高。采用BIM技術(shù)直接在軟件中建立有限元模型，實(shí)現(xiàn)與ANSYS的單向?qū)?，將模型?dǎo)入分析軟件，得出分析結(jié)果。

BIM建模與應(yīng)用模型展開有限元計(jì)算之間相互協(xié)調(diào)，浮式閘門構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和手工計(jì)算進(jìn)行初選，再構(gòu)建BIM模型，并展開模型網(wǎng)格劃分，進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化調(diào)整；此后，重新導(dǎo)入軟件復(fù)核計(jì)算。通過以上過程可以得到精確的構(gòu)建受力結(jié)果，設(shè)計(jì)質(zhì)量和進(jìn)度均有保證。

3.4 圖紙生成

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，金屬結(jié)構(gòu)往往由不同人員單獨(dú)設(shè)計(jì)，最后展開圖紙匯總。浮式檢修閘門內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)還涉及充排水閘閥、檢修爬梯等的合理布置，如果采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，必將增大人員配合工作量，造成結(jié)構(gòu)參數(shù)反復(fù)修改。此次設(shè)計(jì)時(shí)，借助BIM軟件構(gòu)建起檢修閘門整體模型，再通過軟件自帶功能導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)模板的CAD圖紙，圖紙精度復(fù)合設(shè)計(jì)。最終導(dǎo)出的圖紙和原始BIM模型之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[4]，模型中任一參數(shù)值的調(diào)整和修改均會(huì)引起圖紙的自動(dòng)修改，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量及出圖準(zhǔn)確。

3.5 輔助工程算量

常規(guī)水工閘門主要由鋼板拼合而成，結(jié)構(gòu)簡單，工程量統(tǒng)計(jì)容易。但浮式檢修閘門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還涉及充水閥等配套構(gòu)件，各類桿件工程量若采用傳統(tǒng)手工統(tǒng)計(jì)必然會(huì)降低效率和準(zhǔn)確性。應(yīng)用INVENTOR軟件構(gòu)建起閘門內(nèi)部模型，并借助軟件分型號(hào)、分部位自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各構(gòu)件工程量，提升工效和準(zhǔn)確性。

浮式檢修閘門金屬結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計(jì)還包括閘門防腐面積。傳統(tǒng)方式下主要根據(jù)閘門重量和板厚大致估算，結(jié)果存在較大偏差。而BIM軟件可自動(dòng)讀取模型表面積，提升防腐面積預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.6 施工及運(yùn)維過程模擬

將軟件生成的模型導(dǎo)入AUTODESK Navisworks軟件，借助模型分解、旋轉(zhuǎn)及可視化施工視頻的制作，便于施工人員較好理解設(shè)計(jì)意圖和要點(diǎn)。同時(shí)，還可利用BIM軟件展開施工進(jìn)度模擬，自動(dòng)生成施工進(jìn)度橫道圖。該航運(yùn)樞紐浮式檢修閘門體積大，且為雙面板設(shè)計(jì)，制造期間必須展開數(shù)次翻身加工，涉及汽車吊、腳手架、千斤頂、起重機(jī)等多設(shè)備輔助應(yīng)用，僅憑人工展開現(xiàn)場指揮和組織協(xié)調(diào)難度非常大。在利用BIM技術(shù)后，可以通過軟件對(duì)閘門吊裝、預(yù)制加工等過程展開仿真模擬，大大簡化閘門制造安裝難度。

4.運(yùn)行情況

按照以上設(shè)計(jì)思路，該航運(yùn)輔助樞紐工程浮式檢修閘門安裝施工任務(wù)于2020年6月11日完成，并對(duì)每孔泄水閘門均實(shí)施了水下試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，自動(dòng)抓梁始終按照設(shè)計(jì)要求展開自動(dòng)掛鉤與脫鉤；待檢修閘門閉門后將泄水閘門吊起，進(jìn)行單節(jié)疊梁浮沉及密封性能的檢測(cè)。結(jié)果表明，各孔閘門止水效果均較好，能保證各節(jié)疊梁按要求浮出水面。

4.1 啟門工況

試驗(yàn)開始前放下泄水閘，等檢修閘門內(nèi)外水位差降至1.0m后拔出抓梁銷子上的手柄，借助電動(dòng)葫蘆放下抓梁，使其自動(dòng)環(huán)沿著掛鉤斜面自由滑動(dòng)并順利進(jìn)入鉤內(nèi)；此后通過抓梁將疊梁提起，下節(jié)疊梁便會(huì)自動(dòng)浮起。其余泄水閘門檢修過程可省去，僅吊起疊梁至任一孔口上方鎖定，并吊起下節(jié)疊梁。

4.2 閉門工況

泄水閘門檢修前借助電動(dòng)葫蘆固定抓梁，并確保抓梁上的銷子手柄與深槽位置對(duì)應(yīng)；開啟電動(dòng)葫蘆將抓梁下放至疊梁位置后，使抓梁電動(dòng)環(huán)沿著疊梁掛鉤上斜面自由滑動(dòng)，最終進(jìn)入掛鉤。此后，將疊梁提起，并將鎖錠去除，將疊梁移至檢修閘孔口后下放至水面。受到水體浮力作用后疊梁漂浮于水面，隨著抓梁的繼續(xù)下放，自動(dòng)環(huán)將順著掛鉤下斜面繼續(xù)滑動(dòng)，銷子也同時(shí)彈出并卡住自動(dòng)環(huán)，無法返回至掛鉤內(nèi)，此時(shí)應(yīng)提起抓梁，進(jìn)行其他疊梁吊裝，直至將9節(jié)疊梁全部下放。隨后，疊梁在結(jié)構(gòu)自重的作用下便會(huì)在靜水中拼裝成檢修閘門，此時(shí)便可吊起閘門檢修。

5.結(jié)論

綜上所述，自動(dòng)抓梁和浮式疊梁技術(shù)在浮式檢修閘門中的結(jié)合應(yīng)用較為少見，該組合技術(shù)先進(jìn)，操作便捷，安全可靠，省去了大量的水下作業(yè)，使浮式檢修閘門啟閉工效顯著提升。BIM技術(shù)的應(yīng)用可精確得出該航運(yùn)樞紐工程浮式檢修閘門受力情況及浮游穩(wěn)定性，為閘門結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。BIM技術(shù)具備模型創(chuàng)建、二維圖紙生成、輔助工程算量、自動(dòng)干涉檢查、動(dòng)畫仿真、施工進(jìn)度橫道圖自動(dòng)生成等功能，能大大簡化圖紙繪制及修改、參數(shù)調(diào)整及復(fù)核工程量，提升出圖效率及準(zhǔn)確性。此外，BIM技術(shù)還能整合浮式檢修閘門從設(shè)計(jì)規(guī)劃到施工建設(shè)各階段信息，為后期運(yùn)維管理提供便利。