基于BIM技術(shù)的水利水電工程智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

摘 要：該文主要探究基于BIM技術(shù)的水利水電工程智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用效果。選擇水利水電工程中的鋼閘門作為研究對(duì)象，使用Catia建模軟件按照確定裝配層級(jí)、搭建骨架模型、建立零件結(jié)構(gòu)和構(gòu)建實(shí)體模型等步驟構(gòu)建鋼閘門的三維模型。使用Hypermesh軟件將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格模型并展開有限元分析，并選擇強(qiáng)度和剛度2項(xiàng)指標(biāo)判定鋼閘門的工況是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，鋼閘門模型的橫向位移呈現(xiàn)出中間大、兩側(cè)小和底部大、頂部小的分布特征，最大橫向位移-9.489 mm，小于設(shè)計(jì)要求的-13.0 mm，故鋼閘門的剛度合格；鋼閘門的最大應(yīng)力為135 000 kPa，小于容許應(yīng)力250 000 kPa，故鋼閘門的強(qiáng)度合格。另外，將該系統(tǒng)與其他學(xué)者研究的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間快34.4%，應(yīng)用效果更好。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；水利水電工程智能系統(tǒng)；Catia軟件；有限元分析；三維模型

中圖分類號(hào)：TV222 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0054-04

Abstract： This papermainly explores the design method and application effect of an intelligent system for water conservancy and hydropower engineering based on BIM technology. The steel gate in the water conservancy and hydropower project is selected as the research object， and the three-dimensional model of the steel gate is constructed by using Catia modeling software according to the steps of determining the assembly level， building the skeleton model， establishing the part structure， constructing the solid model and so on. The solid model is transformed into a mesh model by Hypermesh software and the finite element analysis is carried out， and the strength and stiffness are selected to determine whether the working conditions of the steel gate meet the design standards. The results show that the lateral displacement of the steel gate model is large in the middle， small on both sides， large at the bottom and small at the top. The maximum lateral displacement is -9.489 mm， which is less than the design requirement of -13.0 mm. Therefore， the stiffness of the steel gate is qualified， and the maximum stress of the steel gate is 135 000 kPa， less than the allowable stress of 250 000 kPa， so the strength of the steel gate is qualified. In addition， compared with the system studied by other scholars， the response time of this system is 34.4% faster， resulting in better application effects.

Keywords： BIM technology; intelligent system of water conservancy and hydropower engineering; Catia software; finite element analysis; 3D model

BIM（建筑信息模型）具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點(diǎn)，在水利水電工程智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中，應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建三維仿真模型，不僅讓設(shè)計(jì)成果得到了更加直觀的體現(xiàn)，而且還能利用BIM軟件提供的碰撞測(cè)試、虛擬漫游等功能，檢查水利水電工程智能系統(tǒng)的各項(xiàng)功能能否順利實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，確保了系統(tǒng)能夠順利投入應(yīng)用。在我國水利水電事業(yè)向自動(dòng)化、信息化轉(zhuǎn)型的背景下，探究BIM技術(shù)支撐下的水利水電工程智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用有積極意義。

1 基于BIM的水利水電工程智能系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

水利水電工程的組成復(fù)雜，鋼閘門主要用于調(diào)節(jié)流量、控制水位，對(duì)水利水電工程的功能發(fā)揮和安全運(yùn)行有重要作用，這里以鋼閘門為例探究智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。目前常用的BIM建模軟件有Revit、ArchiCAD、Navisworks和Catia等若干種，其中Catia是一款集繪圖、分析、仿真等功能于一體的軟件，不僅建模過程更加清晰，而且支持在建模期間進(jìn)行修改，更符合水利水電工程智能系統(tǒng)的開發(fā)需要[1]。在確定建模軟件后，按照確定裝配層級(jí)、建立骨架模型等流程進(jìn)行鋼閘門的三維建模，建模流程如圖1所示。

在建模過程中，需要對(duì)組成模型的各種零件、裝配件等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化命名，確保Catia系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別零部件，這對(duì)于提高建模精度、縮短建模周期有顯著作用。建立結(jié)構(gòu)零件是BIM建模的關(guān)鍵步驟，在確定鋼閘門的主體骨架結(jié)構(gòu)、主體幾何尺寸后，根據(jù)實(shí)物特征參數(shù)生成零件模型。通過手動(dòng)輸入或者自動(dòng)標(biāo)定的方式，讓零件模型的尺寸參數(shù)、連接方式等與實(shí)物保持一致，達(dá)到“所見即所得”的效果。為了減輕開發(fā)工作量，建立了模板資源庫，包括零件模板、模型模板和部件模板3種基本類型，在建模過程中可以快速調(diào)用資源庫內(nèi)的模板。零件模板中包含了主梁、次梁、面板等組成鋼閘門的基本零件；部件模板則是對(duì)零件模板中的基本構(gòu)件進(jìn)行耦合，形成更加復(fù)雜、具備一定功能的部件；模型模板中提供了若干相對(duì)完整的BIM模型，可以直接調(diào)用，也可以對(duì)現(xiàn)成的模型進(jìn)行簡(jiǎn)單修改得到所需要的模型[2]。

2 鋼閘門結(jié)構(gòu)的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 有限元分析

通過Catia軟件建模得到鋼閘門的實(shí)體模型后，為了優(yōu)化鋼閘門結(jié)構(gòu)，還需要將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為由若干單元格組成的網(wǎng)格模型，以便于開展有限元分析。有限元分析是一種近似求解的分析方法，其核心思想是把待求解域看作一個(gè)由若干個(gè)有限單元連接形成的組合體，對(duì)其中的每個(gè)單元進(jìn)行逐一分析，并利用單元之間的相互聯(lián)系將其重新組合成為整體，得到具有整體特征的方程。最后求解該方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)域的數(shù)值分析。

轉(zhuǎn)換操作可借助于Hypermesh軟件完成，其原理是讓鋼閘門模型處于不同工況下，展開有限元分析，判斷當(dāng)前的鋼閘門結(jié)構(gòu)是否符合要求，如果不符合則進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到符合要求為止[3]。結(jié)合鋼閘門的結(jié)構(gòu)組成和受力特點(diǎn)，選用Ansys軟件展開靜力分析，大體可分為前處理、加載求解、后處理三步，流程如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

為了進(jìn)一步提高有限元結(jié)算結(jié)果的精確性，減少鋼閘門模型優(yōu)化的次數(shù)，結(jié)合鋼閘門的受力特點(diǎn)給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參數(shù)模型，通過求目標(biāo)函數(shù)極值的方式優(yōu)化變量。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下

， （1）

式中：v（x）表示目標(biāo)函數(shù)，minv（x）表示的極小值，gi（x）和hi（x）分別表示不等式和等式的約束條件，vi表示i個(gè)單元的體積，n表示該模型中單元的總數(shù)量，X表示設(shè)計(jì)參數(shù)的集合。在約束條件的選擇上，有強(qiáng)度約束、剛性約束等幾種類型，這里以強(qiáng)度約束為例，表達(dá)式如下

， （2）

式中：α表示彈塑性調(diào)整系數(shù)，當(dāng)單元格的長寬比大于1時(shí)，α取值1.4；當(dāng)單元格的長寬比小于等于1是，α取值為1.5。λ為等效應(yīng)力，λi為設(shè)計(jì)應(yīng)力，當(dāng)上式滿足時(shí)說明鋼閘門的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。這里的λi主要取決于鋼閘門材料的容許應(yīng)力、運(yùn)行條件等因素。本研究中選擇“等效應(yīng)力”這項(xiàng)指標(biāo)表示鋼閘門的強(qiáng)度，以SL 74—2013《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》中給定的計(jì)算公式確定鋼閘門的剛度，計(jì)算式如下

， （3）

式中：f（X）表示鋼閘門主次梁的最大位移值，[F]表示設(shè)計(jì)方案中允許的最大位移值。符合上述條件，說明鋼閘門的剛度符合要求。在約束條件下對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，即可得到鋼閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

在確定最終的鋼閘門模型后，通過Visual Basic8.2平臺(tái)進(jìn)行水利水電工程鋼閘門智能系統(tǒng)的開發(fā)，編程語言為VB，使用Catia軟件的通用串口錄入程序。將Ansys軟件作為有限元分析的后臺(tái)支持，實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)開發(fā)與仿真的一體化。考慮到系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中需要調(diào)用和處理大量數(shù)據(jù)，因此選用Excel作為數(shù)據(jù)庫并付諸計(jì)算，在Visual Basic平臺(tái)中設(shè)置可以直接訪問Excel的對(duì)象庫，以便于Excel與Visual Basic的動(dòng)態(tài)交互。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，參數(shù)資料的輸入、結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)、有限元分析以及結(jié)果輸出等模塊既具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，支持開發(fā)人員獨(dú)立開發(fā)和修改，同時(shí)不同模塊之間又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[4]。

3 水利水電工程智能系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定

以某水電站進(jìn)水口鋼閘門的基礎(chǔ)參數(shù)作為輸入量，構(gòu)建了鋼閘門的BIM模型，并對(duì)該模型展開了靜力分析，判斷該鋼閘門的各項(xiàng)參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)檢驗(yàn)智能系統(tǒng)的響應(yīng)速度。此外，為了驗(yàn)證該水利水電工程智能系統(tǒng)的應(yīng)用效果，選擇任海文等[5]研究的堤防工程運(yùn)維信息管理系統(tǒng)作為對(duì)比，設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)合水電站提供的資料，可知該工程的地坎高度為2 695 m，設(shè)計(jì)最高水位2 710 m，出水孔為潛孔，孔口高度10.3 m，孔口寬度8.5 m，水容重以10 kN/m3計(jì)算，設(shè)計(jì)水頭高度為24.8 m。材料方面，鋼閘門的門葉部分選用Q345C鋼材，其他零件徐昂Q345B鋼材，彈性模量以2.0×105 N/mm2計(jì)算，剪切模量以6.8×104 N/mm2計(jì)算，泊松比取0.3。鋼閘門的門葉和零件的容許應(yīng)力見表1。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

3.2.1 靜力分析結(jié)果

按照模型精度的不同，基于BIM技術(shù)的三維模型可分為LOD100—500五個(gè)等級(jí)，LOD500的精確度最高?？紤]到鋼閘門的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)中選擇LOD200精度即可滿足分析要求。模擬鋼閘門關(guān)閉情況，在該受理工況下展開靜力分析，具體內(nèi)容包括橫向位移分析和等效應(yīng)力分析兩部分，結(jié)果如圖3所示。

橫向位移可以直觀顯示鋼閘門在受到外部應(yīng)力（主要是水壓力）后的主體結(jié)構(gòu)變形情況，結(jié)合模型的變形情況和位移均值可以發(fā)現(xiàn)，鋼閘門出現(xiàn)了一定程度的變形，并且變形規(guī)律較為明顯。在水平方向上，鋼閘門的中軸線處位移均值最大，以中軸線為基準(zhǔn)，兩側(cè)的位移均值減小，并且距離中軸線越遠(yuǎn)位移均值越小；在垂直方向上，鋼閘門底部的位移均值較大，由下往上位移均值逐漸減小。結(jié)合圖3可知，鋼閘門模型底部位移均值達(dá)到了-9.489 mm，頂部位移均值僅有-1.786 mm。分析其原因，鋼閘門底部承受的靜水壓力更大，因此位移較為明顯；相比之下，鋼閘門頂部的靜水壓力相對(duì)較小，位移基本可以忽略。根據(jù)水電站的設(shè)計(jì)規(guī)定，鋼閘門允許的最大位移量為-13.0 mm，本次仿真結(jié)果未達(dá)到允許的最大值，因此可以認(rèn)定該鋼閘門的剛度符合設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)鋼閘門的整體應(yīng)力分布情況，可以發(fā)現(xiàn)鋼閘門模型不同部位的應(yīng)力均值有較為明顯的差別。主梁的應(yīng)力均值最大，達(dá)到了135 000 kPa；次梁的應(yīng)力均值次之，為90 000 kPa；其他構(gòu)件（底板）的應(yīng)力均值最低，為2 510 kPa。根據(jù)水電站的設(shè)計(jì)規(guī)定，鋼閘門面板的容許應(yīng)力為250 000 kPa，本次仿真結(jié)果未達(dá)到允許的最大值，因此，可以認(rèn)定該鋼閘門的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

在設(shè)計(jì)水利水電工程智能系統(tǒng)時(shí)，除了關(guān)注功能是否順利實(shí)現(xiàn)外，還要盡可能地提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，優(yōu)化人機(jī)交互體驗(yàn)。因此，在仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了驗(yàn)證。將本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，觀察2種系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案從0個(gè)增加至12個(gè)的過程中，響應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著設(shè)計(jì)方案數(shù)量的增加，2種系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間也呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)。橫向?qū)Ρ葋砜矗疚幕贐IM技術(shù)的水利水電工程智能系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案為12個(gè)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了6.3 ms；其他系統(tǒng)（文獻(xiàn)[5]的堤防工程運(yùn)維信息管理系統(tǒng)）在設(shè)計(jì)方案為12個(gè)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了9.6 ms。本系統(tǒng)的響應(yīng)速率提升了34.4%。由此可見，基于BIM技術(shù)的水利水電工程智能系統(tǒng)具有計(jì)算量小、運(yùn)行速度快等優(yōu)勢(shì)，并且隨著建模數(shù)量的增多以及模型的復(fù)雜化，其優(yōu)勢(shì)也會(huì)更加明顯。

4 結(jié)論

大數(shù)據(jù)時(shí)代，在水利水電行業(yè)的信息化和智能化發(fā)展是必然的趨勢(shì)，尤其是隨著自動(dòng)化、智能化機(jī)電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)一套面向水利水電工程的智能系統(tǒng)，對(duì)合理配置機(jī)電設(shè)備、保證水利水電工程運(yùn)行安全具有重要價(jià)值?；贐IM技術(shù)構(gòu)建的工程模型具有“所見即所得”的效果，在建立三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上還能利用BIM軟件展開仿真驗(yàn)證，檢查模型的各種功能是否順利實(shí)現(xiàn)，各項(xiàng)參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求，從而為人們優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。鋼閘門作為水利水電工程的重要組成部分，使用BIM技術(shù)建立模型并開展有限元分析，保證鋼閘門的剛度和強(qiáng)度都符合要求，能夠正常發(fā)揮調(diào)節(jié)流量、控制水位的作用，有利于水利水電工程調(diào)峰蓄洪等功能的發(fā)揮。

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