基于BIM技術的螺山泵站主泵房三維配筋設計

解凌飛，李 德

（湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430064）

1 概述

1.1 工程簡介

在建的螺山泵站為Ⅱ等工程，泵站規模為大（2）型，主要建筑物（引水渠、主泵房、攔污柵、進水池、進水池翼墻等）級別為2級；次要建筑物（出水口擋土墻、出水池邊坡護坡等）級別為3級，其他臨時性建筑物級別為4級［1］。

螺山泵站主要建筑物由進、出水渠道、主泵房、安裝間、副廠房、兩岸連接建筑物、進出口翼墻等組成。安裝間、副廠房布置在主泵房兩側。主泵房、安裝間、副廠房平面上呈一字形排列。主泵房各部分主要尺寸：主泵房縱軸線長為6臺機組間距加中、邊墩，機組間距為9.8m，考慮機組臺數多，故主泵房分為三聯，兩臺機組一聯，主泵房底板平面尺寸：順水流向總寬為 35.3m，總長62.44m。

1.2 BIM設計平臺簡介

BIM技術涵蓋了工程的設計、施工、管理、運維全生命周期，它摒棄了傳統二維設計中資源不能共享、信息不能同步更新、參與方不能很好的相互協調、施工過程不能可視化模擬，檢查與維護不能做到物理與信息的碰撞預測等問題。從二維CAD過渡到以BIM技術為核心的多種建筑三維CAD，將是未來計算機輔助建筑設計的發展趨勢［2］。

在管理層的鼎力支持下，湖北水院自2011年開始著手調研水電三維設計，研究、比選了當今國內外常用的三維設計軟件系統，從軟件產品的行業適應性、技術性能、兼容性、開放性、知識重用性、協同設計性能、可開發性、易用性等方面進行了詳實地比較，在2016年3月正式確定采用某工程建設行業三維系列軟件組成三維協同設計主平臺。成立了水電三維設計小組，開展三維設計研究與實踐。目前已經基本完成了水電三維協同設計解決方案的研究工作，如圖1所示。

結構形式復雜的水工建筑物，如電站廠房、泵房等均在某軟件中建模，該軟件能夠以工程領域用戶熟悉的二維操作方式和習慣，在二維草圖的基礎上，通過簡單的拉伸、旋轉、挖除、對稱、鏡像、倒角等操作及裝配，完成復雜模型的三維設計。因此，只需經過簡單的培訓和適應，就能實現設計理念從二維向三維的順利過渡，很大程度上降低了三維協同設計在企業推廣應用的成本和風險。

2 基于BIM技術的螺山泵站主泵房三維模型

2.1 主泵房建模方法

泵站設計中最難、最重要、涉及相關專業最多并最具代表性的當屬主泵房設計，主泵房設計的好壞決定了一個泵站的設計質量和水平。進行主泵房BIM三維設計時，主要根據上游專業即水機、電氣、金屬結構等專業提供的資料進行布置，當其相關專業尺寸發生變化時，水工專業因其外包混凝土結構是與上游專業提供的結構相關聯約束的，而自動更新無需人為更改或只需更改外包混凝土的厚度（可修改參數值）即可達到目的。

螺山泵站主泵房平面尺寸為35.3m×62.44m，設計排水流量198m3／s，裝機6臺，總裝機容量6×2200kW。根據 GB50265-2010《泵站設計規范》［4］，泵站屬Ⅱ等大（2）型工程。

在確立了工程規模、揚程、建筑物外形和流道尺寸的基礎上，即可開始三維建模，隨之與機電金協同，外部資料積累的過程也是模型不斷細化完善的過程。螺山泵房主泵房采用某軟件建模，建模采用參數化草圖驅動，自底向上孔洞挖除的方式進行，其中流道的建模經歷從可研概念設計到技施階段通過水機模型試驗細化的過程，一些孔洞也是隨著設備招標才最終確定。圖2為螺山泵站主泵房三維結構視圖及剖視圖。

圖1 水電三維協同設計解決方案

圖2 螺山泵站主泵房三維視圖

2.2 三維模型導入有限元軟件

水工鋼筋制圖前首先要根據各部位的受力情況計算配筋量。以往的方法是在有限元軟件中再建立模型（或者把建好的三維模型導入有限元軟件中），但這種方法往往耗時較多（或沒有相應的模型導入接口）。利用某軟件集成的導入有限元軟件插件可以較完美解決這一問題。用戶在某軟件中建好實體模型后可以直接通過該插件無損轉入有限元軟件中進行網格劃分、施加邊界條件和荷載、進行求解和后處理等。圖3為某軟件中螺山泵站主泵房通過插件導入有限元軟件中生成有限元網格。

某軟件中集成的導入有限元軟件插件可以把水電三維協同設計和三維鋼筋圖設計有機結合起來，避免了另起爐灶在其它軟件中進行有限元計算費時費力的問題，極大簡化了設計流程，體現了高效、集約的設計思路。

圖3 某軟件模型導入有限元軟件生成有限元網格

3 三維有限元配筋計算分析

3.1 計算范圍與計算模型

以螺山泵站左側邊聯主泵房為研究對象，采用線彈性有限元法［5］計算分析其位移、應力及配筋的規律，有限元網格如圖3所示。

全部采用六面體等參單元模擬主泵房及基礎巖體，整個有限元模型共有單元249986個，結點221321個，其中主泵房有單元204473個，結點191556個。

計算邊界條件：基礎的上、下游端面和左、右兩側按法向連桿模擬，底部三向約束，其它表面按力邊界或自由邊界考慮。

模型坐標系：X軸沿水平橫河向，指向右岸為正；Y軸為水平順河向，指向外江側為正；Z軸為鉛垂向，向上為正。

3.2 計算參數

（1）混凝土材料參數

螺山泵站結構混凝土強度等級為C25，電機層、水泵層、板梁柱混凝土強度等級為C30。根據SL191-2008《水工混凝土結構設計規范》［6］，混凝土材料的基本力學參數見表1。

表1 混凝土基本力學參數

（2）鋼筋材料參數

受力鋼筋均采用Ⅲ級鋼筋，根據SL191-2008，鋼筋的基本力學參數如下：

①彈性模量Es＝2.0×105N／mm2；②鋼筋強度設計值 fy＝fy′＝360N／mm2。

（3）基礎力學參數

泵房建基面高程9.6～10.6m，基礎座落在泥灰巖層上，強風化泥灰巖承載力特征值fak＝600kPa，可采用天然地基，其力學參數取值見表2。

表2 基礎巖體力學參數表

（4）荷載

荷載及系數均按SL744-2016《水工建筑物荷載設計規范》及GB 50265-2010相關規定取值。主要荷載包含結構自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、浪壓力、風壓力、機電荷載及樓面荷載等。

3.3 有限元結果分析

（1）位移計算結果分析

在商務英語的翻譯中，首先要遵循語言通順的原則，也就是說翻譯完的句子不能晦澀難懂、語句不順暢，也不能生硬、讓人費解。如Many of these fine products are in stock ready for your order這句話，就不能生硬地翻譯成“優質貨物已在倉庫里準備好，為了你來訂購”，而應遵從語言習慣譯為“歡迎訂購”。其次要遵循專業性原則，畢竟是為商務活動和國際貿易服務，因此必須使用規范術語，如This Agreement is made by Su應該采用Agreement在商務英語中“協議”的意思。

整理出各種計算工況螺山泵站主泵房整體三向位移區間見表3。整體變形呈現出下沉并向右岸及向內湖側移動的趨勢。完建工況時主泵房橫水流X向位移最大，主泵房靠近外江側頂部最大橫水流X向位移為14.7mm（向右岸），主要由于土壓力及基礎不均勻變形所致。校核運用工況時主泵房順水流Y向位移最大，外江側頂部最大順水流向位移為-8.9mm（向上游），主要由于水土壓力差所致。完建工況主泵房鉛直Z向位移最大，最大鉛直向位移為-17.6mm（下沉），出現在主泵房靠近內湖側底板右側，主要由于基礎不均勻沉降及水土壓力導致泵房結構傾斜所致。

就主泵房整體結構而言，主泵房各個方向位移分布連續均勻。螺山主泵房坐落在強風化泥灰巖上，計算得到的螺山泵站主泵房最大沉降量為17.6mm（完建工況），小于GB 50265-2010規定的150mm，橫水流X向最大位移為14.7mm，小于20mm，相鄰兩聯之間不會互相擠壓，可見螺山泵站主泵房沉降在允許變形控制范圍內。

表3 主泵房整體三向位移區間

（2）應力計算結果分析

表4 主泵房整體三向最大拉應力 單位：MPa

主泵房絕大部分區域以受壓為主，拉應力較大的位置主要集中在底板、電機梁、邊墻、隔墻等部位，其它位置的拉應力普遍在0.5MPa以下。表4為主泵房三向應力最大值匯總表。

主泵房水平向拉應力最大值均出現在底板，由于結構突變導致底板底面四個角點有較明顯的局部應力集中現象，配筋時注意局部加強。除去各別應力集中區域外，水平橫水流X向最大拉應力為1.07MPa，出現在完建工況底板底面；底板頂面最大X向拉應力出現在正常運行工況出口處空箱底板頂面處，為0.87MPa。水平順水流Y向最大拉應力出現在完建工況出口段空箱底板頂面，為1.28MPa；底板底面Y向拉應力最大值也出現在完建工況，為1.20MPa。最大鉛直向拉應力出現在完建工況邊墻處，最大為2.22MPa。

（3）有限元應力配筋

根據三維有限元計算的混凝土應力結果，獲得結構在彈性階段的截面應力圖形，用SL191-2008 12.2節的拉應力圖法，如圖4所示，分別計算結構各部位的配筋面積。拉應力圖形法配筋下式計算。

表5 主泵房底板配筋表

圖4 按彈性應力圖形配筋

式中，K—承載力安全系數，本文取1.2；T—由鋼筋承擔的拉力設計值，由有限元計算得到；fy—鋼筋抗拉強度設計值，取為360N／mm2；As—鋼筋截面面積。

用式（1）計算時，當彈性應力圖形的受拉區高度大于結構截面的2／3時，不考慮混凝土的抗拉強度，即T＝0；當彈性應力圖形的受拉區高度小于結構截面的2／3且混凝土的最大拉應力小于0.45ft＝0.57MPa時，考慮混凝土的抗拉強度，僅按構造配筋。

根據主泵房應力計算結果，對主泵房的主要受拉部位-底板、電機梁、水輪機層上下游梁、水輪機平臺、邊墻和隔墻等進行配筋，表5給出了螺山泵站主泵房底板的配筋量。應力較小的部位按照構造配筋，構造配筋的最小配筋率及配筋面積應按SL191-2008 9.5節規定取值計算，計算時注意計算截面尺寸的選取，結構較厚部位按最小配筋率計算得到的配筋面積也有可能較大。

考慮到底板尺寸較大，受溫控及基礎不均勻沉降的影響，建議適當增大其配筋面積。底板、邊墻、隔墻等構件遇到孔洞時應局部加粗、加密鋼筋。

4 基于有限元應力的三維配筋設計

如何在三維模型、結構分析基礎上，快速配筋及出圖成為目前急需解決的問題，某平臺的Revit目前配筋功能主要限制在板梁柱等規則標準件，對水工大體積異形體配筋功能很弱，需要進行二次開發，對中小設計院來說難度較大；軟件只有結構出圖、無鋼筋出圖功能，因而需要借助專業配筋軟件來解決。獨立平臺開發的《水工三維配筋軟件》較好地解決此問題。該軟件可以導入其它三維軟件建立的.sat格式文件，用戶通過在三維結構上創建鋼筋模型，經過切取剖面，自動生成鋼筋詳圖和信息表，滿足施工詳圖階段鋼筋圖的供圖。其具有以下特色：

（1）能以.sat格式導入模型，避免三維模型的重復建模。

（2）三維可視化配筋。直觀地在立體模型上布設鋼筋、定義剖面，并全自動生成剖面圖和信息表。

圖6 螺山泵站主泵房底板配筋二維出圖

圖5 螺山泵站主泵房底板三維配筋

（3）三維重用。當模型結構發生了修改時，不影響原來已布設的鋼筋，只需修改因結構變動而需改變的鋼筋。

（4）二維重用。在對二維圖作了編輯調整后，若因設計修改而需要在三維中修改鋼筋，原二維圖已作過的編輯調整位置可以被記錄，避免了重復勞動。

（5）吸取了最新的開發技術，支持動態切面、回退、對象修改、自定義實體、無干涉布局等，使整個軟件性能達到了工程實用化水平。

（6）設計人員自主開發，概念清晰，操作簡單，符合設計習慣。

（7）界面清新、簡潔、友好，簡單易學，設計人員通過短期的培訓和練習，就可以熟練掌握。

基于有限元應力配筋結果在《水工三維配筋軟件》中生成的主泵房底板三維配筋及自動二維出圖如圖5、6所示。通過實際應用，《水工三維配筋軟件》能夠快速準確地對結構進行配筋，減少因人為進行配筋、編號、計算鋼筋量、制作材料表等這些繁重工作所耗費的大量人力物力，減輕勞動強度，縮短設計周期，減少了大量低層次的勞動，降低綜合成本，并且由于是在三維模型中直接配筋，能夠直觀、準確地辨識結構中的拐角、隱蔽部位，無缺漏的對其進行配筋，避免漏筋，提高了設計圖紙質量，另外因其建筑物結構是調用某軟件中的模型，能促進三維協同設計環境的建立，提高設計管理水平與連貫性。

5 結語

本文通過BIM技術實現了三維建模、計算仿真、三維配筋及出圖的一整套設計流程，獲得了一些有益的經驗。

（1）BIM技術所見即所得，可減少傳統2D圖紙不能完全表現設計人員的設計意圖，同時可能存在結構碰撞［7］，因而使得指導施工不準確所引起的返工，避免不必要的經濟損失。參數化草圖結合外部鏈接excel表，可以快速的創建復雜的水工模型，并且為同類工程提供了借鑒。

（2）在螺山泵站的BIM設計過程中，水工專業通過對相關軟件的深入研究，實現了三維建模、分析和配筋出圖一體化。采用某軟件進行三維設計建模，模型經有限元軟件軟件計算分析，計算結果和模型數據導入《水工三維配筋軟件》進行配筋，配筋結果可以直接轉化為二維CAD圖紙。通過三維設計的方式，一次建模，由一套模型數據完成設計、分析和配筋的所有工作。螺山泵站的現階段全套鋼筋圖均由上述流程完成，圖紙成果得到業主和施工方的認可。

（3）運用BIM技術可以高效的完成設計、施工、運維全生命周期管理，特別是技施階段，主泵房各層各專業的管道設備眾多，通過BIM各專業協同，可以有效、及時的發現問題，高效的解決問題以及提高施工藍圖的設計效率。

（4）比起傳統的二維設計人員，BIM人才相對較少，探索出一套適應中國國情的、可持續發展的BIM，是我們首要解決的問題。

［1］賓洪祥，姚曉敏，等.湖北省螺山泵站增容工程初步設計研究報告［R］.湖北省水利水電規劃勘測設計院，2017.

［2］何關培，等.BIM總論［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［3］胡仁喜，劉昌麗，等.2015 Autodesk? Inventor? 中文版實操實練 ［M］.北京：電子工業出版社，2015.

［4］GB 50265-2010.泵站設計規范［S］.

［5］朱伯芳.有限單元法原理與應用（第二版）［M］.中國水利水電出版社，1998.

［6］SL191-2008.水工混凝土結構設計規范［S］.

［7］李德，賓洪祥，黃桂林.水利水電工程BIM應用價值和企業推廣思考［J］.水利水電技術，2016，47（08）：40-43.

［8］毛擁政，補舒棋，付登輝，等.BIM技術在引漢濟渭工程三河口水利樞紐勘察設計中的應用［J］.水利規劃與設計，2017（09）：158-161.