BIM技術在閘門井設計中的應用

趙萌萌，李芬花，楊榮海，李 壯

(華北電力大學可再生能源學院，北京 102206)

目前，BIM技術在房屋建筑、水暖電設備、交通等行業順利應用，而在水利行業還處于初級階段，發展相對滯后[2]。國內對于閘門井的研究主要是用有限元軟件進行建模[3- 5]以及閘門井在施工中的應用[6- 9]，而對于BIM技術在閘門井設計應用卻很少。抽水蓄能電站進出水口閘門井是引水系統工程的主要建筑物，用于設置事故閘門。由于事故閘門在緊急情況下具有分隔航道與上下水庫及廠房的功能，因此對閘門井在模型設計方面有很高的要求。在設計閘門井時，會存在重復性建模和繪圖工作，導致各專業人員協調時出錯等問題，影響了設計進度、拖延了工程工期。鑒于此，本文將用BIM技術中的Revit設計軟件對閘門井的設計、建模過程進行詳細闡述，為后續工程智能化管理提供依據，也為BIM技術在閘門井應用方面做探索性的工作，并為實際工程提供一些參考。

1 創建閘門井模型

1.1 工程概況

文登抽水蓄能電站位于山東省膠東地區文登市界石鎮境內，距文登市約35km，電站裝機容量1800MW，年發電量26.28億kW·h，年抽水用電量35.04億kW·h。電站擬建上水庫進/出水口布置在堆石壩上游右岸分水嶺兩沖溝之間的突起部位，正常蓄水位625.0m，死水位585m，地面高程590m。引水事故閘門井位于進出水口后山體內，中心底板高程556.9m，平臺高程635.5m。引水事故閘門井由漸變段、井座、井身等組成，均采用鋼筋混凝土結構。閘門井井座前后各有一個漸變段，分別為圓變方和方變圓結構，長12.0m，圓端內徑6.8m，方端5.4m×6.8m(寬×高)的矩形，襯砌厚1.2m。井座，底板坡度8%，順水流向長12.5m，內腔橫斷面尺寸5.4m×6.8m(寬×高)，襯砌厚1.5m。井身為圓形，襯砌直徑10m，井身高70.3m，井壁為鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.8m。

1.2 Revit軟件創建井身構件族

Revit是BIM軟件中應用最廣泛的設計輔助工具，其中Revit Structure是專門針對結構設計的強大工具，集多材質常規建模與自定義建模的設計特性于一體，可以滿足用戶需求的智能化建模，并為常用的結構分析軟件提供雙向鏈接，提高項目的精確度[10]。圖元是創建項目最重要的元素，Revit將圖元分成類別、族和類型三類[11]如圖1所示。族是Revit建筑項目的基礎，不論是模型圖元、專有圖元還是注釋圖元，均由各種族及其類型組成。其中自定義族的步驟如下[12]：

(1)前期準備工作：在對項目所處地形了解的基礎上，首先在立面視圖中確定高程，再根據所建模型構件的族的性質，選擇一個合適的族(系統族、可載入族和自定義族)，接著選擇族的子類，最后對子類的屬性進行設置。

(2)繪制模型構件前處理：在構件對應的高程上，對于系統族，可直接根據構件的幾何尺寸進行繪制；對于可載入族，直接載入即可；對于自定義族，常用到拉伸、融合、旋轉、放樣、放樣融合以及空心形狀等命令，有時甚至是其中的兩種或三種命令結合進行繪制。

(3)繪制模型構件后處理：根據需要標注尺寸，在族類型中將尺寸對應的約束創建出來，并創建對應的族類別和族參數。為確保所建族構件的正確性，可以在族類型中通過調整約束參數觀察所建構件的行為來判斷。

(4)整合：在一個新的項目文件中，插入鏈接Revit(模型構件)，定位選項為原點到原點。首先是在結構平面中嘗試通過移動、對齊等操作將構件整合在一起，然后在立面中查看構件的高程是否正確，最后通過設置共享坐標來即時修正構件的定位，最終整合完成。

圖1 圖元的分類

井身構件族的創建步驟如下：

(1)確定所處工作平面后，在自定義族中選擇-基于線的公制常規模型。如圖2(a)。

(2)選擇拉伸命令，按照模型截面尺寸，在“繪制”面板中選擇合適的繪制工具進行繪制，將參數在族類型中一一對應，同時設置族類別和族參數。如圖2(b)(d)所示。

將完成后的模型載入項目中，通過平面、立面、剖面等視圖調整構件位置，最終生成實體結構。如圖2(e)所示。

圖2 閘門井-井身的制作步驟

1.3 創建整體模型

漸變段、井座、井身等構件創建完后，在項目中進行整合。將井座構件族在“鏈接Revit”中打開，定位“原點到原點”，以同樣的方式打開漸變段和井身等構件族。通過二維與三維視圖對構件進行一系列對齊、平移、偏移、旋轉等命令，再結合共享坐標共同修正項目中構件族的定位，最終創建完成閘門井整體模型，如圖3—4所示。

圖3 閘門井(線框形式)

圖4 閘門井(著色形式)

2 BIM技術在設計階段的應用

2.1 BIM出圖

現場施工要根據圖紙進行，因此設計階段圖紙的質量對最終建筑的質量至關重要。傳統的設計圖紙過程繁瑣，若發生設計變更，設計人員就要將所有與之相關聯的部分找到，并逐一修改，增加了出圖時間，影響了施工進度[13]，而BIM技術的可出圖性功能很好的解決了上面的問題。在出圖前，只需對模型進行修改，相應圖紙上的部分就會自動修改，對于模型平面視圖、立面視圖在項目瀏覽器中已經提供，剖面功能可取得模型任意位置的剖面圖，對模型進行展示、協調、模擬、優化等一系列操作后還可以得到綜合管線圖和預埋套管圖，最后通過復制視圖到指定圖紙中便可生成相應圖紙[14]，如圖5所示。

圖5 閘門井圖紙

2.2 BIM+VR模式

Revit虛擬模型有所見即所得的特點。對于現實模型來說，有些部件是不可隨意觸碰的。但為了對某些部件進行排查、診斷，就需要提前在虛擬模型中對相關人員進行培訓，以達到同現實一樣的效果。VR技術是虛擬與現實之間連接的橋梁，是一種使使用者可以沉浸式感官體驗虛擬世界的計算機仿真系統，具有具象性及交互性功能[15]。BIM+VR模式，在設計階段有以下主推方面：①提高了BIM模型的渲染真實度；②VR的介入提高了動作捕捉度和顯示分辨率；③營銷領域得到推廣；④施工領域得到推廣。因此，VR技術的引入，對于上述問題有了很大的幫助[16]。

2.3 工程量和成本估算

長期以來，造價工程師在計算工程預算時，常常使用圖紙導入工程量計算軟件或手工計算方法，不論何種方法，由于設計階段的數據信息不能即時準確的反饋給工程師，使得他們沒有足夠多的時間來精確計算，導致成本估算率不高。BIM模型中存在著幾何數據信息、可運算物理數據信息和規則數據信息，通過這些信息，計算機對模型中不同構件的幾何和物理數據進行統計，并自動計算構件工程量，再加上BIM模型在整個項目生命周期中的共享和傳遞，大大提高了成本估算率以及在前期對設計成本的控制[17]。Revit軟件中，可以使用“明細表”來統計模型構建中的材質提取、圖紙列表、視圖列表和注釋塊等各種樣式的明細表，如圖6所示。

2.4 碰撞檢查

傳統二維設計中，設計師很難對各個專業所設計的內容進行整合檢查，不可避免在繪圖中發生碰撞和沖突，而BIM軟件的碰撞檢查功能很好地解決了這個難題。碰撞檢查分為行業內碰撞檢查和行業間碰撞檢查，碰撞檢查完成后，系統會自動出具一份含有創建時間、成組條件、發生沖突的單元對象類別、圖元類型以及ID號的“沖突報告”，如圖7所示。雙重檢查加“沖突報告”使設計師在設計階段提前發現沖突，大大減少了施工階段存在的返工風險。

3 結論

本文采用以BIM技術為基礎的Revit設計軟件對文登抽水蓄能電站閘門井在設計階段進行了探索，所得結論如下：

(1)Revit軟件中的“族”在模型構建的過程中起到很重要的作用，是模型的基本元素，幾乎所有的模型都需要通過自定義族或系統族建立。

(2)BIM技術在設計階段的應用，如參數化建模、協同設計、出圖、VR模型、工程量和成本估算、碰撞檢查等，使得模型在設計階段有效的解決了檢修人員在虛擬模型下對構件的診斷問題、設計階段前期的成本預算問題及專業內、專業間出現的碰撞問題，不僅提高了模型渲染的真實度，還提高了成本的估算率，對于后續階段的進行夯實了基礎。

圖6 井座明細表

圖7 沖突報告

BIM技術在閘門井方面的應用比較少，因此，參照BIM技術在其他行業的應用情況，BIM技術在閘門井的受力分析及配筋可作為下一階段重點關注內容。