BIM 技術在水利工程鋼閘門設計中的應用研究

竇林瑞，李凱旋，耿曄晗

（1.浪潮軟件科技有限公司，濟南 250000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048）

1 概要

鋼閘門作為低水頭擋泄水建筑物，廣泛應用在河道景觀、灌溉蓄水、水庫擴容、水電站增容等水利水電、水生態建設及城鎮化建設項目中［1］。傳統鋼閘門在閘門設計階段、 水利工程設計及配筋階段、分析階段、深化詳圖階段及施工過程中常常是分開設計，這不僅會造成數據信息的丟失，也需要在各個階段多次重復性地輸入信息或重新構建模型［2］。 因此， 利用BIM技術應用在水利工程鋼閘門的設計中具有重要意義。 建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術，可以有效利用數字信息化的優勢特征，把項目建設過程中涵括的多種需求要素，于三維模型上直觀地模擬構建， 并具備數據信息的完整性、可視化及協調性等多方面的特征［3］，從而讓BIM技術在鋼構閘門建設過程中所需的各個階段有機結合在一起，最終實現精細化管理的目標。

目前， 為了提高BIM在水利工程建設期間的集成化程度， 國內外已針對BIM在水利工程中的應用進行了一些研究，如：王文武［4］將BIM理論、技術與有限元分析有機融合，整合了參數化見長的三維設計軟件Catia， 具備高效模型處理算法的Hyperwork，以及具有強大數值求解能力的Ansys通用有限元軟件，實現了計算方法與出圖方式的實質性轉變。 張偉［5］利用BIM技術對引漢濟渭三河口水利樞紐工程進行設計及操作， 證明BIM模型不僅能有效利用既有條件完成信息的共享工作，也能精確計算土方的開挖、回填量，同時完成地質模型的建立。 林旭等［6］基于無為泵站工程介紹BIM在水利工程總承包項目的應用， 利用BIM達到項目在實施過程中具有信息傳遞性， 通過統一的標準可以使BIM模型信息在設計、施工、運維等階段進行無障礙信息傳遞。

本文基于前者研究， 將BIM技術應用到水利工程鋼閘門設計中，以某地區2m高、23.4m長小角度支撐的水利工程液壓鋼閘門項目為例， 結合BIM軟件平臺Inventor，Revit，Tekla進行從設計到施工圖階段的對接和應用研究， 梳理水利工程鋼閘門設計BIM傳遞到施工階段應用的關鍵信息點，為水利工程鋼閘門設計BIM技術一體化應用提供參考。

2 BIM技術在水利工程鋼閘門中的技術優勢

BIM技術在水利工程項目中應用的核心價值就是將水利工程各模型實現三維可視化， 建立完善的項目信息數據庫， 實現工程項目在全壽命周期中各個不同階段的工程信息、 過程和資源集成為一個模型，既簡化了設計又方便工程各參與方的使用［7］。 技術優勢具體有：

2.1 三維可視化

傳統水利工程鋼閘門項目從可行性研究階段到施工圖階段一般都是通過二維圖紙來展示， 不利于工程各參與方的直觀理解。BIM技術可實現鋼閘門關鍵部位結構、 水工基礎建筑物等各個單元的三維可視化，整體性更加明確具體。

2.2 參數關聯性及可溯源性

BIM技術中族的概念至關重要， 族就相當于將所涉及的項目進行區分及參數化建立，創建者可以按照主體結構進行參數集的建立或圖形表示的不同進行分組，每個族都能被定義為多種類型，根據創建模型人員的設計， 每種類型都具備不同的材質、形狀、尺寸等設置或其他參數變量，一旦項目結構需要修改，只需修改相關參數，BIM中的模型會與之相關聯的參數信息自動更新，這在很大程度上減少了圖紙修改的繁瑣工程量，也增加了項目信息的可溯源性。

2.3 信息共享性

水利工程鋼閘門在建設期間涉及多專業如金屬結構、液壓系統、水工結構等的匯總，傳統工程項目往往會出現各專業、各單位之間信息分享不及時，導致工作量重復或信息斷層。BIM技術在應用過程將各種信息匯總成一個數據文件，在交叉傳遞過程中，信息也跟著傳遞，保證了信息的連貫性，提高了工作效率。

2.4 碰撞問題的預見性

鋼閘門水利工程在設計中，涉及多專業交叉，往往出現鋼閘門、基礎埋件、液壓管路等結構與水工基礎結構之間的干涉碰撞， 尤其是在設計配筋工作中更容易出現干涉碰撞， 且該干涉碰撞往往在設計階段難以預見，卻發生在實際施工過程中。 BIM技術可實現對碰撞問題的檢查， 提前發現設計中存在的問題，減少“錯、漏、碰、缺”和設計變更，提高設計效率和質量。

2.5 可出圖性

BIM技術可實現各個部件從二維到三維的互相轉換，根據用戶需求輸出圖紙，兩者之間可實現自動更新，無需單獨修改。

總之，BIM技術應用在鋼閘門設計工作中可以加強不同單位、 不同專業及不同階段的信息共享與協作，有效提高工作質量和效率。

3 BIM技術模型實例分析

本文依托某水利工程鋼閘門建設實例項目，主體結構為小角度支撐的液壓鋼閘門結構形式， 設4扇，單扇寬度5.85m，閘門高2m，過流凈寬23.4m。水工基礎建筑物包括上游連接段、進口鋪蓋、基礎底板、下游消力池、海漫等，上游連接段長10m，鋪蓋段長13m，閘室段長12m，消力池長15m，海漫段長15m，全長共計65m。

3.1 鋼閘門三維模型設計

基于BIM技術建立參數化族群，是鋼閘門BIM思想設計的一種體現。 小角度液壓缸支撐鋼閘門三維模型的設計首先依據鋼閘門設計的基本原理與規范要求，采用Inventor三維軟件模型設計，以IFC格式轉入到Revit中，進行族的創建與參數化設計，族的類型主要包括模板族、部件族和零件族，模板族指的是能夠快速完成的鋼閘門結構， 具備參數化軸線更新驅動建模，輸入參數較少，結構形式單一；部件族指的是以模板族為基礎，以門葉為單元進行設計，包括等截面的主橫梁、次梁等門葉部件族群；零件族指的是鋼閘門之間的各種其他結構類型，如底較支座、預埋件、止水底板等零件族。 族在建立的時候，都進行了參數化的設計，包括形狀參數的控制、參數之間的連接關系、參數標注、材料性能等參數信息。 當基本類參數被修改或者刪除時， 系統會自動進行數據的更新及結構的改變， 不必針對每個鋼結構零件進行單獨修改，很大程度上提高了軟件的智能化能力。鋼閘門三維模型如圖1。

圖1 鋼閘門三維模型

3.2 水工基礎三維模型設計

Autodesk軟件有限公司是全球最大的二維和三維設計、工程與娛樂軟件公司，早在20世紀便以CAD軟件占據了我國二維制圖行業大部分市場， 其推出的以Revit為主的BIM軟件套包更是目前國內建筑市場的主要軟件之一［8］。

本項目主要采用Revit軟件進行水工基礎三維模型設計，主要步驟包括：①利用建筑樣板新建一個項目，使用“體量和場地”和“地形表面”等工具，根據使用場地大小、 高程等實際地形創建工程場地軸網和標高；②使用“族”下的“板”“梁”“柱”等負責結構的族建立及結構構件的配置，可以采用復制、陣列等辦法添加同類構件；③對“族”參數進行設定及關聯，其中還可以進行尺寸標注、材質及裝飾、結構參數等信息的設定，這樣便于在后期三維設計優化時，可以隨時進行檢查及修改；④進行三維結構組裝及優化，并對組裝結構進行碰撞檢測，修改干涉碰撞部位，完善結構，生成三維模型，如圖2，圖3。

圖2 擋墻參數設定過程

圖3 整體三維水工基礎結構

3.3 配筋及碰撞檢查

傳統設計配筋工作繁瑣且設計任務重， 不僅耗費大量人力物力，還容易出錯，給項目的質量、安全及成本控制帶來了不確定性和差異性，而BIM給配筋設計工作帶來了簡便及準確性，BIM模型里儲存了該項目的所有幾何、物理、性能等信息，實際上是項目的動態模型，可以進行碰撞檢查，避免空間關系的沖突， 優化資源設計， 減少項目可能存在的錯誤和返修，優化結構，同時也可以比較好的預測項目成本［9］。本項目主要采用Tekla軟件對結構進行配筋， 主要步驟：①將Revit三維模型以IFC格式導入到Tekla中，設計鋼筋參數，進行配筋；②進行碰撞檢測，及時進行配筋修改，該步驟不僅將配筋過程可視化，還簡化了繁瑣的配筋施工圖；③快速提取鋼筋施工料表，提出合理鋼筋計劃；④提供施工圖紙。

圖4 二維平面布置

圖5 閘底板結構配筋

4 結語

BIM技術的應用，不僅實現了參數化精細設計建模、多專業錯漏碰檢查、工程量自動統計、三維配筋、二維出圖、 視覺傳達等多方位的專業性工作，還完成了以三維BIM模型為核心的數字化設計成果交付示范， 而其中的三維可視化、 參數關聯性及可溯源性、 信息共享性、 碰撞問題的預見性、 可出圖性等技術特點更提高了工作質量與效率， 為工程提供更優質的設計與咨詢服務。 本文以實際工程項目為例， 梳理水利工程鋼閘門設計到施工階段BIM技術應用的關鍵信息點， 對在水利工程鋼閘門建設項目中推廣BIM的全面應用及促進建設工程創新具有重要意義。