基于BIM的航運輔助樞紐工程浮式檢修閘門設計

◎ 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械設備檢修過程中用于擋水的閘門，為確保檢修過程順利進行，檢修閘門設計必須嚴格執行國家技術政策。浮式檢修閘門可較好利用水體浮力，使閘門節段自動浮升，減少水中作業環節及工作量，提升閘門施工過程的安全性及結構性能質量。但是，浮式檢修閘門結構復雜，在設計過程中如果應用常規CAD技術，必然增大結構設計、圖紙繪制、數據復核工作量，設計結果的精確度卻無法保證；而BIM（Building information modeling）建筑信息模型技術及AUTODESK平臺的INVENTOR軟件具備強大的建模及有限元分析功能，在保證模型構建及數據參數精度的基礎上，能大大簡化分析過程。為此，筆者對BIM技術在航運樞紐浮式檢修閘門設計中的應用展開分析，以供參考。

1.工程概況

某航運輔助樞紐工程由1座千噸級船閘、5臺燈泡式機組、42孔泄水閘及土石壩等構成，該船閘上閘首檢修閘門孔口設計長度為23.0m、寬和高均為12.45m；下閘首檢修閘門孔口設計長度為23.0m，寬和高均為9.28m。孔口尺寸較大，若采用常規閘門型式，必須在船閘上布置過高過大的啟閉設施，無法保證結構安全性和美觀性。此外，該航運輔助樞紐現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。該閘門通過電動葫蘆和鉤環式自動抓梁起吊，其中，揚程為18m的啟閉機配置2臺CDI10-18D型電動葫蘆；抓梁重1520kg，配置長0.48m、寬0.40m、高10.0m的箱梁。

2.設計原理

該航運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充水平壓，以將閘室內外水位差控制在1.0m以內后提升疊梁節段。

2.1 力學可行性

疊梁節段浮力、疊梁節段重力應分別按以下公式[1]計算：

式中：F單為疊梁節段浮力（kN）；W單為疊梁節段重力（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為檢修閘門單節重量（kg）。將相關參數代入后得到該樞紐工程浮式檢修閘門疊梁節段浮力為65.11kN，疊梁節段重力為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外水位基本處于平衡狀態，摩擦力忽略不計，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段能較好浮起。

閘門閉合的過程中，9節疊梁節段總自重達到566.64kN，考慮到水深實際，其中7個節段全部浸沒于水中，第8節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節空腔排水體積（m3）；其余參數含義同前。將參數取值代入式（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外可能存在1.0m以內的水位差，故應按下式計算止水橡皮與鋼材的摩擦力[2]：

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

根據以上對該航運輔助樞紐工程浮式檢修閘門受力性能的分析看出，單節疊梁浮體能較好浮起，因閘室內外水位差較小，止水橡皮與鋼材之間的摩擦力忽略不計，疊梁節段能始終浮于水面；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，水密度和浮力均增大，在閘門依靠原自重仍無法閉合時，必須向疊梁節段空腔內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，不會因空腔的存在而受到影響。

3.浮式檢修閘門設計

3.1 BIM模型構建

浮式檢修閘門設計要點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等，以上控制要點也是閘門質量形成過程中必須重點驗證的環節，必須加強控制。

航運樞紐浮式檢修閘門內部結構復雜，縱橫向桁架交錯布置，應用常規二維CAD軟件設計時，必將涉及反復計算、繪制及查詢工作，存在大量重復性過程。應用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調用浮式檢修閘門內部桁架結構斷面，省去了設計人員反復查詢零件手冊的繁雜過程；此外，在展開BIM設計時，只需修改BIM模型中的部分參數，便可自動生成閘門模型，工效顯著提升。建立的浮式檢修閘門BIM模型見圖1，閘門內部結構見圖2。

圖1 浮式檢修閘門BIM模型

圖2 閘門內部結構

3.2 浮式檢修閘門穩定性計算

該航運樞紐浮式檢修閘門設計主要面臨輕載時吃水淺，浮心不穩；拖運時容易傾斜等難題，這就要求在設計階段準確確定閘門重心、浮心、灌水量及不同載重狀態下吃水深度。按照《干船塢設計規范》（CBT 8524-2011），長度在30m以內的桶形浮式塢門輕載狀態下重心應位于浮心以下。對于桶形閘門而言，內部桁架結構復雜，閘門重心若采用常規手工計算則過程非常繁雜，再加上閘閥、滑塊及橡膠止水等材料屬性存在差異，很容易引發結果偏差。設計上的不合理必然造成檢修閘門側翻、傾倒等運行事故。為此，該航運樞紐浮式檢修閘門重心、浮心和配重的計算均采用BIM模型。

暫不考慮配重問題，構建浮式檢修閘門BIM模型，按照軟件統計數據，該閘門單節重6.296kN，總重56.664kN，重心高5300.15mm。同時，建立5.2m的輕載吃水深度下浮式檢修閘門實體模型，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浮力大小主要與閘門自重有關，故需根據閘門自重確定配重重力。該閘門浮心高度比重心高度低，故設計時應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，取值符合規范。

3.3 輔助結構計算

對于桶形浮式檢修閘門而言，內部主梁結構主要有實腹式和桁架式等，各層主梁尺寸不盡相同。在采用常規手工計算的情況下，過程繁瑣，結果準確度不高。采用BIM技術直接在軟件中建立有限元模型，實現與ANSYS的單向對接，將模型導入分析軟件，得出分析結果。

BIM建模與應用模型展開有限元計算之間相互協調，浮式閘門構件結構尺寸可根據經驗和手工計算進行初選，再構建BIM模型，并展開模型網格劃分，進行結構剛度、強度、穩定性分析計算。根據計算結果，進行模型參數優化調整；此后，重新導入軟件復核計算。通過以上過程可以得到精確的構建受力結果，設計質量和進度均有保證。

3.4 圖紙生成

傳統設計過程中，金屬結構往往由不同人員單獨設計，最后展開圖紙匯總。浮式檢修閘門內部桁架結構復雜，同時還涉及充排水閘閥、檢修爬梯等的合理布置，如果采用傳統設計方法，必將增大人員配合工作量，造成結構參數反復修改。此次設計時，借助BIM軟件構建起檢修閘門整體模型，再通過軟件自帶功能導出標準模板的CAD圖紙，圖紙精度復合設計。最終導出的圖紙和原始BIM模型之間存在較強的關聯性[4]，模型中任一參數值的調整和修改均會引起圖紙的自動修改，確保設計質量及出圖準確。

3.5 輔助工程算量

常規水工閘門主要由鋼板拼合而成，結構簡單，工程量統計容易。但浮式檢修閘門內部結構復雜，還涉及充水閥等配套構件，各類桿件工程量若采用傳統手工統計必然會降低效率和準確性。應用INVENTOR軟件構建起閘門內部模型，并借助軟件分型號、分部位自動統計各構件工程量，提升工效和準確性。

浮式檢修閘門金屬結構工程量統計還包括閘門防腐面積。傳統方式下主要根據閘門重量和板厚大致估算，結果存在較大偏差。而BIM軟件可自動讀取模型表面積，提升防腐面積預測的準確性。

3.6 施工及運維過程模擬

將軟件生成的模型導入AUTODESK Navisworks軟件，借助模型分解、旋轉及可視化施工視頻的制作，便于施工人員較好理解設計意圖和要點。同時，還可利用BIM軟件展開施工進度模擬，自動生成施工進度橫道圖。該航運樞紐浮式檢修閘門體積大，且為雙面板設計，制造期間必須展開數次翻身加工，涉及汽車吊、腳手架、千斤頂、起重機等多設備輔助應用，僅憑人工展開現場指揮和組織協調難度非常大。在利用BIM技術后，可以通過軟件對閘門吊裝、預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.運行情況

按照以上設計思路，該航運輔助樞紐工程浮式檢修閘門安裝施工任務于2020年6月11日完成，并對每孔泄水閘門均實施了水下試驗。試驗期間，自動抓梁始終按照設計要求展開自動掛鉤與脫鉤；待檢修閘門閉門后將泄水閘門吊起，進行單節疊梁浮沉及密封性能的檢測。結果表明，各孔閘門止水效果均較好，能保證各節疊梁按要求浮出水面。

4.1 啟門工況

試驗開始前放下泄水閘，等檢修閘門內外水位差降至1.0m后拔出抓梁銷子上的手柄，借助電動葫蘆放下抓梁，使其自動環沿著掛鉤斜面自由滑動并順利進入鉤內；此后通過抓梁將疊梁提起，下節疊梁便會自動浮起。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，并吊起下節疊梁。

4.2 閉門工況

泄水閘門檢修前借助電動葫蘆固定抓梁，并確保抓梁上的銷子手柄與深槽位置對應；開啟電動葫蘆將抓梁下放至疊梁位置后，使抓梁電動環沿著疊梁掛鉤上斜面自由滑動，最終進入掛鉤。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，隨著抓梁的繼續下放，自動環將順著掛鉤下斜面繼續滑動，銷子也同時彈出并卡住自動環，無法返回至掛鉤內，此時應提起抓梁，進行其他疊梁吊裝，直至將9節疊梁全部下放。隨后，疊梁在結構自重的作用下便會在靜水中拼裝成檢修閘門，此時便可吊起閘門檢修。

5.結論

綜上所述，自動抓梁和浮式疊梁技術在浮式檢修閘門中的結合應用較為少見，該組合技術先進，操作便捷，安全可靠，省去了大量的水下作業，使浮式檢修閘門啟閉工效顯著提升。BIM技術的應用可精確得出該航運樞紐工程浮式檢修閘門受力情況及浮游穩定性，為閘門結構優化提供可靠依據。BIM技術具備模型創建、二維圖紙生成、輔助工程算量、自動干涉檢查、動畫仿真、施工進度橫道圖自動生成等功能，能大大簡化圖紙繪制及修改、參數調整及復核工程量，提升出圖效率及準確性。此外，BIM技術還能整合浮式檢修閘門從設計規劃到施工建設各階段信息，為后期運維管理提供便利。