BIM技术在沉箱浮游稳定计算中的应用

侯明涛，綦　峰，许玉磊

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁　大连　116001）

BIM技术在沉箱浮游稳定计算中的应用

侯明涛，綦峰，许玉磊

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁大连116001）

传统的沉箱浮游稳定计算公式繁琐、复杂，且没有形成统一的方法。以大连金龙湾护岸工程为例，阐述了BIM技术计算大型圆沉箱浮游稳定的方法，计算准确、快捷、灵活，达到了预期的效果，可供类似项目借鉴。

BIM；沉箱；浮游稳定

近几年BIM技术在国内建筑市场的应用越来越广泛，涉及到规划、设计、施工、管理等一系列创新和变革，是建筑市场信息化的发展趋势，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景。

本文以大连金龙湾水上旅游项目E西区填海工程护岸沉箱为例，介绍BIM技术在大型圆沉箱浮游稳定计算中的应用。

1　项目概况

本工程护岸基础沉箱共103个，其中圆沉箱45个，包括直径7 m圆沉箱6个，直径10 m圆沉箱5个，直径12 m圆沉箱5个，直径15 m-1型和15 m-2型圆沉箱各2个，直径22 m圆沉箱25个。

2　BIM技术建模特点

在沉箱出运安放中需要计算沉箱的浮游稳定性，本工程圆沉箱型号较多，沉箱的形状、尺寸均不同，使用传统的浮游稳定计算需要对每种沉箱进行计算，计算过程比较繁琐，也容易出错。而通过利用BIM技术建模，可以直接在三维状态下随意调整沉箱尺寸，并迅速获得所需模型结构，再结合CAD软件配合计算沉箱截面惯性矩，此种方法大大提高了计算沉箱浮游稳定性的效率，并且对各类型沉箱均有较好的适应性。

3　浮游计算原理

为了保证沉箱在溜放、拖运、安装过程中不发生倾覆，需要确定沉箱在浮游状态下的稳定性，由定倾高度来量化。

同一港区内或运程30 n mile内的近程浮运时，沉箱的定倾高度不小于0.2 m；对整个浮运内有夜间航行或运程大于等于30 n mile的远程浮运，固体压载时沉箱的定倾高度不小于0.3 m，液体压载时沉箱的定倾高度不小于0.4 m。定倾高度m计算公式如下：

式中：α为重心C到浮心W的距离，当C在W之上时α为正值，反之为负值；ρ为定倾半径；I为沉箱在水面处的断面对纵轴的惯性矩，m4；i为各箱格压舱水的水面面积对其纵轴的惯性矩之和，m4；V为沉箱的排水量，m3。

JTS 167-2—2009《重力式码头设计与施工规范》[1]中只提供了矩形沉箱和无隔墙圆沉箱I和i的计算方法，对于有隔墙圆沉箱的i计算方法可采用董中亚[2]提出的扇形箱格圆沉箱i的计算公式。

根据董中亚[2]提出的用Ix，Iy的平均值来表示对扇形2个实际不相等的每个ix＇-i理论值，则有：

若圆沉箱箱格分为n个相等的扇形箱格，则有如下通式：

式中：n为大于2的自然数。

4　BIM技术建模及计算

以本工程中直径最大的22 m圆沉箱为例，阐述BIM技术在大型圆沉箱浮游稳定计算中的应用。目前可以用于沉箱建模的软件有Inventor、Revit等，首先利用BIM技术对所需计算的沉箱建模，通过BIM建模可以快速准确地获取计算沉箱浮游稳定性所需的必要参数，如沉箱的重心、总重、体积、压水体积、排水体积等参数。

4.1BIM建立圆沉箱三维模型

沉箱三维模型见图1。通过查询圆沉箱三维模型的物理特性等[3]，可以直接得到建模参数，见表1和表2。

图1　22 m圆沉箱三维模型Fig.1　3D model of a 22 m circular caisson

表1　圆沉箱建模参数Table 1　Modeling parameters for circular caissons

表2　圆沉箱压水建模参数Table 2　Modeling parameters for pressure circular caissons

4.2计算惯性矩i

通过CAD建立沉箱二维平面图，创建面域，重新设置UCS原点，利用其查询功能，计算沉箱的水面处断面及舱格压水的惯性矩[4]。

将圆沉箱8个箱格（如图2）近似看作8个扇形，以沉箱中心原点O为中心，建立面域。

图2　22m圆沉箱平面图Fig.2　Floor plan of a 22 m circular caisson

利用CAD建立扇形1的面域图形，如图3，求对轴X0-X0、轴Y0-Y0的惯性矩：

扇形1：Ix=206 m4，Iy=123 m4。

依次类推，计算其他7个扇形的惯性矩i，得出：I扇形1=I扇形8=I扇形4=I扇形5，I扇形2=I扇形3= I扇形6=I扇形7；沉箱8个箱格扇形面积均相等，S扇形面积=40.86 m2。

图3　扇形1惯性矩i值计算简图Fig.3　Calculation diagram of inertia moment of fan-shaped 1

本工程22 m圆沉箱共计8个箱格，将以上结果代入式（4），则得出：

4.3浮游稳定计算结果整理

对于钢筋混凝土的重度，浮游稳定计算时取2.45 t/m3，海水重度取1.025 t/m3。

1）不加载时浮游稳定计算，见表3。

表3　沉箱不加载时浮游稳定参数计算Table 3　Calculation of buoyant stability parameter when a caissonis not loaded

因此，不加载时定倾高度m=-0.10 m，不满足m≥0.2 m的要求，浮游不稳定。

2）加载0.5 m水后浮游稳定计算，详见表4。

由表4可见，当加载0.5 m高海水时，定倾高度m为0.25 m，浮游稳定。

表4　沉箱加载时浮游稳定参数计算Table 4　Calculation of buoyant stability parameter when a caissonis loaded

5　异形沉箱浮游稳定的计算方法

在异形沉箱浮游稳定计算时，采用手工配合Excel表计算重心等参数更加繁琐，但通过BIM技术对其建模后，采用同样的方法可快速查询得到其重心等特性参数，并在计算浮游稳定时可直接采用，基于水面处舱格面域的计算方法都与文中所介绍方法相同，此处不再赘述。

6　结语

结合金龙湾水上旅游项目E西区填海工程护岸的大型圆沉箱，介绍了利用BIM建模技术快速获得浮游稳定计算所需的参数，再利用CAD创建圆沉箱箱格压水面面域，快速查询出惯性矩的方法，使圆沉箱的浮游稳定计算简单易行，既省去了繁琐的计算过程，又保证了结果的准确性。

[1]JTS 167-2—2009，重力式码头设计与施工规范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[2]董中亚.扇形箱格之圆形沉箱浮游稳定的计算法[J].水运工程，2009（1）：43-49.

DONG Zhong-ya.Calculating of buoyant stability of fan-shaped compartments circular caissons[J].Port&Waterway Engineering, 2009(1):43-49.

[3] 陈朝阳.数字模型法计算沉箱浮游稳定[J].中国港湾建设，2006 （2）：18-19.

CHEN Chao-yang.Digital model and floating stability calculation [J].China Harbour Engineering,2006(2):18-19.

[4] 李双泉，邵建永.数字技术模拟异形沉箱压载[J].中国水运，2012（1）：52-53.

LI Shuang-quan,SHAO Jian-yong.Digital simulation of Heterosexual caisson ballast[J].China Water Transport,2012(1):52-53.

Calculation of buoyant stability of caissons with BIM technology

HOU Ming-tao,QI Feng,XU Yu-lei
（No.3 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116001,China）

It is always tedious and complicated to calculate buoyant stability of caissons by usingthe traditional computations and yet there is no unified approach which has been recognized.In order to find a rapid method for calculation of buoyant stability of caissons,taking as an example the revetment works for Jinlong Bay in Dalian,the paper introduces the application of BIM technology in calculating buoyant stability of large circular caissons.The result turns to be satisfactory as BIM technology not only shows accuracy of calculation,but also brings convenience and flexibility,which can also be used in other similar projects.

BIM；caisson；buoyant stability

U656.3

A

2095-7874（2016）05-0006-03

10.7640/zggwjs201605002

2015-12-12

2016-04-18

侯明涛（1982— ），男，陕西绥德县人，工程师，主要从事港口和路桥施工。E-mail：214399720@qq.com