BIM技术在闸门井设计中的应用

2020-01-01赵萌萌李芬花杨荣海

水利规划与设计 2019年12期

赵萌萌，李芬花，杨荣海，李壮

(华北电力大学可再生能源学院，北京 102206)

目前，BIM技术在房屋建筑、水暖电设备、交通等行业顺利应用，而在水利行业还处于初级阶段，发展相对滞后[2]。国内对于闸门井的研究主要是用有限元软件进行建模[3- 5]以及闸门井在施工中的应用[6- 9]，而对于BIM技术在闸门井设计应用却很少。抽水蓄能电站进出水口闸门井是引水系统工程的主要建筑物，用于设置事故闸门。由于事故闸门在紧急情况下具有分隔航道与上下水库及厂房的功能，因此对闸门井在模型设计方面有很高的要求。在设计闸门井时，会存在重复性建模和绘图工作，导致各专业人员协调时出错等问题，影响了设计进度、拖延了工程工期。鉴于此，本文将用BIM技术中的Revit设计软件对闸门井的设计、建模过程进行详细阐述，为后续工程智能化管理提供依据，也为BIM技术在闸门井应用方面做探索性的工作，并为实际工程提供一些参考。

1 创建闸门井模型

1.1 工程概况

文登抽水蓄能电站位于山东省胶东地区文登市界石镇境内，距文登市约35km，电站装机容量1800MW，年发电量26.28亿kW·h，年抽水用电量35.04亿kW·h。电站拟建上水库进/出水口布置在堆石坝上游右岸分水岭两冲沟之间的突起部位，正常蓄水位625.0m，死水位585m，地面高程590m。引水事故闸门井位于进出水口后山体内，中心底板高程556.9m，平台高程635.5m。引水事故闸门井由渐变段、井座、井身等组成，均采用钢筋混凝土结构。闸门井井座前后各有一个渐变段，分别为圆变方和方变圆结构，长12.0m，圆端内径6.8m，方端5.4m×6.8m(宽×高)的矩形，衬砌厚1.2m。井座，底板坡度8%，顺水流向长12.5m，内腔横断面尺寸5.4m×6.8m(宽×高)，衬砌厚1.5m。井身为圆形，衬砌直径10m，井身高70.3m，井壁为钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度0.8m。

1.2 Revit软件创建井身构件族

Revit是BIM软件中应用最广泛的设计辅助工具，其中Revit Structure是专门针对结构设计的强大工具，集多材质常规建模与自定义建模的设计特性于一体，可以满足用户需求的智能化建模，并为常用的结构分析软件提供双向链接，提高项目的精确度[10]。图元是创建项目最重要的元素，Revit将图元分成类别、族和类型三类[11]如图1所示。族是Revit建筑项目的基础，不论是模型图元、专有图元还是注释图元，均由各种族及其类型组成。其中自定义族的步骤如下[12]：

(1)前期准备工作：在对项目所处地形了解的基础上，首先在立面视图中确定高程，再根据所建模型构件的族的性质，选择一个合适的族(系统族、可载入族和自定义族)，接着选择族的子类，最后对子类的属性进行设置。

(2)绘制模型构件前处理：在构件对应的高程上，对于系统族，可直接根据构件的几何尺寸进行绘制；对于可载入族，直接载入即可；对于自定义族，常用到拉伸、融合、旋转、放样、放样融合以及空心形状等命令，有时甚至是其中的两种或三种命令结合进行绘制。

(3)绘制模型构件后处理：根据需要标注尺寸，在族类型中将尺寸对应的约束创建出来，并创建对应的族类别和族参数。为确保所建族构件的正确性，可以在族类型中通过调整约束参数观察所建构件的行为来判断。

(4)整合：在一个新的项目文件中，插入链接Revit(模型构件)，定位选项为原点到原点。首先是在结构平面中尝试通过移动、对齐等操作将构件整合在一起，然后在立面中查看构件的高程是否正确，最后通过设置共享坐标来即时修正构件的定位，最终整合完成。

图1 图元的分类

井身构件族的创建步骤如下：

(1)确定所处工作平面后，在自定义族中选择-基于线的公制常规模型。如图2(a)。

(2)选择拉伸命令，按照模型截面尺寸，在“绘制”面板中选择合适的绘制工具进行绘制，将参数在族类型中一一对应，同时设置族类别和族参数。如图2(b)(d)所示。

将完成后的模型载入项目中，通过平面、立面、剖面等视图调整构件位置，最终生成实体结构。如图2(e)所示。

图2 闸门井-井身的制作步骤

1.3 创建整体模型

渐变段、井座、井身等构件创建完后，在项目中进行整合。将井座构件族在“链接Revit”中打开，定位“原点到原点”，以同样的方式打开渐变段和井身等构件族。通过二维与三维视图对构件进行一系列对齐、平移、偏移、旋转等命令，再结合共享坐标共同修正项目中构件族的定位，最终创建完成闸门井整体模型，如图3—4所示。

图3 闸门井(线框形式)

图4 闸门井(着色形式)

2 BIM技术在设计阶段的应用

2.1 BIM出图

现场施工要根据图纸进行，因此设计阶段图纸的质量对最终建筑的质量至关重要。传统的设计图纸过程繁琐，若发生设计变更，设计人员就要将所有与之相关联的部分找到，并逐一修改，增加了出图时间，影响了施工进度[13]，而BIM技术的可出图性功能很好的解决了上面的问题。在出图前，只需对模型进行修改，相应图纸上的部分就会自动修改，对于模型平面视图、立面视图在项目浏览器中已经提供，剖面功能可取得模型任意位置的剖面图，对模型进行展示、协调、模拟、优化等一系列操作后还可以得到综合管线图和预埋套管图，最后通过复制视图到指定图纸中便可生成相应图纸[14]，如图5所示。

图5 闸门井图纸

2.2 BIM+VR模式

Revit虚拟模型有所见即所得的特点。对于现实模型来说，有些部件是不可随意触碰的。但为了对某些部件进行排查、诊断，就需要提前在虚拟模型中对相关人员进行培训，以达到同现实一样的效果。VR技术是虚拟与现实之间连接的桥梁，是一种使使用者可以沉浸式感官体验虚拟世界的计算机仿真系统，具有具象性及交互性功能[15]。BIM+VR模式，在设计阶段有以下主推方面：①提高了BIM模型的渲染真实度；②VR的介入提高了动作捕捉度和显示分辨率；③营销领域得到推广；④施工领域得到推广。因此，VR技术的引入，对于上述问题有了很大的帮助[16]。

2.3 工程量和成本估算

长期以来，造价工程师在计算工程预算时，常常使用图纸导入工程量计算软件或手工计算方法，不论何种方法，由于设计阶段的数据信息不能即时准确的反馈给工程师，使得他们没有足够多的时间来精确计算，导致成本估算率不高。BIM模型中存在着几何数据信息、可运算物理数据信息和规则数据信息，通过这些信息，计算机对模型中不同构件的几何和物理数据进行统计，并自动计算构件工程量，再加上BIM模型在整个项目生命周期中的共享和传递，大大提高了成本估算率以及在前期对设计成本的控制[17]。Revit软件中，可以使用“明细表”来统计模型构建中的材质提取、图纸列表、视图列表和注释块等各种样式的明细表，如图6所示。

2.4 碰撞检查

传统二维设计中，设计师很难对各个专业所设计的内容进行整合检查，不可避免在绘图中发生碰撞和冲突，而BIM软件的碰撞检查功能很好地解决了这个难题。碰撞检查分为行业内碰撞检查和行业间碰撞检查，碰撞检查完成后，系统会自动出具一份含有创建时间、成组条件、发生冲突的单元对象类别、图元类型以及ID号的“冲突报告”，如图7所示。双重检查加“冲突报告”使设计师在设计阶段提前发现冲突，大大减少了施工阶段存在的返工风险。

3 结论

本文采用以BIM技术为基础的Revit设计软件对文登抽水蓄能电站闸门井在设计阶段进行了探索，所得结论如下：

(1)Revit软件中的“族”在模型构建的过程中起到很重要的作用，是模型的基本元素，几乎所有的模型都需要通过自定义族或系统族建立。

(2)BIM技术在设计阶段的应用，如参数化建模、协同设计、出图、VR模型、工程量和成本估算、碰撞检查等，使得模型在设计阶段有效的解决了检修人员在虚拟模型下对构件的诊断问题、设计阶段前期的成本预算问题及专业内、专业间出现的碰撞问题，不仅提高了模型渲染的真实度，还提高了成本的估算率，对于后续阶段的进行夯实了基础。