基于BIM技术的泵站进出水流道异形渐变结构施工方法

2021-08-13尚琦智刘文涛

水利建设与管理 2021年7期

尚琦智高艳刘文涛

(江苏淮阴水利建设有限公司，江苏淮安 223005)

1 前言

近年来，江苏省及周边范围内兴建了多座大型泵站或枢纽工程，随着工程单体量以及泵站单机流量不断增大，泵站进出水流道的结构也越发复杂多变。目前，泵站进出水流道异形结构多为大尺寸异形渐变截面，无法从传统CAD图纸中准确描述该流道的结构型式和位置，使其立体空间定位与施工均存在较大难度，增加了施工难度，影响了质量[1]。部分学者基于BIM技术开展了一些工程施工技术的研究，但未在水利工程异形结构设计与施工中得到应用[2-14]。为此，依托南通市通吕运河闸泵工程，结合BIM与3D打印技术，打印出泵站进出水口异形结构模板，完成泵站进出水口异形构件的制作，并总结基于BIM技术的泵站进出口流道结构施工技术。

2 泵站流道异形结构施工

2.1 施工工艺流程

基于BIM+3D打印技术的泵站异形结构施工主要是通过BIM建模技术[15-17]，精准进行BIM三维建模和泵站异形结构模板的分块设计、加工及安装的技术参数控制。其具体施工流程为：首先依据审核确认的施工图，基于BIM建模技术构建泵站流道异形结构模型以及定型组合式钢模板总体结构模型；然后再利用BIM技术模拟钢模板结构拆分及组装，为其分块加工提供精细准确的三维设计图和加工技术参数，加工便于运输及拼装的组合式钢模板；接着进行现场钢模板拼装及支撑加固，并利用3D打印模型以及相关技术参数对异形结构部位模板及支撑体系现场拼装进行精确放样，保证泵站异形结构部位三维立体定位及断面结构尺寸；最后浇筑泵站流道层混凝土，完成异形结构施工。

2.2 泵站流道异形结构三维模型的建立

图1给出了BIM三维可视化施工模型，该模型主要是通过提取图2所示的泵站流道异形结构二维设计施工图数据建立的。在建立结构及模板三维模型时，需与业主方、设计方沟通确认泵站流道异形结构施工图设计和各结构参数有无偏差，确定CAD图纸的准确性。之后，在模型上任意提取坐标点与CAD图进行对比，确保每个点准确无误。最后，为便于泵站流道异形结构施工，可再利用3D打印技术打印出如图3所示的异形结构流道模型。

图1 泵站流道BIM模型

图2 二维坐标体系下总体流道截面 (单位：mm)

图3 3D打印流道模型

2.3 泵站异形结构定型组合式钢模板设计及模拟拼装

定型组合式钢模板设计，可根据泵站流道异形结构模型及其与模板接触面的详细参数进行，利用BIM建模技术构建定型组合式钢模板总体结构模型。需要注意的是，该模型构建时需既保证模板整体曲面的造型，也相应进行模板支撑体系设计以保证施工时架体的整体安全性。

通过应用BIM技术进行定型组合钢模板整体虚拟拼装(见图4)和拆分，寻求最优化的模板分块(见图5)加工、拼装方案，模板分块原则需考虑单块模板以便于现场吊装和安放，同时还应与整体模板曲面体系相协调，尽量不在模板曲面异形处分缝以免模板安装时因拼缝误差造成异形结构整体顺直度较差，与此同时模板分块还需考虑后方支撑体系的相互衔接及整体稳定性。

图4 泵站流道异形结构组合钢模板

图5 泵站流道异形结构组合钢模板分块模型

通过基于BIM与3D打印技术的模板精确对照技术参数可加工出便于运输及拼装的定型组合式钢模板，运至施工现场进行钢模板拼装及支撑加固，并依托相关技术参数，对现场异形结构部位模板及支撑体系现场拼装、精确放样，从而有效保证泵站异形结构部位三维立体定位及断面结构尺寸。

2.4 泵站流道异形结构组合式钢模板工厂加工及现场拼装

泵站流道异形结构组合式钢模板(见图6)加工需严格按照BIM建模技术进行虚拟拼装及相关验算后得出的模板分块加工设计参数进行。钢模板尺寸、平整度、接缝等技术指标的质量验收标准需严格按照国家有关的钢板验收规范(JYJ 041—2000)来执行。对于曲面钢模板，需做好样架后由工程技术人员及监理工程师进一步验收确认参数无误后方可进行模板面板铺设，整体组合式钢模板加工完成后需在工厂内先进行试拼装并由工程技术人员进行检验，模板结构尺寸及曲面参数均符合验收要求后方可出厂运往施工现场。

图6 泵站流道异形结构组合钢模板

组合钢模板进入施工现场后，需严格按照模板设计参数和加工分块等参数进场验收，对模板在运输过程中是否出现碰撞变形或损坏进行逐一排查，满足要求后方可卸货。卸货时严格按分块编号及安装顺序要求分类堆放，并由专人进行统计、看管。安装时依托BIM模型和相关技术参数，对现场异形结构部位模板及支撑体系现场拼装、精确放样，由工程技术人员严格按照组合钢模板分块编号及安装顺序要求进行安装，并及时加固模板支撑体系，模板及支撑体系安装加固完成后组织验收，验收合格后方可进行下道工序施工。

2.5 浇筑泵站流道层混凝土

现场泵站流道异形结构组合钢模板安装加固完成并经监理工程师验收后，进行泵站流道整体混凝土浇筑(见图7)，完成泵站流道异形结构混凝土施工。流道混凝土浇筑施工需连续均衡上升，全断面分层浇筑，分层厚度为30cm左右，浇筑过程中加强混凝土原材料质量控制和振捣质量控制，注意不可将振捣棒直接接触组合钢模板表面，以避免造成拼缝或支撑体系松动变形，浇筑过程中模板工全程值班巡查，确保模板及支撑体系安全稳定无超规范变形，混凝土浇筑完成后及时进行养护，避免因内外温差过大造成混凝土结构裂缝，混凝土强度需满足规范要求的拆模强度后方可进行模板拆除(见图8)。

图7 泵站流道层混凝土浇筑

图8 泵站流道异形结构组合钢模板拆除

模板拆除时需确保混凝土强度满足规范要求，需避免对混凝土结构表面造成破坏，拆模完成后及时对泵站流道异形结构实体按规范进行施工质量检测(见图9)，主要包括结构断面尺寸、表面平整度、外观质量等，满足条件后及时进行施工质量评定，最后对应用过程和效果进行总结，及时总结经验教训，以便于在后续类似工程施工中不断完善施工工艺，提高施工工效及施工质量标准。

图9 泵站流道异形结构拆模后检测

3 工程实例

通吕运河水利枢纽工程位于南通市通吕运河靠近长江口门处，为新建闸站枢纽，由1座抽水泵站和10孔节制闸组成，泵站工程单向引水设计流量为100m3/s，站身为堤身式块基型结构，采用三台套竖井贯流泵机组，单机流量33.3m3/s，水泵叶轮直径3.3m，安装高程-4.8m(废黄河高程系，下同)，配套电机功率1600kW，总装机容量4800kW，水泵与电机采用齿轮箱连接。泵站采用竖井双侧进水，平直管出水流道，进水侧设挡洪门一道，并在挡洪门前设置安全隔栅。出水流道末端设快速工作闸门(带小拍门)、事故闸门(兼检修门)各一道，配液压启闭机启闭，工作门布置在内侧，事故门布置在外侧。为满足竖井内设备和流道布置要求，机组中心距取用10.0m。进水流道入口断面8.8m×4.9m，出水流道出口断面8.0m×4.9m。站身采用一块底板(3台泵+空箱)，站身总宽38.92m(与节制闸连接段总宽37.7m)，顺水流向长38.8m。

泵站进出水流道异形结构施工采用基于BIM+3D打印技术的泵站异形结构施工方法，针对泵站异形结构施工特点，利用BIM+3D打印技术，进行钢模板的总体模型设计、拆分及拼装模拟、组合模块编号及详细参数精确控制，指导钢模板精细加工及现场拼装等，并利用3D打印模型进行直观的技术交底，有效提高了现场施工效率和施工质量水平，且该方法技术先进、设备及工序原理简单、操作方便、节约成本、保证质量与安全、施工效率高、施工效果满足规范和设计要求，方法应用效果良好。该工程于2018年10月29日开工建设，2020年6月30日顺利通过完工验收。

通过采用上述方法对通吕运河枢纽泵站流道异形结构进行施工，取得了如下一些效益：

利用BIM建模技术指导泵站流道异形结构钢模板工厂化精细加工及现场快速拼装，能够有效解决传统施工工艺存在的工期长、施工控制精度差等不足，且能够减少现场配模工作量，提高施工效率，有效缩短工期，经测算对比传统砖模或木模施工可节约工期约50%，同时本方法可有效提高泵站异形结构施工精度，保证施工质量，具有较明显的工期效益和质量效益。

利用钢结构作为模板及支撑材料，其在工厂加工完成后运至现场作业面能够快速高效拼装完成，避免现场加工模板造成污染，且施工完成后模板及支撑材料均可进行回收或再利用，相比传统木模或砖模施工工艺，具有较好的环保效益。

现场施工仅为定型钢模板拼装，并且已在工厂完成过试拼装，现场各工序流程简单，作业环境较好，没有二次加工以及现场大功率用电等较易发生危险的作业，安全隐患较小，安全效益也较为明显。

采用基于BIM+3D打印技术的泵站异形结构施工方法，可节约施工成本约56%，且能够缩短工期50%，该工艺在通吕运河水利枢纽工程泵站进出水流道施工中得到推广应用，缩短了工期，取得了较好的经济效益。该工艺与传统施工工艺经济效益对比分析见表1。

表1 经济效益综合分析对比

与其他类型的施工方法相比，BIM技术的应用可实现施工全过程三维可视化模拟，对于施工技术交底更直观、更明确，能更好地适用于泵站流道异形结构等复杂形体的施工。本方法的应用不仅能降低工程造价、缩短施工工期、提高质量与安全保障，还对现代化水利施工和智慧水利建设的推进有着重要意义。推广基于BIM+3D打印技术的泵站异形结构施工方法，能够有效解决现代化水利工程建设中设计与施工脱节的问题，也是现代科学技术与现代化水利工程建设完美结合的必由之路，其经济和社会效益十分显著，综合效益明显。