BIM 技术在水利工程钢闸门设计中的应用研究

窦林瑞，李凯旋，耿晔晗

（1.浪潮软件科技有限公司，济南 250000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

1 概要

钢闸门作为低水头挡泄水建筑物，广泛应用在河道景观、灌溉蓄水、水库扩容、水电站增容等水利水电、水生态建设及城镇化建设项目中［1］。传统钢闸门在闸门设计阶段、 水利工程设计及配筋阶段、分析阶段、深化详图阶段及施工过程中常常是分开设计，这不仅会造成数据信息的丢失，也需要在各个阶段多次重复性地输入信息或重新构建模型［2］。 因此， 利用BIM技术应用在水利工程钢闸门的设计中具有重要意义。 建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术，可以有效利用数字信息化的优势特征，把项目建设过程中涵括的多种需求要素，于三维模型上直观地模拟构建， 并具备数据信息的完整性、可视化及协调性等多方面的特征［3］，从而让BIM技术在钢构闸门建设过程中所需的各个阶段有机结合在一起，最终实现精细化管理的目标。

目前， 为了提高BIM在水利工程建设期间的集成化程度， 国内外已针对BIM在水利工程中的应用进行了一些研究，如：王文武［4］将BIM理论、技术与有限元分析有机融合，整合了参数化见长的三维设计软件Catia， 具备高效模型处理算法的Hyperwork，以及具有强大数值求解能力的Ansys通用有限元软件，实现了计算方法与出图方式的实质性转变。 张伟［5］利用BIM技术对引汉济渭三河口水利枢纽工程进行设计及操作， 证明BIM模型不仅能有效利用既有条件完成信息的共享工作，也能精确计算土方的开挖、回填量，同时完成地质模型的建立。 林旭等［6］基于无为泵站工程介绍BIM在水利工程总承包项目的应用， 利用BIM达到项目在实施过程中具有信息传递性， 通过统一的标准可以使BIM模型信息在设计、施工、运维等阶段进行无障碍信息传递。

本文基于前者研究， 将BIM技术应用到水利工程钢闸门设计中，以某地区2m高、23.4m长小角度支撑的水利工程液压钢闸门项目为例， 结合BIM软件平台Inventor，Revit，Tekla进行从设计到施工图阶段的对接和应用研究， 梳理水利工程钢闸门设计BIM传递到施工阶段应用的关键信息点，为水利工程钢闸门设计BIM技术一体化应用提供参考。

2 BIM技术在水利工程钢闸门中的技术优势

BIM技术在水利工程项目中应用的核心价值就是将水利工程各模型实现三维可视化， 建立完善的项目信息数据库， 实现工程项目在全寿命周期中各个不同阶段的工程信息、 过程和资源集成为一个模型，既简化了设计又方便工程各参与方的使用［7］。 技术优势具体有：

2.1 三维可视化

传统水利工程钢闸门项目从可行性研究阶段到施工图阶段一般都是通过二维图纸来展示， 不利于工程各参与方的直观理解。BIM技术可实现钢闸门关键部位结构、 水工基础建筑物等各个单元的三维可视化，整体性更加明确具体。

2.2 参数关联性及可溯源性

BIM技术中族的概念至关重要， 族就相当于将所涉及的项目进行区分及参数化建立，创建者可以按照主体结构进行参数集的建立或图形表示的不同进行分组，每个族都能被定义为多种类型，根据创建模型人员的设计， 每种类型都具备不同的材质、形状、尺寸等设置或其他参数变量，一旦项目结构需要修改，只需修改相关参数，BIM中的模型会与之相关联的参数信息自动更新，这在很大程度上减少了图纸修改的繁琐工程量，也增加了项目信息的可溯源性。

2.3 信息共享性

水利工程钢闸门在建设期间涉及多专业如金属结构、液压系统、水工结构等的汇总，传统工程项目往往会出现各专业、各单位之间信息分享不及时，导致工作量重复或信息断层。BIM技术在应用过程将各种信息汇总成一个数据文件，在交叉传递过程中，信息也跟着传递，保证了信息的连贯性，提高了工作效率。

2.4 碰撞问题的预见性

钢闸门水利工程在设计中，涉及多专业交叉，往往出现钢闸门、基础埋件、液压管路等结构与水工基础结构之间的干涉碰撞， 尤其是在设计配筋工作中更容易出现干涉碰撞， 且该干涉碰撞往往在设计阶段难以预见，却发生在实际施工过程中。 BIM技术可实现对碰撞问题的检查， 提前发现设计中存在的问题，减少“错、漏、碰、缺”和设计变更，提高设计效率和质量。

2.5 可出图性

BIM技术可实现各个部件从二维到三维的互相转换，根据用户需求输出图纸，两者之间可实现自动更新，无需单独修改。

总之，BIM技术应用在钢闸门设计工作中可以加强不同单位、 不同专业及不同阶段的信息共享与协作，有效提高工作质量和效率。

3 BIM技术模型实例分析

本文依托某水利工程钢闸门建设实例项目，主体结构为小角度支撑的液压钢闸门结构形式， 设4扇，单扇宽度5.85m，闸门高2m，过流净宽23.4m。水工基础建筑物包括上游连接段、进口铺盖、基础底板、下游消力池、海漫等，上游连接段长10m，铺盖段长13m，闸室段长12m，消力池长15m，海漫段长15m，全长共计65m。

3.1 钢闸门三维模型设计

基于BIM技术建立参数化族群，是钢闸门BIM思想设计的一种体现。 小角度液压缸支撑钢闸门三维模型的设计首先依据钢闸门设计的基本原理与规范要求，采用Inventor三维软件模型设计，以IFC格式转入到Revit中，进行族的创建与参数化设计，族的类型主要包括模板族、部件族和零件族，模板族指的是能够快速完成的钢闸门结构， 具备参数化轴线更新驱动建模，输入参数较少，结构形式单一；部件族指的是以模板族为基础，以门叶为单元进行设计，包括等截面的主横梁、次梁等门叶部件族群；零件族指的是钢闸门之间的各种其他结构类型，如底较支座、预埋件、止水底板等零件族。 族在建立的时候，都进行了参数化的设计，包括形状参数的控制、参数之间的连接关系、参数标注、材料性能等参数信息。 当基本类参数被修改或者删除时， 系统会自动进行数据的更新及结构的改变， 不必针对每个钢结构零件进行单独修改，很大程度上提高了软件的智能化能力。钢闸门三维模型如图1。

图1 钢闸门三维模型

3.2 水工基础三维模型设计

Autodesk软件有限公司是全球最大的二维和三维设计、工程与娱乐软件公司，早在20世纪便以CAD软件占据了我国二维制图行业大部分市场， 其推出的以Revit为主的BIM软件套包更是目前国内建筑市场的主要软件之一［8］。

本项目主要采用Revit软件进行水工基础三维模型设计，主要步骤包括：①利用建筑样板新建一个项目，使用“体量和场地”和“地形表面”等工具，根据使用场地大小、 高程等实际地形创建工程场地轴网和标高；②使用“族”下的“板”“梁”“柱”等负责结构的族建立及结构构件的配置，可以采用复制、阵列等办法添加同类构件；③对“族”参数进行设定及关联，其中还可以进行尺寸标注、材质及装饰、结构参数等信息的设定，这样便于在后期三维设计优化时，可以随时进行检查及修改；④进行三维结构组装及优化，并对组装结构进行碰撞检测，修改干涉碰撞部位，完善结构，生成三维模型，如图2，图3。

图2 挡墙参数设定过程

图3 整体三维水工基础结构

3.3 配筋及碰撞检查

传统设计配筋工作繁琐且设计任务重， 不仅耗费大量人力物力，还容易出错，给项目的质量、安全及成本控制带来了不确定性和差异性，而BIM给配筋设计工作带来了简便及准确性，BIM模型里储存了该项目的所有几何、物理、性能等信息，实际上是项目的动态模型，可以进行碰撞检查，避免空间关系的冲突， 优化资源设计， 减少项目可能存在的错误和返修，优化结构，同时也可以比较好的预测项目成本［9］。本项目主要采用Tekla软件对结构进行配筋， 主要步骤：①将Revit三维模型以IFC格式导入到Tekla中，设计钢筋参数，进行配筋；②进行碰撞检测，及时进行配筋修改，该步骤不仅将配筋过程可视化，还简化了繁琐的配筋施工图；③快速提取钢筋施工料表，提出合理钢筋计划；④提供施工图纸。

图4 二维平面布置

图5 闸底板结构配筋

4 结语

BIM技术的应用，不仅实现了参数化精细设计建模、多专业错漏碰检查、工程量自动统计、三维配筋、二维出图、 视觉传达等多方位的专业性工作，还完成了以三维BIM模型为核心的数字化设计成果交付示范， 而其中的三维可视化、 参数关联性及可溯源性、 信息共享性、 碰撞问题的预见性、 可出图性等技术特点更提高了工作质量与效率， 为工程提供更优质的设计与咨询服务。 本文以实际工程项目为例， 梳理水利工程钢闸门设计到施工阶段BIM技术应用的关键信息点， 对在水利工程钢闸门建设项目中推广BIM的全面应用及促进建设工程创新具有重要意义。