BIM 技术在水闸设计中的应用

梁冰寒

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司，上海 200439）

0 引言

一般水闸由闸室、上游和下游连接段组成，闸室是水闸的主体结构，设有底板、闸门、启闭机、闸墩、胸墙、工作桥、交通桥等结构。水闸结构复杂，涉及专业多，在传统二维设计中经常出现上下游专业信息传递不及时，数据管理困难等问题。而BIM 技术能够有效实现各专业间的设计协同，有效解决海量数据的集成与更新，将 BIM 技术运用到水闸设计中，通过构建规范的三维设计流程，有利于提高设计水平，促进水闸设计数字化转型发展。

BIM 技术在国外起步较早，已形成相对成熟的应用标准。Stegnar 等[1]为降低投资成本，提高管理效率，提出基于 PIR 和 EIR 改进 BIM 框架的方法为改造设计的研发提供参考；Staub-French 等[2]将 4D 模拟技术运用到工程中，通过施工进度模拟，极大提高了施工效率和工程质量；Costa 等[3]对收集的建筑部件信息按需求进行定义，将 BIM 技术与数据连接相结合，运用于装配式建筑部件设计中，为研究 BIM 技术在装配式建筑中的应用提供参考。

BIM 技术在我国经过多年的应用与研究，已形成相对成熟的理论体系及应用成果。郑楠[4]研究了泵站自动化系统设计的要点，分析了三维 BIM 集成应用技术的使用方法，实现软硬件系统的功能对接；颜红亮等[5]研究了基于 BIM 技术的船闸金属结构模块，具有资源共享、继承性强的特点；罗凯等[6]基于 Revit 软件平台，研究了 Revit 中水闸样板设计方法，大大提高了水闸三维设计效率；董浩[7]基于 BIM 技术在建筑智能化系统运维中的作用进行了研究与分析，论述了 BIM 技术在建筑智能化应用中的优势；宋楠楠[8]以 BIM 构件的工程量统计为应用对象，对比构件标准化前后的统计结果，进一步实现 BIM 构件标准化的工程应用；关俊涛等[9]开发了基于 Revit 平台的编码软件，自动生成全工厂的设备信息编码。

目前对于水利项目所处地形复杂、涉及专业多等问题，通过 BIM 技术可以有效提高设计水平，另外 BIM 技术在建筑行业的发展与应用已比较成熟，而在水利行业尤其在水闸设计中的应用案例较少，缺乏相关案例，为此，本研究基于 BIM 技术在崇明岛北沿四闸外移工程中的设计应用，为实际项目应用提供良好的理论支持。

1 工程概况分析

崇明岛北沿四闸外移工程中的4座水闸分别为堡镇港闸、四滧港闸、六滧港闸和八滧港闸，4 座新建水闸闸孔净宽均为20m，采用“4 m +12m +4m”的三孔型式。

水闸外移工程的特点及难点如下：

1）防汛、防台、防潮难度大。水闸外移工程位于崇明岛北沿临近长江入海口，跨汛施工作业、防汛防台任务较重。项目需要赶潮施工，平均高潮位为 3.82 m，20 a 一遇高潮位为 5.93 m，施工难度较大。BIM 技术的应用有效解决了海量数据集成与更新问题，成为全生命周期工程设计与施工的技术保障。

2）水闸外移工程项目专业多，面广，管理难度大。项目总体跨度近30km，战线长；涉及河道、大堤、水闸等众多施工点，项目管理协调难度较大。通过 BIM 技术的应用，可解决各专业间的交叉干涉及协同工作问题，保证上下游专业之间的数据信息传递。

3）水闸外移工程项目建设体量大，工期紧，项目实施任务重。闸室底板浇筑实施期间受汛期、刀鲚繁殖保护期、采砂限制期和花博会活动举办等影响较大，建设工期紧，任务重，施工组织难度较高。通过 BIM 技术的数据集成化、可视化，在施工过程中可快速更新调整相关设计。

水闸外移工程实施后，崇明岛的除涝能力将得到很大提高，同时也为水资源调度利用、通航等创造便利条件，将为崇明岛创建世界级生态岛的目标提供有力支撑。

2 BIM 正向协同设计应用

在水闸外移工程各阶段，全专业（水工、建筑、机电、金结、施工）制订正向三维设计技术路线，便于各专业之间相互沟通协调，技术路线如图1所示，三维设计工作流程如图2所示。

图1 三维设计技术路线

图2 三维设计流程

2.1 地形高程分析

水闸外移工程，先利用 Civil 3D 软件建立三维地形模型，再通过 ArcGIS 软件对新建水闸闸址地形模型进行高程分析，堡镇港闸和四滧港闸高程云图如图3所示。通过三维数字化地理模型可提高闸址选取的准确性，提升设计方案的合理性。

图3 地形高程云图

2.2 参数化建模

统一水闸外移工程项目模板，不同专业分开建模，以提高设计效率；进行参数化建模，开发形成闸门参数化族库，后续类似项目设计时可直接复用，减轻设计前期的建模量，闸门参数化族库如图4所示。基于已建立的各专业参数化 BIM 族库，根据设计图纸，通过参数化方式拼装成水闸结构 BIM模型，其中堡镇港闸模型构件为2080个，四滧港闸模型构件为2301个，六滧港闸模型构件为3503个，八滧港闸模型构件为2182个。

图4 闸门参数化族库

2.3 构件编码

基于上海市堤防（泵闸）设施管理处《重大水利工程建设 BIM 数据编码标准》，建立崇明岛堡镇港等4座水闸外移工程项目模型编码体系，编码体系结构示意图如图5所示。模型结构树划分充分考虑准确性、唯一性、易读性、可扩展性的要求，将带有编码信息的模型上传至上海市水利工程数字化模型管理平台，实现模型构件、信息的数字化管理，以及工程量的自动统计。编码后的模型连接到上海市水利工程数字化模型管理平台，可将编码与施工包模型进行挂接，在平台上实现施工进度的展示，方便业主随时查看工程形象进度，同时，也为项目部的月报工程量复核提供有力的依据。

图5 工程编码体系结构示意图

2.4 模型有限元分析

建立基于 stp 格式的 BIM 模型与有限元分析的传递方法，打通模型信息数据的传递通道，可实现有限元分析与 BIM 模型的同步耦合，保证设计方案的合理性，同时提升 BIM 模型的应用价值，拓展 BIM 模型应用的维度。基于 BIM 模型导入有限元进行水闸外移工程闸室结构分析，结构分析示例如图6所示。由图6 可知，闸室未出现应力集中现象，应力分布较均匀，混凝土拉应力在设计强度范围内。

图6 闸室 BIM 模型结构分析

2.5 三维出图

通过 BIM 模型直接创建二维设计图纸，图纸与模型相互关联，不仅可提高效率，节省成本，而且可解决传统二维设计反复修改图纸的问题。将崇明岛北沿四闸外移工程项目中涉及的各专业模型落实到三维空间，可实现各专业间设计过程中的高度协调，降低专业协调次数，提高专业间设计会签效率，更加高效地把控项目设计的进度和质量，三维总体模型导出二维平面图的示例如图7所示。

图7 三维模型导出二维图纸

2.6 碰撞检查

水利工程设计一般比较复杂，构件的连接处往往更为复杂，因此在结构设计上容易出现冲突问题，如闸门、连接件冲突等，根据 BIM 模型进行结构问题冲突核查及图纸校对，可及时发现和规避错漏问题。通过水闸各系统合并后的 BIM 模型，能直观理解设计方案，检验设计的可施工性，检查图纸相互矛盾、模型无数据信息及数据错误等方面的问题。如管理房中吊顶与排风扇均紧贴梁底，给水管线与排风管线发生冲突，通过碰撞检查，发现排风机外露于吊顶下，导致管件外露，将吊顶下调，可及时解决冲突问题，使排风扇能放置于吊顶内，调整前后的 BIM 模型如图8所示。

图8 碰撞检测报告

2.7 大型设备运输路径复核

设计阶段应充分考虑水闸外移工程大型设备运输路径问题，合理规划，从而减少施工阶段的现场变更，找出可能存在问题的区域，形成一整套大型设备运输路径规范文件，并转交给土建施工单位使用，可有效减少施工现场的凿墙开洞，运输设备路径复核示例如图9所示，将开关柜和变压器等设备通过 BIM 模型模拟吊装运输过程，提高了安装效率。

图9 运输设备路径复核

3 结语

基于 BIM 技术在水闸设计中全专业、数字化正向协同设计和应用，使得在水闸设计过程中，能够使各专业提资更加方便，减少设计误差，很大程度上提高水闸设计质量，同时也能够保证时效性。通过数据编码将模型构件与数字化模型管理平台相连通，BIM 模型信息将为全生命周期内的智慧工程应用提供坚实的数据基础，实现模型构件、信息的数字化管理及传递。以 BIM 技术为应用核心，通过地形高程分析、正向出图、碰撞检查等高效的工作模式，可在管理设计上减少人员投入，获得一定的社会经济效益。BIM 技术的运用改变了传统水闸设计模式，开始逐渐向全专业正向设计时代转变，按照“互联网 + 智慧建造”发展新思路，着力推动 BIM 技术在水闸设计中的应用，将有利于推进新时代水利高质量发展，同时也是时代发展的必然要求。