侯明濤，綦　峰，許玉磊

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧　大連　116001）

BIM技術(shù)在沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用

侯明濤，綦峰，許玉磊

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧大連116001）

傳統(tǒng)的沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算公式繁瑣、復(fù)雜，且沒有形成統(tǒng)一的方法。以大連金龍灣護(hù)岸工程為例，闡述了BIM技術(shù)計(jì)算大型圓沉箱浮游穩(wěn)定的方法，計(jì)算準(zhǔn)確、快捷、靈活，達(dá)到了預(yù)期的效果，可供類似項(xiàng)目借鑒。

BIM；沉箱；浮游穩(wěn)定

近幾年BIM技術(shù)在國內(nèi)建筑市場的應(yīng)用越來越廣泛，涉及到規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理等一系列創(chuàng)新和變革，是建筑市場信息化的發(fā)展趨勢，具有巨大的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

本文以大連金龍灣水上旅游項(xiàng)目E西區(qū)填海工程護(hù)岸沉箱為例，介紹BIM技術(shù)在大型圓沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用。

1　項(xiàng)目概況

本工程護(hù)岸基礎(chǔ)沉箱共103個，其中圓沉箱45個，包括直徑7 m圓沉箱6個，直徑10 m圓沉箱5個，直徑12 m圓沉箱5個，直徑15 m-1型和15 m-2型圓沉箱各2個，直徑22 m圓沉箱25個。

2　BIM技術(shù)建模特點(diǎn)

在沉箱出運(yùn)安放中需要計(jì)算沉箱的浮游穩(wěn)定性，本工程圓沉箱型號較多，沉箱的形狀、尺寸均不同，使用傳統(tǒng)的浮游穩(wěn)定計(jì)算需要對每種沉箱進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程比較繁瑣，也容易出錯。而通過利用BIM技術(shù)建模，可以直接在三維狀態(tài)下隨意調(diào)整沉箱尺寸，并迅速獲得所需模型結(jié)構(gòu)，再結(jié)合CAD軟件配合計(jì)算沉箱截面慣性矩，此種方法大大提高了計(jì)算沉箱浮游穩(wěn)定性的效率，并且對各類型沉箱均有較好的適應(yīng)性。

3　浮游計(jì)算原理

為了保證沉箱在溜放、拖運(yùn)、安裝過程中不發(fā)生傾覆，需要確定沉箱在浮游狀態(tài)下的穩(wěn)定性，由定傾高度來量化。

同一港區(qū)內(nèi)或運(yùn)程30 n mile內(nèi)的近程浮運(yùn)時，沉箱的定傾高度不小于0.2 m；對整個浮運(yùn)內(nèi)有夜間航行或運(yùn)程大于等于30 n mile的遠(yuǎn)程浮運(yùn)，固體壓載時沉箱的定傾高度不小于0.3 m，液體壓載時沉箱的定傾高度不小于0.4 m。定傾高度m計(jì)算公式如下：

式中：α為重心C到浮心W的距離，當(dāng)C在W之上時α為正值，反之為負(fù)值；ρ為定傾半徑；I為沉箱在水面處的斷面對縱軸的慣性矩，m4；i為各箱格壓艙水的水面面積對其縱軸的慣性矩之和，m4；V為沉箱的排水量，m3。

JTS 167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]中只提供了矩形沉箱和無隔墻圓沉箱I和i的計(jì)算方法，對于有隔墻圓沉箱的i計(jì)算方法可采用董中亞[2]提出的扇形箱格圓沉箱i的計(jì)算公式。

根據(jù)董中亞[2]提出的用Ix，Iy的平均值來表示對扇形2個實(shí)際不相等的每個ix＇-i理論值，則有：

若圓沉箱箱格分為n個相等的扇形箱格，則有如下通式：

式中：n為大于2的自然數(shù)。

4　BIM技術(shù)建模及計(jì)算

以本工程中直徑最大的22 m圓沉箱為例，闡述BIM技術(shù)在大型圓沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用。目前可以用于沉箱建模的軟件有Inventor、Revit等，首先利用BIM技術(shù)對所需計(jì)算的沉箱建模，通過BIM建模可以快速準(zhǔn)確地獲取計(jì)算沉箱浮游穩(wěn)定性所需的必要參數(shù)，如沉箱的重心、總重、體積、壓水體積、排水體積等參數(shù)。

4.1BIM建立圓沉箱三維模型

沉箱三維模型見圖1。通過查詢圓沉箱三維模型的物理特性等[3]，可以直接得到建模參數(shù)，見表1和表2。

圖1　22 m圓沉箱三維模型Fig.1　3D model of a 22 m circular caisson

表1　圓沉箱建模參數(shù)Table 1　Modeling parameters for circular caissons

表2　圓沉箱壓水建模參數(shù)Table 2　Modeling parameters for pressure circular caissons

4.2計(jì)算慣性矩i

通過CAD建立沉箱二維平面圖，創(chuàng)建面域，重新設(shè)置UCS原點(diǎn)，利用其查詢功能，計(jì)算沉箱的水面處斷面及艙格壓水的慣性矩[4]。

將圓沉箱8個箱格（如圖2）近似看作8個扇形，以沉箱中心原點(diǎn)O為中心，建立面域。

圖2　22m圓沉箱平面圖Fig.2　Floor plan of a 22 m circular caisson

利用CAD建立扇形1的面域圖形，如圖3，求對軸X0-X0、軸Y0-Y0的慣性矩：

扇形1：Ix=206 m4，Iy=123 m4。

依次類推，計(jì)算其他7個扇形的慣性矩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個箱格扇形面積均相等，S扇形面積=40.86 m2。

圖3　扇形1慣性矩i值計(jì)算簡圖Fig.3　Calculation diagram of inertia moment of fan-shaped 1

本工程22 m圓沉箱共計(jì)8個箱格，將以上結(jié)果代入式（4），則得出：

4.3浮游穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果整理

對于鋼筋混凝土的重度，浮游穩(wěn)定計(jì)算時取2.45 t/m3，海水重度取1.025 t/m3。

1）不加載時浮游穩(wěn)定計(jì)算，見表3。

表3　沉箱不加載時浮游穩(wěn)定參數(shù)計(jì)算Table 3　Calculation of buoyant stability parameter when a caissonis not loaded

因此，不加載時定傾高度m=-0.10 m，不滿足m≥0.2 m的要求，浮游不穩(wěn)定。

2）加載0.5 m水后浮游穩(wěn)定計(jì)算，詳見表4。

由表4可見，當(dāng)加載0.5 m高海水時，定傾高度m為0.25 m，浮游穩(wěn)定。

表4　沉箱加載時浮游穩(wěn)定參數(shù)計(jì)算Table 4　Calculation of buoyant stability parameter when a caissonis loaded

5　異形沉箱浮游穩(wěn)定的計(jì)算方法

在異形沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算時，采用手工配合Excel表計(jì)算重心等參數(shù)更加繁瑣，但通過BIM技術(shù)對其建模后，采用同樣的方法可快速查詢得到其重心等特性參數(shù)，并在計(jì)算浮游穩(wěn)定時可直接采用，基于水面處艙格面域的計(jì)算方法都與文中所介紹方法相同，此處不再贅述。

6　結(jié)語

結(jié)合金龍灣水上旅游項(xiàng)目E西區(qū)填海工程護(hù)岸的大型圓沉箱，介紹了利用BIM建模技術(shù)快速獲得浮游穩(wěn)定計(jì)算所需的參數(shù)，再利用CAD創(chuàng)建圓沉箱箱格壓水面面域，快速查詢出慣性矩的方法，使圓沉箱的浮游穩(wěn)定計(jì)算簡單易行，既省去了繁瑣的計(jì)算過程，又保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[2]董中亞.扇形箱格之圓形沉箱浮游穩(wěn)定的計(jì)算法[J].水運(yùn)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] 陳朝陽.數(shù)字模型法計(jì)算沉箱浮游穩(wěn)定[J].中國港灣建設(shè)，2006 （2）：18-19.

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

[4] 李雙泉，邵建永.數(shù)字技術(shù)模擬異形沉箱壓載[J].中國水運(yùn)，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

侯明濤（1982— ），男，陜西綏德縣人，工程師，主要從事港口和路橋施工。E-mail：214399720@qq.com