解凌飛，李 德

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430064）

1 概述

1.1 工程簡介

在建的螺山泵站為Ⅱ等工程，泵站規(guī)模為大（2）型，主要建筑物（引水渠、主泵房、攔污柵、進水池、進水池翼墻等）級別為2級；次要建筑物（出水口擋土墻、出水池邊坡護坡等）級別為3級，其他臨時性建筑物級別為4級［1］。

螺山泵站主要建筑物由進、出水渠道、主泵房、安裝間、副廠房、兩岸連接建筑物、進出口翼墻等組成。安裝間、副廠房布置在主泵房兩側(cè)。主泵房、安裝間、副廠房平面上呈一字形排列。主泵房各部分主要尺寸：主泵房縱軸線長為6臺機組間距加中、邊墩，機組間距為9.8m，考慮機組臺數(shù)多，故主泵房分為三聯(lián)，兩臺機組一聯(lián)，主泵房底板平面尺寸：順水流向總寬為 35.3m，總長62.44m。

1.2 BIM設(shè)計平臺簡介

BIM技術(shù)涵蓋了工程的設(shè)計、施工、管理、運維全生命周期，它摒棄了傳統(tǒng)二維設(shè)計中資源不能共享、信息不能同步更新、參與方不能很好的相互協(xié)調(diào)、施工過程不能可視化模擬，檢查與維護不能做到物理與信息的碰撞預(yù)測等問題。從二維CAD過渡到以BIM技術(shù)為核心的多種建筑三維CAD，將是未來計算機輔助建筑設(shè)計的發(fā)展趨勢［2］。

在管理層的鼎力支持下，湖北水院自2011年開始著手調(diào)研水電三維設(shè)計，研究、比選了當(dāng)今國內(nèi)外常用的三維設(shè)計軟件系統(tǒng)，從軟件產(chǎn)品的行業(yè)適應(yīng)性、技術(shù)性能、兼容性、開放性、知識重用性、協(xié)同設(shè)計性能、可開發(fā)性、易用性等方面進行了詳實地比較，在2016年3月正式確定采用某工程建設(shè)行業(yè)三維系列軟件組成三維協(xié)同設(shè)計主平臺。成立了水電三維設(shè)計小組，開展三維設(shè)計研究與實踐。目前已經(jīng)基本完成了水電三維協(xié)同設(shè)計解決方案的研究工作，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的水工建筑物，如電站廠房、泵房等均在某軟件中建模，該軟件能夠以工程領(lǐng)域用戶熟悉的二維操作方式和習(xí)慣，在二維草圖的基礎(chǔ)上，通過簡單的拉伸、旋轉(zhuǎn)、挖除、對稱、鏡像、倒角等操作及裝配，完成復(fù)雜模型的三維設(shè)計。因此，只需經(jīng)過簡單的培訓(xùn)和適應(yīng)，就能實現(xiàn)設(shè)計理念從二維向三維的順利過渡，很大程度上降低了三維協(xié)同設(shè)計在企業(yè)推廣應(yīng)用的成本和風(fēng)險。

2 基于BIM技術(shù)的螺山泵站主泵房三維模型

2.1 主泵房建模方法

泵站設(shè)計中最難、最重要、涉及相關(guān)專業(yè)最多并最具代表性的當(dāng)屬主泵房設(shè)計，主泵房設(shè)計的好壞決定了一個泵站的設(shè)計質(zhì)量和水平。進行主泵房BIM三維設(shè)計時，主要根據(jù)上游專業(yè)即水機、電氣、金屬結(jié)構(gòu)等專業(yè)提供的資料進行布置，當(dāng)其相關(guān)專業(yè)尺寸發(fā)生變化時，水工專業(yè)因其外包混凝土結(jié)構(gòu)是與上游專業(yè)提供的結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)約束的，而自動更新無需人為更改或只需更改外包混凝土的厚度（可修改參數(shù)值）即可達到目的。

螺山泵站主泵房平面尺寸為35.3m×62.44m，設(shè)計排水流量198m3／s，裝機6臺，總裝機容量6×2200kW。根據(jù) GB50265-2010《泵站設(shè)計規(guī)范》［4］，泵站屬Ⅱ等大（2）型工程。

在確立了工程規(guī)模、揚程、建筑物外形和流道尺寸的基礎(chǔ)上，即可開始三維建模，隨之與機電金協(xié)同，外部資料積累的過程也是模型不斷細化完善的過程。螺山泵房主泵房采用某軟件建模，建模采用參數(shù)化草圖驅(qū)動，自底向上孔洞挖除的方式進行，其中流道的建模經(jīng)歷從可研概念設(shè)計到技施階段通過水機模型試驗細化的過程，一些孔洞也是隨著設(shè)備招標才最終確定。圖2為螺山泵站主泵房三維結(jié)構(gòu)視圖及剖視圖。

圖1 水電三維協(xié)同設(shè)計解決方案

圖2 螺山泵站主泵房三維視圖

2.2 三維模型導(dǎo)入有限元軟件

水工鋼筋制圖前首先要根據(jù)各部位的受力情況計算配筋量。以往的方法是在有限元軟件中再建立模型（或者把建好的三維模型導(dǎo)入有限元軟件中），但這種方法往往耗時較多（或沒有相應(yīng)的模型導(dǎo)入接口）。利用某軟件集成的導(dǎo)入有限元軟件插件可以較完美解決這一問題。用戶在某軟件中建好實體模型后可以直接通過該插件無損轉(zhuǎn)入有限元軟件中進行網(wǎng)格劃分、施加邊界條件和荷載、進行求解和后處理等。圖3為某軟件中螺山泵站主泵房通過插件導(dǎo)入有限元軟件中生成有限元網(wǎng)格。

某軟件中集成的導(dǎo)入有限元軟件插件可以把水電三維協(xié)同設(shè)計和三維鋼筋圖設(shè)計有機結(jié)合起來，避免了另起爐灶在其它軟件中進行有限元計算費時費力的問題，極大簡化了設(shè)計流程，體現(xiàn)了高效、集約的設(shè)計思路。

圖3 某軟件模型導(dǎo)入有限元軟件生成有限元網(wǎng)格

3 三維有限元配筋計算分析

3.1 計算范圍與計算模型

以螺山泵站左側(cè)邊聯(lián)主泵房為研究對象，采用線彈性有限元法［5］計算分析其位移、應(yīng)力及配筋的規(guī)律，有限元網(wǎng)格如圖3所示。

全部采用六面體等參單元模擬主泵房及基礎(chǔ)巖體，整個有限元模型共有單元249986個，結(jié)點221321個，其中主泵房有單元204473個，結(jié)點191556個。

計算邊界條件：基礎(chǔ)的上、下游端面和左、右兩側(cè)按法向連桿模擬，底部三向約束，其它表面按力邊界或自由邊界考慮。

模型坐標系：X軸沿水平橫河向，指向右岸為正；Y軸為水平順河向，指向外江側(cè)為正；Z軸為鉛垂向，向上為正。

3.2 計算參數(shù)

（1）混凝土材料參數(shù)

螺山泵站結(jié)構(gòu)混凝土強度等級為C25，電機層、水泵層、板梁柱混凝土強度等級為C30。根據(jù)SL191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［6］，混凝土材料的基本力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 混凝土基本力學(xué)參數(shù)

（2）鋼筋材料參數(shù)

受力鋼筋均采用Ⅲ級鋼筋，根據(jù)SL191-2008，鋼筋的基本力學(xué)參數(shù)如下：

①彈性模量Es＝2.0×105N／mm2；②鋼筋強度設(shè)計值 fy＝fy′＝360N／mm2。

（3）基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)

泵房建基面高程9.6～10.6m，基礎(chǔ)座落在泥灰?guī)r層上，強風(fēng)化泥灰?guī)r承載力特征值fak＝600kPa，可采用天然地基，其力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 基礎(chǔ)巖體力學(xué)參數(shù)表

（4）荷載

荷載及系數(shù)均按SL744-2016《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》及GB 50265-2010相關(guān)規(guī)定取值。主要荷載包含結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、浪壓力、風(fēng)壓力、機電荷載及樓面荷載等。

3.3 有限元結(jié)果分析

（1）位移計算結(jié)果分析

在商務(wù)英語的翻譯中，首先要遵循語言通順的原則，也就是說翻譯完的句子不能晦澀難懂、語句不順暢，也不能生硬、讓人費解。如Many of these fine products are in stock ready for your order這句話，就不能生硬地翻譯成“優(yōu)質(zhì)貨物已在倉庫里準備好，為了你來訂購”，而應(yīng)遵從語言習(xí)慣譯為“歡迎訂購”。其次要遵循專業(yè)性原則，畢竟是為商務(wù)活動和國際貿(mào)易服務(wù)，因此必須使用規(guī)范術(shù)語，如This Agreement is made by Su應(yīng)該采用Agreement在商務(wù)英語中“協(xié)議”的意思。

整理出各種計算工況螺山泵站主泵房整體三向位移區(qū)間見表3。整體變形呈現(xiàn)出下沉并向右岸及向內(nèi)湖側(cè)移動的趨勢。完建工況時主泵房橫水流X向位移最大，主泵房靠近外江側(cè)頂部最大橫水流X向位移為14.7mm（向右岸），主要由于土壓力及基礎(chǔ)不均勻變形所致。校核運用工況時主泵房順水流Y向位移最大，外江側(cè)頂部最大順水流向位移為-8.9mm（向上游），主要由于水土壓力差所致。完建工況主泵房鉛直Z向位移最大，最大鉛直向位移為-17.6mm（下沉），出現(xiàn)在主泵房靠近內(nèi)湖側(cè)底板右側(cè)，主要由于基礎(chǔ)不均勻沉降及水土壓力導(dǎo)致泵房結(jié)構(gòu)傾斜所致。

就主泵房整體結(jié)構(gòu)而言，主泵房各個方向位移分布連續(xù)均勻。螺山主泵房坐落在強風(fēng)化泥灰?guī)r上，計算得到的螺山泵站主泵房最大沉降量為17.6mm（完建工況），小于GB 50265-2010規(guī)定的150mm，橫水流X向最大位移為14.7mm，小于20mm，相鄰兩聯(lián)之間不會互相擠壓，可見螺山泵站主泵房沉降在允許變形控制范圍內(nèi)。

表3 主泵房整體三向位移區(qū)間

（2）應(yīng)力計算結(jié)果分析

表4 主泵房整體三向最大拉應(yīng)力 單位：MPa

主泵房絕大部分區(qū)域以受壓為主，拉應(yīng)力較大的位置主要集中在底板、電機梁、邊墻、隔墻等部位，其它位置的拉應(yīng)力普遍在0.5MPa以下。表4為主泵房三向應(yīng)力最大值匯總表。

主泵房水平向拉應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在底板，由于結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致底板底面四個角點有較明顯的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，配筋時注意局部加強。除去各別應(yīng)力集中區(qū)域外，水平橫水流X向最大拉應(yīng)力為1.07MPa，出現(xiàn)在完建工況底板底面；底板頂面最大X向拉應(yīng)力出現(xiàn)在正常運行工況出口處空箱底板頂面處，為0.87MPa。水平順水流Y向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在完建工況出口段空箱底板頂面，為1.28MPa；底板底面Y向拉應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在完建工況，為1.20MPa。最大鉛直向拉應(yīng)力出現(xiàn)在完建工況邊墻處，最大為2.22MPa。

（3）有限元應(yīng)力配筋

根據(jù)三維有限元計算的混凝土應(yīng)力結(jié)果，獲得結(jié)構(gòu)在彈性階段的截面應(yīng)力圖形，用SL191-2008 12.2節(jié)的拉應(yīng)力圖法，如圖4所示，分別計算結(jié)構(gòu)各部位的配筋面積。拉應(yīng)力圖形法配筋下式計算。

表5 主泵房底板配筋表

圖4 按彈性應(yīng)力圖形配筋

式中，K—承載力安全系數(shù)，本文取1.2；T—由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計值，由有限元計算得到；fy—鋼筋抗拉強度設(shè)計值，取為360N／mm2；As—鋼筋截面面積。

用式（1）計算時，當(dāng)彈性應(yīng)力圖形的受拉區(qū)高度大于結(jié)構(gòu)截面的2／3時，不考慮混凝土的抗拉強度，即T＝0；當(dāng)彈性應(yīng)力圖形的受拉區(qū)高度小于結(jié)構(gòu)截面的2／3且混凝土的最大拉應(yīng)力小于0.45ft＝0.57MPa時，考慮混凝土的抗拉強度，僅按構(gòu)造配筋。

根據(jù)主泵房應(yīng)力計算結(jié)果，對主泵房的主要受拉部位-底板、電機梁、水輪機層上下游梁、水輪機平臺、邊墻和隔墻等進行配筋，表5給出了螺山泵站主泵房底板的配筋量。應(yīng)力較小的部位按照構(gòu)造配筋，構(gòu)造配筋的最小配筋率及配筋面積應(yīng)按SL191-2008 9.5節(jié)規(guī)定取值計算，計算時注意計算截面尺寸的選取，結(jié)構(gòu)較厚部位按最小配筋率計算得到的配筋面積也有可能較大。

考慮到底板尺寸較大，受溫控及基礎(chǔ)不均勻沉降的影響，建議適當(dāng)增大其配筋面積。底板、邊墻、隔墻等構(gòu)件遇到孔洞時應(yīng)局部加粗、加密鋼筋。

4 基于有限元應(yīng)力的三維配筋設(shè)計

如何在三維模型、結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，快速配筋及出圖成為目前急需解決的問題，某平臺的Revit目前配筋功能主要限制在板梁柱等規(guī)則標準件，對水工大體積異形體配筋功能很弱，需要進行二次開發(fā)，對中小設(shè)計院來說難度較大；軟件只有結(jié)構(gòu)出圖、無鋼筋出圖功能，因而需要借助專業(yè)配筋軟件來解決。獨立平臺開發(fā)的《水工三維配筋軟件》較好地解決此問題。該軟件可以導(dǎo)入其它三維軟件建立的.sat格式文件，用戶通過在三維結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建鋼筋模型，經(jīng)過切取剖面，自動生成鋼筋詳圖和信息表，滿足施工詳圖階段鋼筋圖的供圖。其具有以下特色：

（1）能以.sat格式導(dǎo)入模型，避免三維模型的重復(fù)建模。

（2）三維可視化配筋。直觀地在立體模型上布設(shè)鋼筋、定義剖面，并全自動生成剖面圖和信息表。

圖6 螺山泵站主泵房底板配筋二維出圖

圖5 螺山泵站主泵房底板三維配筋

（3）三維重用。當(dāng)模型結(jié)構(gòu)發(fā)生了修改時，不影響原來已布設(shè)的鋼筋，只需修改因結(jié)構(gòu)變動而需改變的鋼筋。

（4）二維重用。在對二維圖作了編輯調(diào)整后，若因設(shè)計修改而需要在三維中修改鋼筋，原二維圖已作過的編輯調(diào)整位置可以被記錄，避免了重復(fù)勞動。

（5）吸取了最新的開發(fā)技術(shù)，支持動態(tài)切面、回退、對象修改、自定義實體、無干涉布局等，使整個軟件性能達到了工程實用化水平。

（6）設(shè)計人員自主開發(fā)，概念清晰，操作簡單，符合設(shè)計習(xí)慣。

（7）界面清新、簡潔、友好，簡單易學(xué)，設(shè)計人員通過短期的培訓(xùn)和練習(xí)，就可以熟練掌握。

基于有限元應(yīng)力配筋結(jié)果在《水工三維配筋軟件》中生成的主泵房底板三維配筋及自動二維出圖如圖5、6所示。通過實際應(yīng)用，《水工三維配筋軟件》能夠快速準確地對結(jié)構(gòu)進行配筋，減少因人為進行配筋、編號、計算鋼筋量、制作材料表等這些繁重工作所耗費的大量人力物力，減輕勞動強度，縮短設(shè)計周期，減少了大量低層次的勞動，降低綜合成本，并且由于是在三維模型中直接配筋，能夠直觀、準確地辨識結(jié)構(gòu)中的拐角、隱蔽部位，無缺漏的對其進行配筋，避免漏筋，提高了設(shè)計圖紙質(zhì)量，另外因其建筑物結(jié)構(gòu)是調(diào)用某軟件中的模型，能促進三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境的建立，提高設(shè)計管理水平與連貫性。

5 結(jié)語

本文通過BIM技術(shù)實現(xiàn)了三維建模、計算仿真、三維配筋及出圖的一整套設(shè)計流程，獲得了一些有益的經(jīng)驗。

（1）BIM技術(shù)所見即所得，可減少傳統(tǒng)2D圖紙不能完全表現(xiàn)設(shè)計人員的設(shè)計意圖，同時可能存在結(jié)構(gòu)碰撞［7］，因而使得指導(dǎo)施工不準確所引起的返工，避免不必要的經(jīng)濟損失。參數(shù)化草圖結(jié)合外部鏈接excel表，可以快速的創(chuàng)建復(fù)雜的水工模型，并且為同類工程提供了借鑒。

（2）在螺山泵站的BIM設(shè)計過程中，水工專業(yè)通過對相關(guān)軟件的深入研究，實現(xiàn)了三維建模、分析和配筋出圖一體化。采用某軟件進行三維設(shè)計建模，模型經(jīng)有限元軟件軟件計算分析，計算結(jié)果和模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入《水工三維配筋軟件》進行配筋，配筋結(jié)果可以直接轉(zhuǎn)化為二維CAD圖紙。通過三維設(shè)計的方式，一次建模，由一套模型數(shù)據(jù)完成設(shè)計、分析和配筋的所有工作。螺山泵站的現(xiàn)階段全套鋼筋圖均由上述流程完成，圖紙成果得到業(yè)主和施工方的認可。

（3）運用BIM技術(shù)可以高效的完成設(shè)計、施工、運維全生命周期管理，特別是技施階段，主泵房各層各專業(yè)的管道設(shè)備眾多，通過BIM各專業(yè)協(xié)同，可以有效、及時的發(fā)現(xiàn)問題，高效的解決問題以及提高施工藍圖的設(shè)計效率。

（4）比起傳統(tǒng)的二維設(shè)計人員，BIM人才相對較少，探索出一套適應(yīng)中國國情的、可持續(xù)發(fā)展的BIM，是我們首要解決的問題。

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