王雪巖，李國寧，王文強，梁一飛，范 岳，薛 潔，左舒揚

(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

昆都侖河治理工程的設(shè)計任務(wù)以景觀設(shè)計為主，兼顧防洪功能，形成多級瀑布、碧波蕩漾、工程和自然和諧共生的景觀模式，提高兩岸防洪能力，保障沿河兩岸設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的安全，改善小氣候，美化環(huán)境，構(gòu)成具有民族特色的景觀帶。

根據(jù)工程總體布置，河道治理總長度約為16.6km，設(shè)計景觀壩1座，采用單孔形式，孔口寬200m，擋水高度3.5m。其中，昆河南橋下1.3km，為內(nèi)蒙古自治區(qū)成立70周年大慶獻禮段工程。

1 工程設(shè)計

1.1 水工結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1.1總體布置

根據(jù)工程布置，液壓頂推升降式翻板閘樁號為1+000，蓄水總長1.0km，比降為2.87/1000。壩高3.5m，壩寬200m，壩后跌水高0.7m。最大設(shè)計壩前水深3.5m，蓄水面積20萬m2，蓄水量為45萬m3。

具體參數(shù)見表1。

表1 南橋至包蘭鐵路段液壓頂推升降式翻板閘蓄水參數(shù)表

1.1.2液壓頂推升降式翻板閘設(shè)計

液壓頂推升降式翻板閘由上游鋪蓋段、液壓頂推升降式翻板閘閘室段、消力池段組成，總長均為35m。

(1)上游鋪蓋

液壓頂推升降式翻板閘上游鋪蓋長12m，選用0.7m厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋪蓋下設(shè)0.1m厚素混凝土墊層。

(2)液壓頂推升降式翻板閘閘室段

閘孔凈寬200m，液壓頂推升降式翻板閘由32扇6.25×3.5m(寬×高)鋼結(jié)構(gòu)面板組成，每扇門葉后均設(shè)置兩根液壓桿。液壓頂推升降式翻板閘邊墻采用C25鋼筋混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)，與底板澆成一個整體。頂寬1.0m，迎水端為直立面，背水端邊坡1∶0.3，邊墻高為4.5m。

(3)消力池段

液壓頂推升降式翻板閘閘室后以坡度1∶4.0與消力池相接，消力池順?biāo)鞣较蚩傞L15m，消力池池深0.7m。消力池底板厚0.6m，選用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.2 金屬結(jié)構(gòu)

1.2.1概況及組成部分

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要由以下三部分組成：工作閘門、啟閉設(shè)備和閘前防冰凍設(shè)備。

1.2.2金屬結(jié)構(gòu)布置方案

液壓頂推升降式翻板閘采用改進型液壓頂推升降式翻板閘方案，啟閉設(shè)備選用多級柱塞式液壓啟閉機，配置兩套液壓泵站，左、右岸各一套，每套控制16扇閘門。由于冬季閘門擋水運行，閘前設(shè)置一套防冰凍裝置。

1.2.3金屬結(jié)構(gòu)防冰凍措施

空壓機→儲氣罐→主管路→支管路→吹氣裝置。

空氣通過壓縮機進入有壓力的儲氣罐，經(jīng)過穩(wěn)壓后連續(xù)穩(wěn)定的輸出到管路當(dāng)中，經(jīng)過吹氣裝置吹到閘門前，氣泡不斷上升，最后到達水面爆破，防止水面結(jié)冰。

2 基于BIM技術(shù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

基于Inventor軟件對包頭市昆都侖河景觀河道液壓頂推升降式翻板閘結(jié)構(gòu)設(shè)計進行三維參數(shù)化建模，將液壓頂推升降式翻板閘的水工結(jié)構(gòu)通過拉伸、開槽，挖孔等命令將底板、擋土墻等部件用衍生特征形成關(guān)聯(lián)，將閘門門葉與閘底板通過底支鉸通過iLogic規(guī)則編輯，完成參數(shù)化聯(lián)動。利用Vault軟件將建好的水工結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入平臺，對模型信息進行管理存儲，完成各專業(yè)的模型裝配。對液壓頂推升降式翻板閘模型的局部和整體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，達到設(shè)計的強度要求。最后繪制三維模型圖紙，將模型進行局部剖視和軸側(cè)三維展示，提供工程量明細，進行施工模擬。

2.2 水工結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計

2.2.1水工結(jié)構(gòu)體型設(shè)計

為提高水工結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和效率，運用Inventor軟件建立水工結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型庫，實現(xiàn)各結(jié)構(gòu)模型的快速建立及調(diào)整修改。對于常用的、構(gòu)成相對簡單的單體結(jié)構(gòu)，如閘底板、左右邊墻、上下游擋土墻、上游鋪蓋、下游消力池、上下游邊坡等，運用衍生特征命令，編輯表單，設(shè)置ILOGIC規(guī)則，建立相應(yīng)的建模系統(tǒng)，將各組成部分的參數(shù)化建模、相互間關(guān)聯(lián)關(guān)系進行整合，進一步提高設(shè)計質(zhì)量和效率。如圖2所示。

圖2 水工結(jié)構(gòu)模型

2.2.2計算分析

建立水工結(jié)構(gòu)建模軟件與常用分析計算軟件間的數(shù)據(jù)接口，進行有限元分析等計算分析工作，并能將計算分析并調(diào)整后的模型返回水工結(jié)構(gòu)建模軟件的設(shè)計模型中，促進設(shè)計工作優(yōu)化調(diào)整的便捷性。如圖3所示。

圖3 水工結(jié)構(gòu)有限元分析

圖4 三維配筋及鋼筋圖

2.2.3配筋設(shè)計

配筋設(shè)計基于水工結(jié)構(gòu)三維模型進行鋼筋配筋，實現(xiàn)鋼筋類型、數(shù)量的自動統(tǒng)計及鋼筋表的自動生成。如圖4所示。

2.2.4圖紙輸出

建立適合水利水電工程設(shè)計規(guī)范的統(tǒng)一制圖模板，基于水工專業(yè)三維模型實現(xiàn)各類工程圖紙的生成，包括平面圖、剖面圖、三維軸側(cè)圖以及局部詳圖等，內(nèi)容包括圖框及標(biāo)題欄、各類標(biāo)注(包括字型、字號、線型、線寬、符號形式、填充方式、顏色等)、各類數(shù)據(jù)表格、圖幅及比例尺適配等。生成的工程圖紙需與相應(yīng)的水工結(jié)構(gòu)三維模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)設(shè)計調(diào)整修改時，工程圖紙的自動更新。如圖5所示。

圖5 水工圖

2.3 金屬結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計

2.3.1閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計

運用Inventor軟件建立水工鋼閘門參數(shù)化模型，將鋼閘門模型門葉進行全參數(shù)化設(shè)計，如閘門寬度、擋水高度等參數(shù)與水工結(jié)構(gòu)建立規(guī)則聯(lián)系，形成液壓頂推升降式翻板閘整體參數(shù)化聯(lián)動。其他零部件如底支鉸、耳板等建立系列庫，液壓泵站、液壓油缸等逐漸積累形成各級容量啟閉機模型庫。如圖6所示。

2.3.2計算分析

將裝配完成的閘門模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，設(shè)置運行的邊界條件并加載工程運行中的相關(guān)載荷，對閘門結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定分析、應(yīng)力分析、位移分析等計算分析工作，對應(yīng)力集中或者位移偏大的地方進行局部優(yōu)化。如圖7所示。

圖7 金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

2.3.3圖紙輸出

將三維模型與二維平面圖靈活結(jié)合，繪制可以直接進行加工生產(chǎn)的零部件圖。針對金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)建立符合規(guī)范的統(tǒng)一制圖模板，將各零部件的材料、型號、裝配要求、加工精度、粗糙度以及公差配合等信息清晰明白地傳達到圖紙上，準(zhǔn)確無誤地傳遞給生產(chǎn)車間。生成的工程圖紙與相應(yīng)的零部件三維模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)設(shè)計調(diào)整修改時，工程圖紙的自動更新。如圖8所示。

圖8 閘門總圖

2.3.4防冰凍設(shè)備的設(shè)計

運用Inventor軟件將防冰凍系統(tǒng)中的空壓機、儲氣罐、油水分離器、吹氣單元、管路及附件、氣動閥組以及控制柜等組成模塊進行三維模型設(shè)計。將各模塊根據(jù)兩側(cè)設(shè)備控制房的大小進行合理的布局?jǐn)[放。將吹氣管垂直排列布置，減少壓力損失。

空氣通過壓縮機進入有壓力的儲氣罐，經(jīng)過穩(wěn)壓后連續(xù)穩(wěn)定的輸出到管路當(dāng)中，經(jīng)過吹氣裝置吹到閘門前，氣泡不斷上升，最后到達水面爆破，防止水面結(jié)冰。如圖9所示。

圖9 防冰凍設(shè)備

2.4 聯(lián)動設(shè)計

BIM 技術(shù)在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計，將各專業(yè)的設(shè)計信息轉(zhuǎn)換為信息化模型，最終生成高質(zhì)量、高精度的施工圖紙。BIM 技術(shù)作為主要的溝通方式，將不同專業(yè)設(shè)計模型進行聯(lián)動，設(shè)計人員能夠直觀的對三維建筑模型進行分析，將設(shè)計中存在不合理的區(qū)域進行三維校審，設(shè)計人員能夠根據(jù)不足之處，提出針對性的調(diào)整意見，適當(dāng)修改參數(shù)，即可調(diào)整零件尺寸、鋼筋擺放、混凝土規(guī)格、閘門設(shè)計結(jié)構(gòu)等，從而確保整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的精準(zhǔn)度。

液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)的聯(lián)動設(shè)計是調(diào)整閘門和閘底板聯(lián)動參數(shù)，液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)會隨著河道寬度和擋水高度整體參數(shù)化聯(lián)動。以包頭市昆都侖河景觀河道液壓頂推升降式翻板閘結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，對其中河道寬度作為變量，其他作為定量，將兩扇閘門的液壓頂推升降式翻板閘河道寬度12.5m進行參數(shù)化聯(lián)動設(shè)計，調(diào)整為32扇閘門的液壓頂推升降式翻板閘河道寬度為200m。

2.4.1金屬結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化設(shè)計

(1) 建立Excel參數(shù)表作為第三方參數(shù)聯(lián)接，同時也作為與其他專業(yè)的參數(shù)數(shù)據(jù)接口，在編輯模型內(nèi)創(chuàng)建用戶參數(shù)，以閘門門葉為例，如圖10—11所示。

圖10 Excel參數(shù)表

圖11 門葉用戶參數(shù)

(2)按照門葉分節(jié)結(jié)構(gòu)進行三維參數(shù)化建模，將門葉分為左側(cè)門葉和右側(cè)門葉，根據(jù)閘門中心，對稱布置，創(chuàng)建模型如圖12所示，門葉參數(shù)可以根據(jù)設(shè)計要求進行調(diào)整，如圖13所示。

圖12 左側(cè)門葉

圖13 門葉結(jié)構(gòu)參數(shù)

(3)其他零部件如底支鉸、側(cè)止水部件、底止水部件、液壓缸、鎮(zhèn)墩等通過衍生門葉進行多實體創(chuàng)建，前面已演示模型創(chuàng)建過程，這里不再贅述，裝配好的閘門模型如圖14所示。

圖14 閘門裝配

2.4.2水工結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化設(shè)計

液壓頂推升降式翻板閘是水閘的一種類型，是以金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)為主、水工專業(yè)及其他專業(yè)配合的一種景觀河道類工程。為提高水工結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和效率，運用Inventor軟件建立水工結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型庫，實現(xiàn)各結(jié)構(gòu)模型的快速建立及調(diào)整修改，并設(shè)置聯(lián)動參數(shù)作為金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)參數(shù)模型的接口。

參數(shù)化模型庫按照水工專業(yè)設(shè)計內(nèi)容進行分類建立，并結(jié)合各設(shè)計對象的類型進行進一步細分，具體參數(shù)化模型應(yīng)包含尺寸、定位、材質(zhì)等信息。對于液壓頂推升降式翻板閘水工結(jié)構(gòu)，將閘底板作為布局零件，左右邊墻、上下游擋土墻、上游鋪蓋、下游消力池、上下游邊坡等運用衍生特征命令，關(guān)聯(lián)水工結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置ILOGIC規(guī)則，編輯表單，建立相應(yīng)的建模系統(tǒng)，將各組成部分的參數(shù)化建模、相互間關(guān)聯(lián)關(guān)系進行整合，進一步提高設(shè)計質(zhì)量和效率。

(1) 聯(lián)接Excel參數(shù)表作為第三方參數(shù)表，在編輯模型內(nèi)創(chuàng)建用戶參數(shù)，以閘底板為例，如圖15所示。

圖15 閘底板用戶參數(shù)

(2)按兩扇閘門寬度為12.5m的閘底板作為最小單體進行參數(shù)化創(chuàng)建，以兩扇閘門中心作為閘底板中心，對稱布置，創(chuàng)建模型如圖16—17所示。

圖16 閘底板

圖17 閘底板結(jié)構(gòu)參數(shù)

(3)將閘底板作為 “源零件”，衍生到其他零件如邊墻、擋土墻、鋪蓋、消力池等布局零件中，通過生成多實體創(chuàng)建裝配體，裝配好的水工建筑物如圖18所示。

圖18 水工建筑物裝配

2.4.3金屬結(jié)構(gòu)與水工結(jié)構(gòu)聯(lián)動設(shè)計

(1)將金屬結(jié)構(gòu)總體裝配模型與閘底板進行約束裝配，如圖19所示。

圖19 專業(yè)配合裝配

(2)設(shè)置裝配體中iLogic規(guī)則，分別將兩扇閘門隨著閘底板寬度(河道寬度)的變化進行陣列，使閘門整體結(jié)構(gòu)與水工建筑物形成整體聯(lián)動，如圖20所示。

圖20 專業(yè)配合裝配

(3)手動更新水工建筑物模型，生成液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)模型如圖21所示。

圖21 液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)

(4)修改Excel參數(shù)表中河道寬度為200m，手動更新模型，液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)將會自動調(diào)整為200m，如圖22—23所示。

圖22 修改Excel參數(shù)表

圖23 液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)聯(lián)動

基于BIM技術(shù)對液壓頂推升降式翻板閘整體結(jié)構(gòu)進行聯(lián)動設(shè)計，金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)與上下游專業(yè)銜接融合成為一體，讓整個工程充滿空間感和層次感，能夠充分體現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計意圖，讓設(shè)計產(chǎn)品完美的呈現(xiàn)。如圖24所示。

圖24 液壓頂推升降式翻板閘效果圖

3 結(jié)語

本項目基于BIM技術(shù)，進行多專業(yè)協(xié)同三維參數(shù)化設(shè)計，集合了結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析，貫通了工程設(shè)計從三維模型到二維圖紙的轉(zhuǎn)換，將水工專業(yè)和金屬結(jié)構(gòu)等專業(yè)靈活結(jié)合在同一設(shè)計空間內(nèi)，可借鑒其他項目使用。液壓頂推升降式翻板閘與鋼壩閘、氣盾閘等河道景觀類閘型類似，觸類旁通，舉一反三，可以將液壓頂推升降式翻板閘的BIM設(shè)計經(jīng)驗運用到其他壩型中，拓展景觀河道類水閘的應(yīng)用范圍，為其他景觀河道類閘的設(shè)計提供了寶貴的設(shè)計經(jīng)驗。