竇林瑞，李凱旋，耿曄晗

（1.浪潮軟件科技有限公司，濟南 250000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048）

1 概要

鋼閘門作為低水頭擋泄水建筑物，廣泛應(yīng)用在河道景觀、灌溉蓄水、水庫擴容、水電站增容等水利水電、水生態(tài)建設(shè)及城鎮(zhèn)化建設(shè)項目中［1］。傳統(tǒng)鋼閘門在閘門設(shè)計階段、 水利工程設(shè)計及配筋階段、分析階段、深化詳圖階段及施工過程中常常是分開設(shè)計，這不僅會造成數(shù)據(jù)信息的丟失，也需要在各個階段多次重復性地輸入信息或重新構(gòu)建模型［2］。 因此， 利用BIM技術(shù)應(yīng)用在水利工程鋼閘門的設(shè)計中具有重要意義。 建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)，可以有效利用數(shù)字信息化的優(yōu)勢特征，把項目建設(shè)過程中涵括的多種需求要素，于三維模型上直觀地模擬構(gòu)建， 并具備數(shù)據(jù)信息的完整性、可視化及協(xié)調(diào)性等多方面的特征［3］，從而讓BIM技術(shù)在鋼構(gòu)閘門建設(shè)過程中所需的各個階段有機結(jié)合在一起，最終實現(xiàn)精細化管理的目標。

目前， 為了提高BIM在水利工程建設(shè)期間的集成化程度， 國內(nèi)外已針對BIM在水利工程中的應(yīng)用進行了一些研究，如：王文武［4］將BIM理論、技術(shù)與有限元分析有機融合，整合了參數(shù)化見長的三維設(shè)計軟件Catia， 具備高效模型處理算法的Hyperwork，以及具有強大數(shù)值求解能力的Ansys通用有限元軟件，實現(xiàn)了計算方法與出圖方式的實質(zhì)性轉(zhuǎn)變。 張偉［5］利用BIM技術(shù)對引漢濟渭三河口水利樞紐工程進行設(shè)計及操作， 證明BIM模型不僅能有效利用既有條件完成信息的共享工作，也能精確計算土方的開挖、回填量，同時完成地質(zhì)模型的建立。 林旭等［6］基于無為泵站工程介紹BIM在水利工程總承包項目的應(yīng)用， 利用BIM達到項目在實施過程中具有信息傳遞性， 通過統(tǒng)一的標準可以使BIM模型信息在設(shè)計、施工、運維等階段進行無障礙信息傳遞。

本文基于前者研究， 將BIM技術(shù)應(yīng)用到水利工程鋼閘門設(shè)計中，以某地區(qū)2m高、23.4m長小角度支撐的水利工程液壓鋼閘門項目為例， 結(jié)合BIM軟件平臺Inventor，Revit，Tekla進行從設(shè)計到施工圖階段的對接和應(yīng)用研究， 梳理水利工程鋼閘門設(shè)計BIM傳遞到施工階段應(yīng)用的關(guān)鍵信息點，為水利工程鋼閘門設(shè)計BIM技術(shù)一體化應(yīng)用提供參考。

2 BIM技術(shù)在水利工程鋼閘門中的技術(shù)優(yōu)勢

BIM技術(shù)在水利工程項目中應(yīng)用的核心價值就是將水利工程各模型實現(xiàn)三維可視化， 建立完善的項目信息數(shù)據(jù)庫， 實現(xiàn)工程項目在全壽命周期中各個不同階段的工程信息、 過程和資源集成為一個模型，既簡化了設(shè)計又方便工程各參與方的使用［7］。 技術(shù)優(yōu)勢具體有：

2.1 三維可視化

傳統(tǒng)水利工程鋼閘門項目從可行性研究階段到施工圖階段一般都是通過二維圖紙來展示， 不利于工程各參與方的直觀理解。BIM技術(shù)可實現(xiàn)鋼閘門關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)、 水工基礎(chǔ)建筑物等各個單元的三維可視化，整體性更加明確具體。

2.2 參數(shù)關(guān)聯(lián)性及可溯源性

BIM技術(shù)中族的概念至關(guān)重要， 族就相當于將所涉及的項目進行區(qū)分及參數(shù)化建立，創(chuàng)建者可以按照主體結(jié)構(gòu)進行參數(shù)集的建立或圖形表示的不同進行分組，每個族都能被定義為多種類型，根據(jù)創(chuàng)建模型人員的設(shè)計， 每種類型都具備不同的材質(zhì)、形狀、尺寸等設(shè)置或其他參數(shù)變量，一旦項目結(jié)構(gòu)需要修改，只需修改相關(guān)參數(shù)，BIM中的模型會與之相關(guān)聯(lián)的參數(shù)信息自動更新，這在很大程度上減少了圖紙修改的繁瑣工程量，也增加了項目信息的可溯源性。

2.3 信息共享性

水利工程鋼閘門在建設(shè)期間涉及多專業(yè)如金屬結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、水工結(jié)構(gòu)等的匯總，傳統(tǒng)工程項目往往會出現(xiàn)各專業(yè)、各單位之間信息分享不及時，導致工作量重復或信息斷層。BIM技術(shù)在應(yīng)用過程將各種信息匯總成一個數(shù)據(jù)文件，在交叉?zhèn)鬟f過程中，信息也跟著傳遞，保證了信息的連貫性，提高了工作效率。

2.4 碰撞問題的預(yù)見性

鋼閘門水利工程在設(shè)計中，涉及多專業(yè)交叉，往往出現(xiàn)鋼閘門、基礎(chǔ)埋件、液壓管路等結(jié)構(gòu)與水工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的干涉碰撞， 尤其是在設(shè)計配筋工作中更容易出現(xiàn)干涉碰撞， 且該干涉碰撞往往在設(shè)計階段難以預(yù)見，卻發(fā)生在實際施工過程中。 BIM技術(shù)可實現(xiàn)對碰撞問題的檢查， 提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，減少“錯、漏、碰、缺”和設(shè)計變更，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。

2.5 可出圖性

BIM技術(shù)可實現(xiàn)各個部件從二維到三維的互相轉(zhuǎn)換，根據(jù)用戶需求輸出圖紙，兩者之間可實現(xiàn)自動更新，無需單獨修改。

總之，BIM技術(shù)應(yīng)用在鋼閘門設(shè)計工作中可以加強不同單位、 不同專業(yè)及不同階段的信息共享與協(xié)作，有效提高工作質(zhì)量和效率。

3 BIM技術(shù)模型實例分析

本文依托某水利工程鋼閘門建設(shè)實例項目，主體結(jié)構(gòu)為小角度支撐的液壓鋼閘門結(jié)構(gòu)形式， 設(shè)4扇，單扇寬度5.85m，閘門高2m，過流凈寬23.4m。水工基礎(chǔ)建筑物包括上游連接段、進口鋪蓋、基礎(chǔ)底板、下游消力池、海漫等，上游連接段長10m，鋪蓋段長13m，閘室段長12m，消力池長15m，海漫段長15m，全長共計65m。

3.1 鋼閘門三維模型設(shè)計

基于BIM技術(shù)建立參數(shù)化族群，是鋼閘門BIM思想設(shè)計的一種體現(xiàn)。 小角度液壓缸支撐鋼閘門三維模型的設(shè)計首先依據(jù)鋼閘門設(shè)計的基本原理與規(guī)范要求，采用Inventor三維軟件模型設(shè)計，以IFC格式轉(zhuǎn)入到Revit中，進行族的創(chuàng)建與參數(shù)化設(shè)計，族的類型主要包括模板族、部件族和零件族，模板族指的是能夠快速完成的鋼閘門結(jié)構(gòu)， 具備參數(shù)化軸線更新驅(qū)動建模，輸入?yún)?shù)較少，結(jié)構(gòu)形式單一；部件族指的是以模板族為基礎(chǔ)，以門葉為單元進行設(shè)計，包括等截面的主橫梁、次梁等門葉部件族群；零件族指的是鋼閘門之間的各種其他結(jié)構(gòu)類型，如底較支座、預(yù)埋件、止水底板等零件族。 族在建立的時候，都進行了參數(shù)化的設(shè)計，包括形狀參數(shù)的控制、參數(shù)之間的連接關(guān)系、參數(shù)標注、材料性能等參數(shù)信息。 當基本類參數(shù)被修改或者刪除時， 系統(tǒng)會自動進行數(shù)據(jù)的更新及結(jié)構(gòu)的改變， 不必針對每個鋼結(jié)構(gòu)零件進行單獨修改，很大程度上提高了軟件的智能化能力。鋼閘門三維模型如圖1。

圖1 鋼閘門三維模型

3.2 水工基礎(chǔ)三維模型設(shè)計

Autodesk軟件有限公司是全球最大的二維和三維設(shè)計、工程與娛樂軟件公司，早在20世紀便以CAD軟件占據(jù)了我國二維制圖行業(yè)大部分市場， 其推出的以Revit為主的BIM軟件套包更是目前國內(nèi)建筑市場的主要軟件之一［8］。

本項目主要采用Revit軟件進行水工基礎(chǔ)三維模型設(shè)計，主要步驟包括：①利用建筑樣板新建一個項目，使用“體量和場地”和“地形表面”等工具，根據(jù)使用場地大小、 高程等實際地形創(chuàng)建工程場地軸網(wǎng)和標高；②使用“族”下的“板”“梁”“柱”等負責結(jié)構(gòu)的族建立及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配置，可以采用復制、陣列等辦法添加同類構(gòu)件；③對“族”參數(shù)進行設(shè)定及關(guān)聯(lián)，其中還可以進行尺寸標注、材質(zhì)及裝飾、結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息的設(shè)定，這樣便于在后期三維設(shè)計優(yōu)化時，可以隨時進行檢查及修改；④進行三維結(jié)構(gòu)組裝及優(yōu)化，并對組裝結(jié)構(gòu)進行碰撞檢測，修改干涉碰撞部位，完善結(jié)構(gòu)，生成三維模型，如圖2，圖3。

圖2 擋墻參數(shù)設(shè)定過程

圖3 整體三維水工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

3.3 配筋及碰撞檢查

傳統(tǒng)設(shè)計配筋工作繁瑣且設(shè)計任務(wù)重， 不僅耗費大量人力物力，還容易出錯，給項目的質(zhì)量、安全及成本控制帶來了不確定性和差異性，而BIM給配筋設(shè)計工作帶來了簡便及準確性，BIM模型里儲存了該項目的所有幾何、物理、性能等信息，實際上是項目的動態(tài)模型，可以進行碰撞檢查，避免空間關(guān)系的沖突， 優(yōu)化資源設(shè)計， 減少項目可能存在的錯誤和返修，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時也可以比較好的預(yù)測項目成本［9］。本項目主要采用Tekla軟件對結(jié)構(gòu)進行配筋， 主要步驟：①將Revit三維模型以IFC格式導入到Tekla中，設(shè)計鋼筋參數(shù)，進行配筋；②進行碰撞檢測，及時進行配筋修改，該步驟不僅將配筋過程可視化，還簡化了繁瑣的配筋施工圖；③快速提取鋼筋施工料表，提出合理鋼筋計劃；④提供施工圖紙。

圖4 二維平面布置

圖5 閘底板結(jié)構(gòu)配筋

4 結(jié)語

BIM技術(shù)的應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了參數(shù)化精細設(shè)計建模、多專業(yè)錯漏碰檢查、工程量自動統(tǒng)計、三維配筋、二維出圖、 視覺傳達等多方位的專業(yè)性工作，還完成了以三維BIM模型為核心的數(shù)字化設(shè)計成果交付示范， 而其中的三維可視化、 參數(shù)關(guān)聯(lián)性及可溯源性、 信息共享性、 碰撞問題的預(yù)見性、 可出圖性等技術(shù)特點更提高了工作質(zhì)量與效率， 為工程提供更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計與咨詢服務(wù)。 本文以實際工程項目為例， 梳理水利工程鋼閘門設(shè)計到施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵信息點， 對在水利工程鋼閘門建設(shè)項目中推廣BIM的全面應(yīng)用及促進建設(shè)工程創(chuàng)新具有重要意義。