BIM技術在界牌水利樞紐金屬結構設計中的應用

鄭 瓛，陳 龍，邸南思，魏 珉

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

建筑信息模型［1-3］（Building Information Modeling，BIM）自2002年被引入國內工程建設行業至今已有十余年歷程。該技術是在計算機輔助設計（CAD）等技術上發展起來的多維建筑模型信息集成管理技術。

BIM具有三大特點：①三維的參數化：設施（建筑物）物理和功能特性的數字表達，可以包括幾何、空間、量等物理信息，還包括空間的能耗信息，設備的使用說明等功能性信息；②交互的智能化：設施（建筑物）信息的共享知識資源，可以在不同專業，不同利益相關方等之間進行信息的傳遞與共享［4］；③支持的階段化：為該設施從概念到施工［5］乃至拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據與信息。

基于我院對BIM技術應用研究探索工作，將界牌水利樞紐工程做為典型的BIM示范項目之一，各專業采取協同模式進行，本文就金屬結構專業的BIM技術應用點及實時應用情況進行介紹。

1 工程實施介紹

1.1 界牌水利樞紐

界牌水利樞紐模型圖如圖1、2所示，其位于新孟河與長江的交匯處，是新孟河延伸拓浚工程中重要的干河控制建筑物，也是新孟河延伸拓浚工程重要的引、排水口門，工程由位于新孟河上的泵站、節制閘、船閘及位于浦河上的浦河閘組成，外河側均為長江，內河側為新孟河或浦河，其主要功能是防洪、排澇、通航以及通過引（排）水來改善新孟河、浦河以及沿線的水環境。

泵站總規模為300m3／s，節制閘閘孔總凈寬為80.0m，船閘部分孔口凈寬為16.0m，溝通長江、新孟河之間的通航。金屬結構設備主要分布在樞紐工程的泵站、節制閘、船閘、浦河閘四部分的水工建筑物中。

圖1 界牌樞紐效果圖

1.2 BIM 軟件配置［6］

本BIM應用實施過程，以Bently公司的協同平臺ProjectWise Explorer為協同工作平臺，以AECO-sim Building Designer（以下簡稱ABD）為模型匯總平臺；達索系統（DassaultSystemes S.A）下SolidWorks為金屬結構實現參數化設計工程圖繪制專業建模軟件；以.skp格式為中間格式，實現ABD中.dgn格式與Autodesk 3dmax、Lumion之間格式轉換。

圖2 界牌樞紐BIM模型整體拼裝

1.3 專業人員配置

本工程BIM設計階段，金屬結構專業共配置4名技術人員，其中工程師2名，助理工程師2名。前期金屬結構建模人員一名，利用已建成參數化模型，參數化設備庫進行快速建模。Project Wise協同人員一名，負責總拼裝本專業模型，參考引用其他專業模型實現模型整體拼裝，碰撞檢查并反饋。Autodesk 3dmax、Google Sketch Up、Lumion軟件仿真及實景建模貼圖人員2名，進行閘門施工安裝仿真、船閘運行仿真等具體應用工作。

2 BIM技術的應用概述

2.1 前期規劃

利用BIM軟件平臺結合項目工程需求，可以迅速制定可行性方案，由于在設計積累過程中各類金屬結構設備已實現參數化建模，在規劃專業確定場址、水工專業確定高程、孔口等基本資料后即可快速生成前期模型。將項目的整體布置概念化的展現出來，并能快速提取工程量信息，精確估算建設費用，方便掌握工程投資總額。隨著BIM模型的建立，不同方案場址的經濟、社會和環境評價可直觀呈現，為工程方案的決策提供很好的支撐。

2.2 設計階段

BIM在設計過程中的應用內容主要包括：BIM模型參數化構建、專業內干涉檢查、專業間碰撞檢查、有限元輔助計算、虛擬仿真、實景漫游、工程圖繪制等。與其他階段對比參數化設計的實現和模型信息的建立、圖紙與BIM模型的關聯性，大大提高了設計的效率，使設計過程中的局部尺寸結構調整帶來的圖紙更新變得方便快捷。同時，通過與水工、電氣、建筑等不同專業之間設計文件的共享協同，使用Bentley Navigator軟件可視化查詢使得方案設計直觀呈現，不同專業之間碰撞檢查，使用機器掃描提高了設計誤差的檢出精度和效率。此外，SolidWorks軟件中的模型與ANSYS實現單向無縫接口，可將模型整體導入至數值計算軟件中，可以對閘門的梁系，支撐等部件準確的利用實際結構進行應力計算。

2.3 施工階段

施工階段BIM的應用主要體現在利用可視化計算深化施工組織設計、施工方案模擬、施工過程指導動畫以及現場施工設備通過性檢查。BIM軟件平臺提供了可以與Project橫道圖相關聯的施工進度模擬，可以根據施工期的排布直接利用可視化模型展示施工進度。

大型水利工程施工主要是以工程機械施工為主，在大中型水閘泵站的施工過程中主要應用到汽車吊，平板運輸車輛、千斤頂以及腳手架等施工輔助設備。在BIM技術被引用到施工管理之前，工程現場的施工管理各工作面之間的協調往往需要施工管理專業人員具備極高的現場經驗和組織協調能力。現場工程機械諸如平板車的通過性，汽車吊的就位位置等需要通過平面圖來繪制得出。但將BIM模型導入到3dmax動畫制作軟件中，可以對復雜吊裝場景進行動畫仿真，工程機械的就位位置，吊裝方案的可行性與否可直觀表達。

2.4 運行維護階段

BIM軟件平臺利用協同管理手段，已有效的整合了工程從設計規劃到施工建設過程中各個階段的信息，并實現了模型信息的有效附著，信息編碼技術的應用使得信息的管理更加有效。在工程建成到投入使用前，這些整合信息應整體移交給相應的管理單位。在泵閘的運行過程中，BIM模型提供了不同工況下的運行狀態，為泵閘工程引排水、船閘調度，船只通行等提供指導。BIM模型在運行管理過程中，同樣需要進行更新和維護。

工程運行達一定年限時，工程需要大修或者重建，紙質材料經過長期時期的封存往往殘缺不全或者無法有效的進行查詢，但通過BIM技術整合的成果是可以有效的進行保存設計數據、施工數據，便于直接抽調維護工程量計算造價。

3 界牌樞紐實例應用

3.1 設計階段碰撞檢查

在設計階段金屬結構設備以及其他各專業模型統一上傳至Project wise標準格式文件夾內，各專業在設計過程可將相關專業模型參考至本專業模型中進行碰撞檢測。以此發現設計中的漏洞，提高設計質量。

利用Bentley Navigator軟件，將各專業BIM模型參考引用后，可以實現自身及專業之間的模型碰撞自動檢測，并整理成碰撞點列表供校審人員查閱，同時提供了標注工具直接標注碰撞內容以及處理方案，如圖3、4所示。

圖3 泵站閘門側輪與二期混凝土干涉現象

圖4 清污機與閘墩干涉現象

3.2 設計階段施工圖繪制及工程量統計

利用參數化模型直接進行二維圖切圖操作，同時進行標注等，形成達到施工圖深度的二維圖紙，這個過程中難點集中在材料表統計與尺寸標注上。而SolidWorks工程圖功能能夠很好的抽取閘門各個組件尺寸、材質、重量等統計特性，并按照自定義的材料表格式輸出到工程圖中，如圖5、6所示。

3.3 參數化設計模型

自2012年至今金屬結構的三維設計應用中，實踐了三種不同方案的建模過程：①利用尺寸配置功能集合excel表格建立數據表自動生成零部件，如圖7所示；②利用方程式驅動模型，建立以用戶自定義屬性來驅動原始模型建立新模型；③通過二次開發接口API，實現設計計算建模一體的DLL插件模式，如圖8所示。

圖5 船閘工作閘門三維工程圖

圖6 懸臂輪三維工程圖

圖7 參數化卷揚機模型

3.4 ANSYS輔助受力分析

在SolidWorks建模軟件中形成的三維模型，可以快速導入到ANSYS中進行實體模型分析，如圖9、10所示，避免了二次建模的工作量，需要指出的是經典模式下的ANSYS命令流建模也可以實現參數化建模，但對于閘門模型中大量的加強筋、構造孔建立時需要耗費大量時間。雖然實體模型導入到ANSYS計算［7］與經典模式下的計算有一定的出入，但筆者認為實體模型更接近實際情況的分析，隨著計算機軟件和硬件技術的不斷更新和發展，從提升設計效率方面考慮，該方法值得推廣應用。

圖8 基于API技術的側輪建模界面

圖9 Φ1000輪導入ANSYS網格劃分

圖10 Φ1000輪位移變形結果

3.5 施工進度模擬施工動畫仿真

根據節制閘、船閘施工條件及運輸尺寸，我們選擇150t輪式汽車吊2臺作為施工輔助機械。另外，配置型鋼三腳架4臺，移動式標準腳手架4臺，以滿足節制閘及船閘安裝施工需要。相應的利用3dmax動畫制作技術，模擬閘門吊裝，支撐輪裝配，水封裝配及啟閉機吊裝等過程的動畫模擬，如圖11所示。

圖11 節制閘門葉吊裝3dmax場景

3.6 船閘運行調度仿真

本工程設置有雙向一級船閘，船閘工作閘門為長江側16.0m×10.4m（寬×高），新孟河側16.0m×9.1m（寬×高）兩扇升臥式平板鋼閘門。在工作閘門兩側各設置2條充水廊道，供船閘充排水使用。在本次BIM應用中，將DGN格式文件以真實尺寸導入3dmax中，如圖12、13所示，加以材質黏貼燈光等各種后期效果模擬仿真了小型船只通過船閘時的全過程。

圖12 船閘3dmax景

圖13 過船仿真動畫

4 BIM技術應用待解決的困難

4.1 成本問題

BIM技術的推廣過程中必須要對設計工具進行更新，各設計部門人員間的工作模式也發生了極大的改變。帶來了軟硬件成本、員工培訓成本、技術積累等各方面的成本增加。

4.2 設計人員的現狀

現階段，設計人員的成本便是時間和經驗積累的成果化。一名成熟的設計人員往往具有十多年以上設計經驗，在應用上更傾向于成熟的二維平面設計，在技術積累上已趨于完善。向BIM技術應用學習轉化的過程中缺乏積極性和動力。

4.3 技術完善程度

BIM工具的專業設計功能不夠完善，技術服務提供商的技術支持不能及時到位，在設計過程中的表現是軟件平臺不能滿足功能需求，設計者退回到二維設計流程用以往經驗解決相似問題。

BIM軟件之間的兼容性：在本次界牌樞紐金屬結構 BIM應用過程中，除 SolidWorks向 ANSYS Workbench的單向導入為協議無縫鏈接外，其余軟件平臺之間的交互都存在著利用中間格式保留部分信息的問題：①模型導入導出時材質配色丟失；②模型由某些專用軟件實現參數化建立，參數化約束及關聯方程式丟失；以上這些都為BIM軟件的應用帶來了次生工作量，有時甚至造成重復建模的問題。

4.4 標準和業主需求

目前BIM應用的標準及法律法規尚不完善，BIM技術是否在某個工程實施過程中應用并不具備強制性要求，業主需求力不大。沒有市場需求和法律法規的保障，BIM成果如何轉化為有效的市場需求還亟待探索。

5 結語

BIM技術在界牌水利樞紐金屬結構設計中的應用，從設計前期、模型建立、施工圖繪制及成果展示等各個方面發掘了BIM技術的應用點。與傳統設計過程比較可以發現，BIM技術下的設計及成果展示方面，更加準確直觀，既可以全局的展示宏觀效果，也可以利用模型進行零件施工圖出圖工作，是一種有效的工程設計技術。

目前在水利水電工程中，BIM技術應用尚處于引進探索階段，各部門設計人員對于BIM技術的掌握程度還存在較大的個體差異，需要在工程的設計建設過程中進行實踐和探索。

［1］EASTMAN T，TEICHOLZ P，SACKS P，et al.BIM Handbook：A Guide to Building Information Modeling for Owners，Managers，Designers，Engineers and Contractors［M］.New York：John Wiley＆Sons Inc，2011.

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［3］孫斌.BIM技術的現狀和發展趨勢［J］.水利規劃與設計，2017（03）：13-14.

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［6］何關培.BIM和BIM相關軟件［J］.土木建筑工程信息技術，2010（04）：110-117.

［7］馬飛，馬兆會，李永春.基于ANSYS的孟家閘閘室穩定有限元分析［J］.水利規劃與設計，2013（11）：54-55.