基于BIM技術的泵站進出水流道異形漸變結構施工方法

尚琦智 高 艷 劉文濤

(江蘇淮陰水利建設有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 前 言

近年來，江蘇省及周邊范圍內興建了多座大型泵站或樞紐工程，隨著工程單體量以及泵站單機流量不斷增大，泵站進出水流道的結構也越發復雜多變。目前，泵站進出水流道異形結構多為大尺寸異形漸變截面，無法從傳統CAD圖紙中準確描述該流道的結構型式和位置，使其立體空間定位與施工均存在較大難度，增加了施工難度，影響了質量[1]。部分學者基于BIM技術開展了一些工程施工技術的研究，但未在水利工程異形結構設計與施工中得到應用[2-14]。為此，依托南通市通呂運河閘泵工程，結合BIM與3D打印技術，打印出泵站進出水口異形結構模板，完成泵站進出水口異形構件的制作，并總結基于BIM技術的泵站進出口流道結構施工技術。

2 泵站流道異形結構施工

2.1 施工工藝流程

基于BIM+3D打印技術的泵站異形結構施工主要是通過BIM建模技術[15-17]，精準進行BIM三維建模和泵站異形結構模板的分塊設計、加工及安裝的技術參數控制。其具體施工流程為：首先依據審核確認的施工圖，基于BIM建模技術構建泵站流道異形結構模型以及定型組合式鋼模板總體結構模型；然后再利用BIM技術模擬鋼模板結構拆分及組裝，為其分塊加工提供精細準確的三維設計圖和加工技術參數，加工便于運輸及拼裝的組合式鋼模板；接著進行現場鋼模板拼裝及支撐加固，并利用3D打印模型以及相關技術參數對異形結構部位模板及支撐體系現場拼裝進行精確放樣，保證泵站異形結構部位三維立體定位及斷面結構尺寸；最后澆筑泵站流道層混凝土，完成異形結構施工。

2.2 泵站流道異形結構三維模型的建立

圖1給出了BIM三維可視化施工模型，該模型主要是通過提取圖2所示的泵站流道異形結構二維設計施工圖數據建立的。在建立結構及模板三維模型時，需與業主方、設計方溝通確認泵站流道異形結構施工圖設計和各結構參數有無偏差，確定CAD圖紙的準確性。之后，在模型上任意提取坐標點與CAD圖進行對比，確保每個點準確無誤。最后，為便于泵站流道異形結構施工，可再利用3D打印技術打印出如圖3所示的異形結構流道模型。

圖1 泵站流道BIM模型

圖2 二維坐標體系下總體流道截面 (單位：mm)

圖3 3D打印流道模型

2.3 泵站異形結構定型組合式鋼模板設計及模擬拼裝

定型組合式鋼模板設計，可根據泵站流道異形結構模型及其與模板接觸面的詳細參數進行，利用BIM建模技術構建定型組合式鋼模板總體結構模型。需要注意的是，該模型構建時需既保證模板整體曲面的造型，也相應進行模板支撐體系設計以保證施工時架體的整體安全性。

通過應用BIM技術進行定型組合鋼模板整體虛擬拼裝(見圖4)和拆分，尋求最優化的模板分塊(見圖5)加工、拼裝方案，模板分塊原則需考慮單塊模板以便于現場吊裝和安放，同時還應與整體模板曲面體系相協調，盡量不在模板曲面異形處分縫以免模板安裝時因拼縫誤差造成異形結構整體順直度較差，與此同時模板分塊還需考慮后方支撐體系的相互銜接及整體穩定性。

圖4 泵站流道異形結構組合鋼模板

圖5 泵站流道異形結構組合鋼模板分塊模型

通過基于BIM與3D打印技術的模板精確對照技術參數可加工出便于運輸及拼裝的定型組合式鋼模板，運至施工現場進行鋼模板拼裝及支撐加固，并依托相關技術參數，對現場異形結構部位模板及支撐體系現場拼裝、精確放樣，從而有效保證泵站異形結構部位三維立體定位及斷面結構尺寸。

2.4 泵站流道異形結構組合式鋼模板工廠加工及現場拼裝

泵站流道異形結構組合式鋼模板(見圖6)加工需嚴格按照BIM建模技術進行虛擬拼裝及相關驗算后得出的模板分塊加工設計參數進行。鋼模板尺寸、平整度、接縫等技術指標的質量驗收標準需嚴格按照國家有關的鋼板驗收規范(JYJ 041—2000)來執行。對于曲面鋼模板，需做好樣架后由工程技術人員及監理工程師進一步驗收確認參數無誤后方可進行模板面板鋪設，整體組合式鋼模板加工完成后需在工廠內先進行試拼裝并由工程技術人員進行檢驗，模板結構尺寸及曲面參數均符合驗收要求后方可出廠運往施工現場。

圖6 泵站流道異形結構組合鋼模板

組合鋼模板進入施工現場后，需嚴格按照模板設計參數和加工分塊等參數進場驗收，對模板在運輸過程中是否出現碰撞變形或損壞進行逐一排查，滿足要求后方可卸貨。卸貨時嚴格按分塊編號及安裝順序要求分類堆放，并由專人進行統計、看管。安裝時依托BIM模型和相關技術參數，對現場異形結構部位模板及支撐體系現場拼裝、精確放樣，由工程技術人員嚴格按照組合鋼模板分塊編號及安裝順序要求進行安裝，并及時加固模板支撐體系，模板及支撐體系安裝加固完成后組織驗收，驗收合格后方可進行下道工序施工。

2.5 澆筑泵站流道層混凝土

現場泵站流道異形結構組合鋼模板安裝加固完成并經監理工程師驗收后，進行泵站流道整體混凝土澆筑(見圖7)，完成泵站流道異形結構混凝土施工。流道混凝土澆筑施工需連續均衡上升，全斷面分層澆筑，分層厚度為30cm左右，澆筑過程中加強混凝土原材料質量控制和振搗質量控制，注意不可將振搗棒直接接觸組合鋼模板表面，以避免造成拼縫或支撐體系松動變形，澆筑過程中模板工全程值班巡查，確保模板及支撐體系安全穩定無超規范變形，混凝土澆筑完成后及時進行養護，避免因內外溫差過大造成混凝土結構裂縫，混凝土強度需滿足規范要求的拆模強度后方可進行模板拆除(見圖8)。

圖7 泵站流道層混凝土澆筑

圖8 泵站流道異形結構組合鋼模板拆除

模板拆除時需確保混凝土強度滿足規范要求，需避免對混凝土結構表面造成破壞，拆模完成后及時對泵站流道異形結構實體按規范進行施工質量檢測(見圖9)，主要包括結構斷面尺寸、表面平整度、外觀質量等，滿足條件后及時進行施工質量評定，最后對應用過程和效果進行總結，及時總結經驗教訓，以便于在后續類似工程施工中不斷完善施工工藝，提高施工工效及施工質量標準。

圖9 泵站流道異形結構拆模后檢測

3 工程實例

通呂運河水利樞紐工程位于南通市通呂運河靠近長江口門處，為新建閘站樞紐，由1座抽水泵站和10孔節制閘組成，泵站工程單向引水設計流量為100m3/s，站身為堤身式塊基型結構，采用三臺套豎井貫流泵機組，單機流量33.3m3/s，水泵葉輪直徑3.3m，安裝高程-4.8m(廢黃河高程系，下同)，配套電機功率1600kW，總裝機容量4800kW，水泵與電機采用齒輪箱連接。泵站采用豎井雙側進水，平直管出水流道，進水側設擋洪門一道，并在擋洪門前設置安全隔柵。出水流道末端設快速工作閘門(帶小拍門)、事故閘門(兼檢修門)各一道，配液壓啟閉機啟閉，工作門布置在內側，事故門布置在外側。為滿足豎井內設備和流道布置要求，機組中心距取用10.0m。進水流道入口斷面8.8m×4.9m，出水流道出口斷面8.0m×4.9m。站身采用一塊底板(3臺泵+空箱)，站身總寬38.92m(與節制閘連接段總寬37.7m)，順水流向長38.8m。

泵站進出水流道異形結構施工采用基于BIM+3D打印技術的泵站異形結構施工方法，針對泵站異形結構施工特點，利用BIM+3D打印技術，進行鋼模板的總體模型設計、拆分及拼裝模擬、組合模塊編號及詳細參數精確控制，指導鋼模板精細加工及現場拼裝等，并利用3D打印模型進行直觀的技術交底，有效提高了現場施工效率和施工質量水平，且該方法技術先進、設備及工序原理簡單、操作方便、節約成本、保證質量與安全、施工效率高、施工效果滿足規范和設計要求，方法應用效果良好。該工程于2018年10月29日開工建設，2020年6月30日順利通過完工驗收。

通過采用上述方法對通呂運河樞紐泵站流道異形結構進行施工，取得了如下一些效益：

利用BIM建模技術指導泵站流道異形結構鋼模板工廠化精細加工及現場快速拼裝，能夠有效解決傳統施工工藝存在的工期長、施工控制精度差等不足，且能夠減少現場配模工作量，提高施工效率，有效縮短工期，經測算對比傳統磚模或木模施工可節約工期約50%，同時本方法可有效提高泵站異形結構施工精度，保證施工質量，具有較明顯的工期效益和質量效益。

利用鋼結構作為模板及支撐材料，其在工廠加工完成后運至現場作業面能夠快速高效拼裝完成，避免現場加工模板造成污染，且施工完成后模板及支撐材料均可進行回收或再利用，相比傳統木模或磚模施工工藝，具有較好的環保效益。

現場施工僅為定型鋼模板拼裝，并且已在工廠完成過試拼裝，現場各工序流程簡單，作業環境較好，沒有二次加工以及現場大功率用電等較易發生危險的作業，安全隱患較小，安全效益也較為明顯。

采用基于BIM+3D打印技術的泵站異形結構施工方法，可節約施工成本約56%，且能夠縮短工期50%，該工藝在通呂運河水利樞紐工程泵站進出水流道施工中得到推廣應用，縮短了工期，取得了較好的經濟效益。該工藝與傳統施工工藝經濟效益對比分析見表1。

表1 經濟效益綜合分析對比

與其他類型的施工方法相比，BIM技術的應用可實現施工全過程三維可視化模擬，對于施工技術交底更直觀、更明確，能更好地適用于泵站流道異形結構等復雜形體的施工。本方法的應用不僅能降低工程造價、縮短施工工期、提高質量與安全保障，還對現代化水利施工和智慧水利建設的推進有著重要意義。推廣基于BIM+3D打印技術的泵站異形結構施工方法，能夠有效解決現代化水利工程建設中設計與施工脫節的問題，也是現代科學技術與現代化水利工程建設完美結合的必由之路，其經濟和社會效益十分顯著，綜合效益明顯。

4 結 論

基于BIM技術的泵站進出水流道異形漸變結構施工方法，可解決流道結構型式和位置的確定問題，能減小立體空間定位與施工難度，保障施工進度與質量。但未考慮從業人員的業務水平，今后研究還要考量施工人員的工作能力，以增強異形結構施工的精準性。