基于BIM技術的白鶴灘水電站泄洪洞弧形閘門支鉸及下支臂安裝施工模擬

王孝海，羅 剛，黃紀村，趙賀來，王 博

(1.中國三峽建工(集團)有限公司，四川成都610000；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024；3.華北水利水電大學水利學院，河南鄭州450046)

1 工程概況

白鶴灘水電站左岸共設3孔泄洪洞，在每孔泄洪洞進口設置1扇超大型橫向三支臂結構弧形工作閘門，用于水庫擋水、泄洪。閘門質(zhì)量720 t，孔口尺寸15 m×9.5 m，底檻高程770.00 m，總水壓力為122 300 kN，設計水頭58.00 m[1]。閘門安裝具有外形尺寸大、結構部件質(zhì)量大、進水塔工作門閘室封閉、空間狹小等特點，施工干擾多、難度大。

弧形閘門安裝的主要工序有天錨預埋、液壓提升裝置安裝、臺車組拼、支撐大梁安裝、門葉臥拼及吊裝、支鉸及下支臂安裝、上支臂安裝、門葉與支臂連接、支臂連接桿等，其中支鉸及下支臂安裝為弧形閘門安裝的關鍵工序，分為支鉸和下支臂拼裝、提升就位、微調(diào)對準、螺栓連接以及整體吊裝5道工序[2- 4]，施工干擾較多，測量控制、水平和垂直運輸手段的選擇及安裝順序的確定等均是支鉸及下支臂安裝的重點。因此，在創(chuàng)建閘門三維模型的基礎上，通過弧形閘門支鉸及下支臂安裝施工的精確化模擬，對吊裝工序的合理性及預設方案的可行性進行預判。通過支鉸及下支臂安裝碰撞檢查，可有效解決閘門安裝過程中可能遇到的施工干擾問題，優(yōu)化吊裝工序，確?；⌒伍l門安裝質(zhì)量及工期。

2 閘門三維模型創(chuàng)建

2.1 建模軟件的選擇

泄洪洞進口模型以及金屬結構使用Inventor軟件建模，樓梯等建筑相關結構使用Revit軟件建模，各種吊裝設備、軌道等施工臨時設施采用3ds max軟件建模，施工過程采用navisworks軟件進行模型拼裝、施工方案的精細化模擬，并在各個吊裝過程進行模型干擾及碰撞檢查。

2.2 模型創(chuàng)建基準

基本建模單位采用米，閘門相應結構建模單位采用毫米。項目的控制坐標原點為2號進水塔孔口底板中心點，該坐標系統(tǒng)是本項目所有模型創(chuàng)建的基礎控制點，是進行項目組合的基本對準約束條件，無論是inventor還是revit建模，其基礎坐標原點不變，坐標軸方向也保持一致。

2.3 閘門單體模型創(chuàng)建

閘門單體模型創(chuàng)建主要包括進水塔結構模型、弧形工作閘門模型及施工附屬設施模型。進水塔主體結構模型創(chuàng)建包含結構混凝土、回填混凝土、泄洪洞進口孔洞、事故檢修門槽、啟閉機室、工作閘門室、平壓通道及其附屬結構等。弧形工作閘門模型創(chuàng)建包括門葉、門槽、支臂及支鉸[5- 6]。

在主體模型的創(chuàng)建工作中，基于統(tǒng)一的控制坐標系統(tǒng)，模型尺寸根據(jù)設計圖紙1∶1創(chuàng)建。采用大體型結構體與孔洞布爾運算方式進行建模，其中涉及技術難度較大的進水口洞身建模，可以采用洞身縱剖面與橫剖面相結合的拉伸方式創(chuàng)建。建筑物主體結構模型如圖1所示。

圖1 建筑物主體結構模型

施工附屬設施模型創(chuàng)建包括液壓提升器、底板防護、大梁支架、大梁軌道、汽車吊、臨時支護、插筋及連接鋼筋、臺車、手拉葫蘆等[7- 8]。施工附屬設施模型主要進行空間碰撞檢查，在外部尺寸上達到相應要求即可，細部結構建模要求不高，因此采用3D max軟件進行創(chuàng)建。施工附屬設施模型如圖2所示。

圖2 施工附屬設施模型

2.4 閘門模型組合拼裝

進水塔模型的拼裝基于統(tǒng)一的基準在navisworks軟件中進行?；⌒喂ぷ鏖l門門葉、門槽、支臂、支鉸等模型均單體創(chuàng)建，拼裝統(tǒng)一采用inventor軟件，基于基準的坐標系統(tǒng)進行原點固定放置。工程整體模型的拼裝在navisworks軟件中進行，模型拼裝基于原點固定。施工附屬設施模型采用max創(chuàng)建，其模型拼裝基于相應參照模型。進水塔拼裝模型如圖3所示，弧形工作閘門拼裝模型如圖4所示，弧形工作閘門整體拼裝模型如圖5所示。

圖3 進水塔拼裝模型

圖4 弧形工作閘門拼裝模型

圖5 弧形工作閘門整體拼裝模型

3 安裝施工過程模擬及碰撞檢查

3.1 安裝施工過程模擬

基于BIM的虛擬施工技術體系流程如圖6所示。

圖6 基于BIM的虛擬施工體系流程

3.2 碰撞檢查

應用BIM可視化技術，施工設計人員在建造之前就可以對閘門安裝進行綜合碰撞檢查，模型碰撞信息采用“碰撞點”和“標識簽”進行有序標識，通過結構樹形式的“標識簽”可直接定位到碰撞位置。碰撞檢查可以優(yōu)化工程設計，減少在施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性。

4 支鉸及下支臂安裝施工過程模擬

支鉸及下支臂安裝施工模擬可分為支鉸及下支臂拼裝、提升就位、微調(diào)對準、螺栓連接以及整體安裝順序5個場景進行[9-11]。

4.1 支鉸及下支臂拼裝模擬

在起吊前，支鉸、下支臂、褲衩在支臂安裝位置下方完成組拼，組裝成一個整體。BIM模擬內(nèi)容為支鉸、下支臂、褲衩3個模型在空間上進行對位及組裝，支鉸及下支臂拼裝模擬如圖7所示。

圖7 支鉸及下支臂拼裝模擬

4.2 提升就位模擬

組合件采用792.5 m高程的200 t液壓提升設備和800 m高程的100 t液壓提升設備聯(lián)合提升就位，BIM模擬內(nèi)容為組合件模型空間位置的變換、液壓提升器細部構件的位置轉化及尺寸變化，工況1～3分別表示提升就位模擬過程中組合件的不同空間位置變化，如圖8所示。

圖8 提升就位模擬過程

4.3 微調(diào)對準模擬

提升到合適位置后，仍采用792.5 m高程的200 t液壓提升設備和800 m高程的100 t液壓提升設備聯(lián)合提拉保持平衡，同時采用手拉葫蘆進行微調(diào)，手拉葫蘆在支鉸固定位置的二期混凝土上下部錨點處受力。

微調(diào)對準方案一為上、下部手拉葫蘆均采用單根纜繩的方式進行微調(diào)，模擬如圖9所示；方案二為上部采用兩根纜繩、下部采用一根纜繩方式進行手拉葫蘆微調(diào)，模擬如圖10所示。BIM模擬內(nèi)容為組件BIM模型微調(diào)后與二期混凝土預留螺栓對準，液壓提升設備BIM模型細部位置變化，手拉葫蘆細部位置及尺寸變化。

圖9 微調(diào)對準方案一模擬

圖10 微調(diào)對準方案二模擬

4.4 螺栓連接安裝模擬

BIM模擬內(nèi)容為螺栓BIM模型的空間位置變換，螺栓連接安裝模擬示意如圖11所示。

圖11 螺栓連接安裝模擬

4.5 整體安裝順序模擬

支鉸、下支臂組合件安裝的順序為先兩側、后中間，BIM模擬內(nèi)容主要為另一邊側以及中間組合件的BIM模型空間的出現(xiàn)，工況1表示支鉸、下支臂組合件兩側安裝模擬，工況2表示支鉸、下支臂組合件中間安裝模擬，整體安裝順序模擬如圖12所示。

圖12 整體安裝順序模擬

5 支鉸及下支臂安裝碰撞檢查

5.1 施工干擾分析

支鉸及下支臂拼裝時門葉在高位，隧洞內(nèi)較為空曠，而支鉸、下支臂及褲衩拼裝施工干擾?。惶嵘臀粫r，空間內(nèi)僅有組件、792.5 m高程的200 t以及800 m高程的100 t液壓提升設備，相對施工空間充裕；螺栓連接為人工操作，沒有機械碰撞風險；整體安裝順序模擬為以上步驟的重復，因此以上4個安裝模擬節(jié)點施工干擾小，不需要進行BIM碰撞檢查；而在支鉸微調(diào)對準時，提拉設備較多，相對操作空間狹窄，需進行BIM碰撞檢查[12]。

5.2 支絞微調(diào)方案一

(1)支絞微調(diào)方案一碰撞檢查狀態(tài)(上、下部手拉葫蘆均采用單根纜繩的方式進行微調(diào)，且組件BIM模型與預留螺栓對準)如圖13所示。

圖13 支絞微調(diào)方案一碰撞檢查狀態(tài)

(2)碰撞檢查設置，本方案下進行下支臂組合(包括下支臂、褲衩、支絞)、底錨、液壓桿與啟閉機室結構、微調(diào)繩索是否存在碰撞。進行支絞微調(diào)方案一碰撞檢查，設置選擇A為底錨、下支臂組合以及液壓桿，設置選擇B為繩索、啟閉機室結構以及啟閉機室兩側臺階。

(3)碰撞檢查結果顯示，微調(diào)繩索與底錨發(fā)生1處碰撞，支絞微調(diào)方案一碰撞位置如圖14所示。

圖14 支絞微調(diào)方案一碰撞位置

5.3 支絞微調(diào)方案二

(1)支絞微調(diào)方案二碰撞檢查狀態(tài)(上部采用兩根纜繩、下部采用一根纜繩方式進行手拉葫蘆微調(diào))如圖15所示。

圖15 支絞微調(diào)方案二碰撞檢查狀態(tài)

(2)碰撞檢查設置：本方案下進行下支臂組合(包括下支臂、褲衩、支絞)、底錨、液壓桿與啟閉機室結構、微調(diào)繩索是否存在碰撞。進行支絞微調(diào)方案二碰撞檢查，設置選擇A為底錨、下支臂組合以及液壓桿，設置選擇B為微調(diào)繩索、啟閉機室結構以及啟閉機室兩側臺階。

(3)碰撞檢查結果顯示：支臂組合(包括下支臂、褲衩、支絞)、底錨、液壓桿與啟閉機室結構、微調(diào)繩索間無碰撞。

6 結 論

支鉸及下支臂安裝工序階段，微調(diào)對準原方案的牽引方案為采用支撐點位的上下部預埋錨點單線牽引微調(diào)；經(jīng)BIM碰撞檢查方案模擬，其上部牽引線將與792.5 m高程的200 t液壓提升設備底錨產(chǎn)生碰撞。經(jīng)方案優(yōu)化，上部采用雙牽引方案，在對準點位左右0.5 m設置預埋點，其微調(diào)過程將不再干擾，技術方案可行。

通過弧形閘門支鉸及下支臂安裝施工模擬和碰撞檢查，優(yōu)選確定了支鉸及下支臂安裝施工工藝：支鉸、下支臂及褲衩在支臂安裝位置下方完成組拼，并采用792.5 m高程的200 t液壓提升設備和800 m高程的100 t液壓提升設備聯(lián)合提升就位。提升到合適位置后，采用液壓提升設備與手拉葫蘆配合調(diào)整組合件高程，并在底部兩側用千斤頂調(diào)整鉸座平衡，實現(xiàn)組件與支承大梁上的預埋螺栓對位連接，然后從中心往兩端依次對稱完成螺栓的初擰和終擰。在支臂下端采用臨時支架固定，支架剛性連接于底檻鋼襯上。支鉸、下支臂組合件安裝的順序為先兩側、后中間。