基于BIM技术的螺山泵站主泵房三维配筋设计

解凌飞，李 德

（湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064）

1 概述

1.1 工程简介

在建的螺山泵站为Ⅱ等工程，泵站规模为大（2）型，主要建筑物（引水渠、主泵房、拦污栅、进水池、进水池翼墙等）级别为2级；次要建筑物（出水口挡土墙、出水池边坡护坡等）级别为3级，其他临时性建筑物级别为4级［1］。

螺山泵站主要建筑物由进、出水渠道、主泵房、安装间、副厂房、两岸连接建筑物、进出口翼墙等组成。安装间、副厂房布置在主泵房两侧。主泵房、安装间、副厂房平面上呈一字形排列。主泵房各部分主要尺寸：主泵房纵轴线长为6台机组间距加中、边墩，机组间距为9.8m，考虑机组台数多，故主泵房分为三联，两台机组一联，主泵房底板平面尺寸：顺水流向总宽为 35.3m，总长62.44m。

1.2 BIM设计平台简介

BIM技术涵盖了工程的设计、施工、管理、运维全生命周期，它摒弃了传统二维设计中资源不能共享、信息不能同步更新、参与方不能很好的相互协调、施工过程不能可视化模拟，检查与维护不能做到物理与信息的碰撞预测等问题。从二维CAD过渡到以BIM技术为核心的多种建筑三维CAD，将是未来计算机辅助建筑设计的发展趋势［2］。

在管理层的鼎力支持下，湖北水院自2011年开始着手调研水电三维设计，研究、比选了当今国内外常用的三维设计软件系统，从软件产品的行业适应性、技术性能、兼容性、开放性、知识重用性、协同设计性能、可开发性、易用性等方面进行了详实地比较，在2016年3月正式确定采用某工程建设行业三维系列软件组成三维协同设计主平台。成立了水电三维设计小组，开展三维设计研究与实践。目前已经基本完成了水电三维协同设计解决方案的研究工作，如图1所示。

结构形式复杂的水工建筑物，如电站厂房、泵房等均在某软件中建模，该软件能够以工程领域用户熟悉的二维操作方式和习惯，在二维草图的基础上，通过简单的拉伸、旋转、挖除、对称、镜像、倒角等操作及装配，完成复杂模型的三维设计。因此，只需经过简单的培训和适应，就能实现设计理念从二维向三维的顺利过渡，很大程度上降低了三维协同设计在企业推广应用的成本和风险。

2 基于BIM技术的螺山泵站主泵房三维模型

2.1 主泵房建模方法

泵站设计中最难、最重要、涉及相关专业最多并最具代表性的当属主泵房设计，主泵房设计的好坏决定了一个泵站的设计质量和水平。进行主泵房BIM三维设计时，主要根据上游专业即水机、电气、金属结构等专业提供的资料进行布置，当其相关专业尺寸发生变化时，水工专业因其外包混凝土结构是与上游专业提供的结构相关联约束的，而自动更新无需人为更改或只需更改外包混凝土的厚度（可修改参数值）即可达到目的。

螺山泵站主泵房平面尺寸为35.3m×62.44m，设计排水流量198m3／s，装机6台，总装机容量6×2200kW。根据 GB50265-2010《泵站设计规范》［4］，泵站属Ⅱ等大（2）型工程。

在确立了工程规模、扬程、建筑物外形和流道尺寸的基础上，即可开始三维建模，随之与机电金协同，外部资料积累的过程也是模型不断细化完善的过程。螺山泵房主泵房采用某软件建模，建模采用参数化草图驱动，自底向上孔洞挖除的方式进行，其中流道的建模经历从可研概念设计到技施阶段通过水机模型试验细化的过程，一些孔洞也是随着设备招标才最终确定。图2为螺山泵站主泵房三维结构视图及剖视图。

图1 水电三维协同设计解决方案

图2 螺山泵站主泵房三维视图

2.2 三维模型导入有限元软件

水工钢筋制图前首先要根据各部位的受力情况计算配筋量。以往的方法是在有限元软件中再建立模型（或者把建好的三维模型导入有限元软件中），但这种方法往往耗时较多（或没有相应的模型导入接口）。利用某软件集成的导入有限元软件插件可以较完美解决这一问题。用户在某软件中建好实体模型后可以直接通过该插件无损转入有限元软件中进行网格划分、施加边界条件和荷载、进行求解和后处理等。图3为某软件中螺山泵站主泵房通过插件导入有限元软件中生成有限元网格。

某软件中集成的导入有限元软件插件可以把水电三维协同设计和三维钢筋图设计有机结合起来，避免了另起炉灶在其它软件中进行有限元计算费时费力的问题，极大简化了设计流程，体现了高效、集约的设计思路。

图3 某软件模型导入有限元软件生成有限元网格

3 三维有限元配筋计算分析

3.1 计算范围与计算模型

以螺山泵站左侧边联主泵房为研究对象，采用线弹性有限元法［5］计算分析其位移、应力及配筋的规律，有限元网格如图3所示。

全部采用六面体等参单元模拟主泵房及基础岩体，整个有限元模型共有单元249986个，结点221321个，其中主泵房有单元204473个，结点191556个。

计算边界条件：基础的上、下游端面和左、右两侧按法向连杆模拟，底部三向约束，其它表面按力边界或自由边界考虑。

模型坐标系：X轴沿水平横河向，指向右岸为正；Y轴为水平顺河向，指向外江侧为正；Z轴为铅垂向，向上为正。

3.2 计算参数

（1）混凝土材料参数

螺山泵站结构混凝土强度等级为C25，电机层、水泵层、板梁柱混凝土强度等级为C30。根据SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》［6］，混凝土材料的基本力学参数见表1。

表1 混凝土基本力学参数

（2）钢筋材料参数

受力钢筋均采用Ⅲ级钢筋，根据SL191-2008，钢筋的基本力学参数如下：

①弹性模量Es＝2.0×105N／mm2；②钢筋强度设计值 fy＝fy′＝360N／mm2。

（3）基础力学参数

泵房建基面高程9.6～10.6m，基础座落在泥灰岩层上，强风化泥灰岩承载力特征值fak＝600kPa，可采用天然地基，其力学参数取值见表2。

表2 基础岩体力学参数表

（4）荷载

荷载及系数均按SL744-2016《水工建筑物荷载设计规范》及GB 50265-2010相关规定取值。主要荷载包含结构自重、静水压力、扬压力、土压力、浪压力、风压力、机电荷载及楼面荷载等。

3.3 有限元结果分析

（1）位移计算结果分析

在商务英语的翻译中，首先要遵循语言通顺的原则，也就是说翻译完的句子不能晦涩难懂、语句不顺畅，也不能生硬、让人费解。如Many of these fine products are in stock ready for your order这句话，就不能生硬地翻译成“优质货物已在仓库里准备好，为了你来订购”，而应遵从语言习惯译为“欢迎订购”。其次要遵循专业性原则，毕竟是为商务活动和国际贸易服务，因此必须使用规范术语，如This Agreement is made by Su应该采用Agreement在商务英语中“协议”的意思。

整理出各种计算工况螺山泵站主泵房整体三向位移区间见表3。整体变形呈现出下沉并向右岸及向内湖侧移动的趋势。完建工况时主泵房横水流X向位移最大，主泵房靠近外江侧顶部最大横水流X向位移为14.7mm（向右岸），主要由于土压力及基础不均匀变形所致。校核运用工况时主泵房顺水流Y向位移最大，外江侧顶部最大顺水流向位移为-8.9mm（向上游），主要由于水土压力差所致。完建工况主泵房铅直Z向位移最大，最大铅直向位移为-17.6mm（下沉），出现在主泵房靠近内湖侧底板右侧，主要由于基础不均匀沉降及水土压力导致泵房结构倾斜所致。

就主泵房整体结构而言，主泵房各个方向位移分布连续均匀。螺山主泵房坐落在强风化泥灰岩上，计算得到的螺山泵站主泵房最大沉降量为17.6mm（完建工况），小于GB 50265-2010规定的150mm，横水流X向最大位移为14.7mm，小于20mm，相邻两联之间不会互相挤压，可见螺山泵站主泵房沉降在允许变形控制范围内。

表3 主泵房整体三向位移区间

（2）应力计算结果分析

表4 主泵房整体三向最大拉应力 单位：MPa

主泵房绝大部分区域以受压为主，拉应力较大的位置主要集中在底板、电机梁、边墙、隔墙等部位，其它位置的拉应力普遍在0.5MPa以下。表4为主泵房三向应力最大值汇总表。

主泵房水平向拉应力最大值均出现在底板，由于结构突变导致底板底面四个角点有较明显的局部应力集中现象，配筋时注意局部加强。除去各别应力集中区域外，水平横水流X向最大拉应力为1.07MPa，出现在完建工况底板底面；底板顶面最大X向拉应力出现在正常运行工况出口处空箱底板顶面处，为0.87MPa。水平顺水流Y向最大拉应力出现在完建工况出口段空箱底板顶面，为1.28MPa；底板底面Y向拉应力最大值也出现在完建工况，为1.20MPa。最大铅直向拉应力出现在完建工况边墙处，最大为2.22MPa。

（3）有限元应力配筋

根据三维有限元计算的混凝土应力结果，获得结构在弹性阶段的截面应力图形，用SL191-2008 12.2节的拉应力图法，如图4所示，分别计算结构各部位的配筋面积。拉应力图形法配筋下式计算。

表5 主泵房底板配筋表

图4 按弹性应力图形配筋

式中，K—承载力安全系数，本文取1.2；T—由钢筋承担的拉力设计值，由有限元计算得到；fy—钢筋抗拉强度设计值，取为360N／mm2；As—钢筋截面面积。

用式（1）计算时，当弹性应力图形的受拉区高度大于结构截面的2／3时，不考虑混凝土的抗拉强度，即T＝0；当弹性应力图形的受拉区高度小于结构截面的2／3且混凝土的最大拉应力小于0.45ft＝0.57MPa时，考虑混凝土的抗拉强度，仅按构造配筋。

根据主泵房应力计算结果，对主泵房的主要受拉部位-底板、电机梁、水轮机层上下游梁、水轮机平台、边墙和隔墙等进行配筋，表5给出了螺山泵站主泵房底板的配筋量。应力较小的部位按照构造配筋，构造配筋的最小配筋率及配筋面积应按SL191-2008 9.5节规定取值计算，计算时注意计算截面尺寸的选取，结构较厚部位按最小配筋率计算得到的配筋面积也有可能较大。

考虑到底板尺寸较大，受温控及基础不均匀沉降的影响，建议适当增大其配筋面积。底板、边墙、隔墙等构件遇到孔洞时应局部加粗、加密钢筋。

4 基于有限元应力的三维配筋设计

如何在三维模型、结构分析基础上，快速配筋及出图成为目前急需解决的问题，某平台的Revit目前配筋功能主要限制在板梁柱等规则标准件，对水工大体积异形体配筋功能很弱，需要进行二次开发，对中小设计院来说难度较大；软件只有结构出图、无钢筋出图功能，因而需要借助专业配筋软件来解决。独立平台开发的《水工三维配筋软件》较好地解决此问题。该软件可以导入其它三维软件建立的.sat格式文件，用户通过在三维结构上创建钢筋模型，经过切取剖面，自动生成钢筋详图和信息表，满足施工详图阶段钢筋图的供图。其具有以下特色：

（1）能以.sat格式导入模型，避免三维模型的重复建模。

（2）三维可视化配筋。直观地在立体模型上布设钢筋、定义剖面，并全自动生成剖面图和信息表。

图6 螺山泵站主泵房底板配筋二维出图

图5 螺山泵站主泵房底板三维配筋

（3）三维重用。当模型结构发生了修改时，不影响原来已布设的钢筋，只需修改因结构变动而需改变的钢筋。

（4）二维重用。在对二维图作了编辑调整后，若因设计修改而需要在三维中修改钢筋，原二维图已作过的编辑调整位置可以被记录，避免了重复劳动。

（5）吸取了最新的开发技术，支持动态切面、回退、对象修改、自定义实体、无干涉布局等，使整个软件性能达到了工程实用化水平。

（6）设计人员自主开发，概念清晰，操作简单，符合设计习惯。

（7）界面清新、简洁、友好，简单易学，设计人员通过短期的培训和练习，就可以熟练掌握。

基于有限元应力配筋结果在《水工三维配筋软件》中生成的主泵房底板三维配筋及自动二维出图如图5、6所示。通过实际应用，《水工三维配筋软件》能够快速准确地对结构进行配筋，减少因人为进行配筋、编号、计算钢筋量、制作材料表等这些繁重工作所耗费的大量人力物力，减轻劳动强度，缩短设计周期，减少了大量低层次的劳动，降低综合成本，并且由于是在三维模型中直接配筋，能够直观、准确地辨识结构中的拐角、隐蔽部位，无缺漏的对其进行配筋，避免漏筋，提高了设计图纸质量，另外因其建筑物结构是调用某软件中的模型，能促进三维协同设计环境的建立，提高设计管理水平与连贯性。

5 结语

本文通过BIM技术实现了三维建模、计算仿真、三维配筋及出图的一整套设计流程，获得了一些有益的经验。

（1）BIM技术所见即所得，可减少传统2D图纸不能完全表现设计人员的设计意图，同时可能存在结构碰撞［7］，因而使得指导施工不准确所引起的返工，避免不必要的经济损失。参数化草图结合外部链接excel表，可以快速的创建复杂的水工模型，并且为同类工程提供了借鉴。

（2）在螺山泵站的BIM设计过程中，水工专业通过对相关软件的深入研究，实现了三维建模、分析和配筋出图一体化。采用某软件进行三维设计建模，模型经有限元软件软件计算分析，计算结果和模型数据导入《水工三维配筋软件》进行配筋，配筋结果可以直接转化为二维CAD图纸。通过三维设计的方式，一次建模，由一套模型数据完成设计、分析和配筋的所有工作。螺山泵站的现阶段全套钢筋图均由上述流程完成，图纸成果得到业主和施工方的认可。

（3）运用BIM技术可以高效的完成设计、施工、运维全生命周期管理，特别是技施阶段，主泵房各层各专业的管道设备众多，通过BIM各专业协同，可以有效、及时的发现问题，高效的解决问题以及提高施工蓝图的设计效率。

（4）比起传统的二维设计人员，BIM人才相对较少，探索出一套适应中国国情的、可持续发展的BIM，是我们首要解决的问题。

［1］宾洪祥，姚晓敏，等.湖北省螺山泵站增容工程初步设计研究报告［R］.湖北省水利水电规划勘测设计院，2017.

［2］何关培，等.BIM总论［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［3］胡仁喜，刘昌丽，等.2015 AutodeskⓇ InventorⓇ 中文版实操实练 ［M］.北京：电子工业出版社，2015.

［4］GB 50265-2010.泵站设计规范［S］.

［5］朱伯芳.有限单元法原理与应用（第二版）［M］.中国水利水电出版社，1998.

［6］SL191-2008.水工混凝土结构设计规范［S］.

［7］李德，宾洪祥，黄桂林.水利水电工程BIM应用价值和企业推广思考［J］.水利水电技术，2016，47（08）：40-43.

［8］毛拥政，补舒棋，付登辉，等.BIM技术在引汉济渭工程三河口水利枢纽勘察设计中的应用［J］.水利规划与设计，2017（09）：158-161.