BIM技术在界牌水利枢纽金属结构设计中的应用

郑 瓛，陈 龙，邸南思，魏 珉

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

建筑信息模型［1-3］（Building Information Modeling，BIM）自2002年被引入国内工程建设行业至今已有十余年历程。该技术是在计算机辅助设计（CAD）等技术上发展起来的多维建筑模型信息集成管理技术。

BIM具有三大特点：①三维的参数化：设施（建筑物）物理和功能特性的数字表达，可以包括几何、空间、量等物理信息，还包括空间的能耗信息，设备的使用说明等功能性信息；②交互的智能化：设施（建筑物）信息的共享知识资源，可以在不同专业，不同利益相关方等之间进行信息的传递与共享［4］；③支持的阶段化：为该设施从概念到施工［5］乃至拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据与信息。

基于我院对BIM技术应用研究探索工作，将界牌水利枢纽工程做为典型的BIM示范项目之一，各专业采取协同模式进行，本文就金属结构专业的BIM技术应用点及实时应用情况进行介绍。

1 工程实施介绍

1.1 界牌水利枢纽

界牌水利枢纽模型图如图1、2所示，其位于新孟河与长江的交汇处，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、排水口门，工程由位于新孟河上的泵站、节制闸、船闸及位于浦河上的浦河闸组成，外河侧均为长江，内河侧为新孟河或浦河，其主要功能是防洪、排涝、通航以及通过引（排）水来改善新孟河、浦河以及沿线的水环境。

泵站总规模为300m3／s，节制闸闸孔总净宽为80.0m，船闸部分孔口净宽为16.0m，沟通长江、新孟河之间的通航。金属结构设备主要分布在枢纽工程的泵站、节制闸、船闸、浦河闸四部分的水工建筑物中。

图1 界牌枢纽效果图

1.2 BIM 软件配置［6］

本BIM应用实施过程，以Bently公司的协同平台ProjectWise Explorer为协同工作平台，以AECO-sim Building Designer（以下简称ABD）为模型汇总平台；达索系统（DassaultSystemes S.A）下SolidWorks为金属结构实现参数化设计工程图绘制专业建模软件；以.skp格式为中间格式，实现ABD中.dgn格式与Autodesk 3dmax、Lumion之间格式转换。

图2 界牌枢纽BIM模型整体拼装

1.3 专业人员配置

本工程BIM设计阶段，金属结构专业共配置4名技术人员，其中工程师2名，助理工程师2名。前期金属结构建模人员一名，利用已建成参数化模型，参数化设备库进行快速建模。Project Wise协同人员一名，负责总拼装本专业模型，参考引用其他专业模型实现模型整体拼装，碰撞检查并反馈。Autodesk 3dmax、Google Sketch Up、Lumion软件仿真及实景建模贴图人员2名，进行闸门施工安装仿真、船闸运行仿真等具体应用工作。

2 BIM技术的应用概述

2.1 前期规划

利用BIM软件平台结合项目工程需求，可以迅速制定可行性方案，由于在设计积累过程中各类金属结构设备已实现参数化建模，在规划专业确定场址、水工专业确定高程、孔口等基本资料后即可快速生成前期模型。将项目的整体布置概念化的展现出来，并能快速提取工程量信息，精确估算建设费用，方便掌握工程投资总额。随着BIM模型的建立，不同方案场址的经济、社会和环境评价可直观呈现，为工程方案的决策提供很好的支撑。

2.2 设计阶段

BIM在设计过程中的应用内容主要包括：BIM模型参数化构建、专业内干涉检查、专业间碰撞检查、有限元辅助计算、虚拟仿真、实景漫游、工程图绘制等。与其他阶段对比参数化设计的实现和模型信息的建立、图纸与BIM模型的关联性，大大提高了设计的效率，使设计过程中的局部尺寸结构调整带来的图纸更新变得方便快捷。同时，通过与水工、电气、建筑等不同专业之间设计文件的共享协同，使用Bentley Navigator软件可视化查询使得方案设计直观呈现，不同专业之间碰撞检查，使用机器扫描提高了设计误差的检出精度和效率。此外，SolidWorks软件中的模型与ANSYS实现单向无缝接口，可将模型整体导入至数值计算软件中，可以对闸门的梁系，支撑等部件准确的利用实际结构进行应力计算。

2.3 施工阶段

施工阶段BIM的应用主要体现在利用可视化计算深化施工组织设计、施工方案模拟、施工过程指导动画以及现场施工设备通过性检查。BIM软件平台提供了可以与Project横道图相关联的施工进度模拟，可以根据施工期的排布直接利用可视化模型展示施工进度。

大型水利工程施工主要是以工程机械施工为主，在大中型水闸泵站的施工过程中主要应用到汽车吊，平板运输车辆、千斤顶以及脚手架等施工辅助设备。在BIM技术被引用到施工管理之前，工程现场的施工管理各工作面之间的协调往往需要施工管理专业人员具备极高的现场经验和组织协调能力。现场工程机械诸如平板车的通过性，汽车吊的就位位置等需要通过平面图来绘制得出。但将BIM模型导入到3dmax动画制作软件中，可以对复杂吊装场景进行动画仿真，工程机械的就位位置，吊装方案的可行性与否可直观表达。

2.4 运行维护阶段

BIM软件平台利用协同管理手段，已有效的整合了工程从设计规划到施工建设过程中各个阶段的信息，并实现了模型信息的有效附着，信息编码技术的应用使得信息的管理更加有效。在工程建成到投入使用前，这些整合信息应整体移交给相应的管理单位。在泵闸的运行过程中，BIM模型提供了不同工况下的运行状态，为泵闸工程引排水、船闸调度，船只通行等提供指导。BIM模型在运行管理过程中，同样需要进行更新和维护。

工程运行达一定年限时，工程需要大修或者重建，纸质材料经过长期时期的封存往往残缺不全或者无法有效的进行查询，但通过BIM技术整合的成果是可以有效的进行保存设计数据、施工数据，便于直接抽调维护工程量计算造价。

3 界牌枢纽实例应用

3.1 设计阶段碰撞检查

在设计阶段金属结构设备以及其他各专业模型统一上传至Project wise标准格式文件夹内，各专业在设计过程可将相关专业模型参考至本专业模型中进行碰撞检测。以此发现设计中的漏洞，提高设计质量。

利用Bentley Navigator软件，将各专业BIM模型参考引用后，可以实现自身及专业之间的模型碰撞自动检测，并整理成碰撞点列表供校审人员查阅，同时提供了标注工具直接标注碰撞内容以及处理方案，如图3、4所示。

图3 泵站闸门侧轮与二期混凝土干涉现象

图4 清污机与闸墩干涉现象

3.2 设计阶段施工图绘制及工程量统计

利用参数化模型直接进行二维图切图操作，同时进行标注等，形成达到施工图深度的二维图纸，这个过程中难点集中在材料表统计与尺寸标注上。而SolidWorks工程图功能能够很好的抽取闸门各个组件尺寸、材质、重量等统计特性，并按照自定义的材料表格式输出到工程图中，如图5、6所示。

3.3 参数化设计模型

自2012年至今金属结构的三维设计应用中，实践了三种不同方案的建模过程：①利用尺寸配置功能集合excel表格建立数据表自动生成零部件，如图7所示；②利用方程式驱动模型，建立以用户自定义属性来驱动原始模型建立新模型；③通过二次开发接口API，实现设计计算建模一体的DLL插件模式，如图8所示。

图5 船闸工作闸门三维工程图

图6 悬臂轮三维工程图

图7 参数化卷扬机模型

3.4 ANSYS辅助受力分析

在SolidWorks建模软件中形成的三维模型，可以快速导入到ANSYS中进行实体模型分析，如图9、10所示，避免了二次建模的工作量，需要指出的是经典模式下的ANSYS命令流建模也可以实现参数化建模，但对于闸门模型中大量的加强筋、构造孔建立时需要耗费大量时间。虽然实体模型导入到ANSYS计算［7］与经典模式下的计算有一定的出入，但笔者认为实体模型更接近实际情况的分析，随着计算机软件和硬件技术的不断更新和发展，从提升设计效率方面考虑，该方法值得推广应用。

图8 基于API技术的侧轮建模界面

图9 Φ1000轮导入ANSYS网格划分

图10 Φ1000轮位移变形结果

3.5 施工进度模拟施工动画仿真

根据节制闸、船闸施工条件及运输尺寸，我们选择150t轮式汽车吊2台作为施工辅助机械。另外，配置型钢三脚架4台，移动式标准脚手架4台，以满足节制闸及船闸安装施工需要。相应的利用3dmax动画制作技术，模拟闸门吊装，支撑轮装配，水封装配及启闭机吊装等过程的动画模拟，如图11所示。

图11 节制闸门叶吊装3dmax场景

3.6 船闸运行调度仿真

本工程设置有双向一级船闸，船闸工作闸门为长江侧16.0m×10.4m（宽×高），新孟河侧16.0m×9.1m（宽×高）两扇升卧式平板钢闸门。在工作闸门两侧各设置2条充水廊道，供船闸充排水使用。在本次BIM应用中，将DGN格式文件以真实尺寸导入3dmax中，如图12、13所示，加以材质黏贴灯光等各种后期效果模拟仿真了小型船只通过船闸时的全过程。

图12 船闸3dmax景

图13 过船仿真动画

4 BIM技术应用待解决的困难

4.1 成本问题

BIM技术的推广过程中必须要对设计工具进行更新，各设计部门人员间的工作模式也发生了极大的改变。带来了软硬件成本、员工培训成本、技术积累等各方面的成本增加。

4.2 设计人员的现状

现阶段，设计人员的成本便是时间和经验积累的成果化。一名成熟的设计人员往往具有十多年以上设计经验，在应用上更倾向于成熟的二维平面设计，在技术积累上已趋于完善。向BIM技术应用学习转化的过程中缺乏积极性和动力。

4.3 技术完善程度

BIM工具的专业设计功能不够完善，技术服务提供商的技术支持不能及时到位，在设计过程中的表现是软件平台不能满足功能需求，设计者退回到二维设计流程用以往经验解决相似问题。

BIM软件之间的兼容性：在本次界牌枢纽金属结构 BIM应用过程中，除 SolidWorks向 ANSYS Workbench的单向导入为协议无缝链接外，其余软件平台之间的交互都存在着利用中间格式保留部分信息的问题：①模型导入导出时材质配色丢失；②模型由某些专用软件实现参数化建立，参数化约束及关联方程式丢失；以上这些都为BIM软件的应用带来了次生工作量，有时甚至造成重复建模的问题。

4.4 标准和业主需求

目前BIM应用的标准及法律法规尚不完善，BIM技术是否在某个工程实施过程中应用并不具备强制性要求，业主需求力不大。没有市场需求和法律法规的保障，BIM成果如何转化为有效的市场需求还亟待探索。

5 结语

BIM技术在界牌水利枢纽金属结构设计中的应用，从设计前期、模型建立、施工图绘制及成果展示等各个方面发掘了BIM技术的应用点。与传统设计过程比较可以发现，BIM技术下的设计及成果展示方面，更加准确直观，既可以全局的展示宏观效果，也可以利用模型进行零件施工图出图工作，是一种有效的工程设计技术。

目前在水利水电工程中，BIM技术应用尚处于引进探索阶段，各部门设计人员对于BIM技术的掌握程度还存在较大的个体差异，需要在工程的设计建设过程中进行实践和探索。

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