基于BIM的水闸消能工优化设计应用研究

宋永嘉，张豪杰，朱浩岩，巴 超，衡家然

(1.华北水利水电大学 水利学院， 河南 郑州 450011;2.河南华北水利水电勘察设计有限公司， 河南 郑州 450008;3.河南省岩石矿物测试中心， 河南 郑州 450003)

20世纪60年代出现了辅助设计的概念，提高了设计工作效率和精度。随着工程规模和复杂度在不断地扩大，工程建设的需求已经不仅仅局限于图纸和报告，对可视化、参数化、协同化、方案模拟优化等新技术的需求越来越激烈。于是，出现了建筑信息模型(BIM)。

随着BIM技术[1]的发展，我国水利工程行业逐步在设计、施工、管理中得到了应用发展。钟登华院士等[2]将BIM可视化技术成功用到心墙土石坝的4D施工模拟和分析中。 张维锦等[3]通过对建模软件Revi进行二次开发，拓展其功能，完成快速结构建模和配筋。王汉东[4]总结了基于GIS和BIM的水利工程运行管理三维仿真系统，应用于工程管理、流域联合调度研究等领域。仇朝珍等[5]利用Dynamo可视化编程的优势，提出了桥梁构件的基本建模思路，提高了Revit建模的效率与范围，为广大BIM从业者提供借鉴思路。

目前BIM技术[6]在水工设计中，以建模为主，水利计算应用相对较少,“BIM+数值仿真”可以避免在不同软件中重复建模，增加仿真效率。所以，针对水闸消能工消能效率低的问题[7]，本论文通过BIM技术与数值仿真技术结合应用，建立了水闸BIM模型，分析了水闸消能效率问题，进行了消能工优化设计研究[8-9]，为“BIM+数值仿真”在水利工程中的应用提供参考。

1 设计流程

“BIM+数值仿真”优化设计结合的途径是前处理阶段。前处理阶段的建模取自BIM模型，然后在网格剖分软件中剖分网格。后处理结果经过分析后，反馈给BIM模型，修改模型尺寸优化方案。BIM+数值仿真流程如图1所示。

2 工程应用

某水闸位于汕头沿海地区，是集防洪排涝、挡潮、通航、调节内河水位的综合工程。工程设计洪水位为20年一遇，校核洪水位为50年一遇。挡潮标准采用50年一遇潮水位。水闸正常蓄水位1.39 m，内河50年一遇洪水位为1.47 m，水闸下游外江50年一遇洪(潮)水位为2.42 m。最大过闸流量在100 m3/s～1 000 m3/s，工程等别为Ⅲ等，中型双孔水闸。水闸为整体式钢筋混凝土结构对称布置，闸室顺水流方向长15.0 m，闸孔总宽为28.8 m，单孔净宽12.0 m，布两孔，中墩厚1.8 m，边墩厚1.5 m。闸底板高程为-2.11 m，闸顶高程为3.95 m，设平板钢闸门，左侧闸孔(通航孔)为双扉门，右侧闸孔(非通航孔)为常规闸门，动水启闭。

主要建筑物从上游至下游依次为上游防冲槽、上游海漫、消力池、闸室、消力池、下游海漫、下游防冲槽。某水闸平面布置图见图2。

图1 BIM+数值仿真流程

图2 某水闸平面布置图

3 基于Revit创建水闸三维模型

BIM技术在水利工程建模中应用较少，目前还没有专门应用于水利行业的三维建模软件，Revit是欧特克平台软件，建模原理是通过由图元组成的族，在项目模板中通过参考平面和轴网的限定组成建筑信息模型。

在Revit中，水利工程三维建模利用族和项目模板完成。项目模板由不同的族组装而成，族是在Revit中建立水工建筑物模型的切入点，通过族的组合可以实现任意几何形体的建筑物建模，进而完成这个项目的建模。项目模型构成如图3所示。

图3 项目模型构成关系图

(1) 创建地质模型，三维地质模型可以为设计提供更直观的设计体验，通过Revit推出Dynamo可视化编程插件[10]，创建参数化三维地质模型。

(2) 创建族。Revit中族是组成模型承载信息的基本单元。族的创建步骤：① 设置尺寸精度和工作平面；② 通过参数控制绘制剖面；③ 建筑物材料设置；④ 族文件的参数化测试，通过改变族的结构尺寸参数，检验模型尺寸是否变化。

(3) 三维模型创建。在创建三维族模型时，实心形状和空心形状的三维族模型都可以通过拉伸、融合、旋转、放样、放样融合得到。

(4) 项目拼装。族在项目样板中拼装流程是：① 在视图中选择合适的平面；② 设置标高；③ 设置轴网，形成区域网格，为族构件定位；④ 载入族，将族构件定位到轴网和标高组成的空间位置；⑤ 设置全局属性参数。拼装好的水闸模型如图4所示。

图4 水闸三维模型

4 Revit二次开发在水闸参数化建模中的应用

在水闸建模中，通过Revit二次开发插件[11]用于消能工仿真实验前批量建模处理，可实现可视化面板修改模型尺寸、调整模型数量和位置等功能，为后期消能工数值仿真实验打下基础，从而实现BIM与水流数值仿真结合的目标，避免二次建模，增加计算效率。

可视化操作界面实现方法：

在Revit中通过Ribbon UI用来加载Revit外部程序和可视化面板按钮。

{

application.Create Ribbon Tab(“水闸”).

Ribbon Panel panel=application.Create Ribbon Panel(“水闸”，“消力池设计”)。

Push Button Data create Floor=new Push Button Data(“anniu”，“消力池”， @“C:shuizha.dll”，“shuizha.dkct”);//面板中创建按钮，为按钮链接窗体。

create Floor.Tool Tip=“输入消力池尺寸”;//创建按钮提示。create Floor. Large Image=new Bitmap Image (new Uri(@“C:消力池.png”))。

panel.AddItem(create Floor)；//添加图片。

}

在设计好窗体后需要传递窗口信息和初始化窗体：public Form1(External Comm and Data cmddata， ref string msg， Element Set ele)

Initialize Component();//初始化窗体。

在Revit二次开发中，调整消力墩的间距尺寸和位置，以用来调试消力设施的消力效果。软件实现流程是：(1) 绑定族构件，消力墩；(2) 设置个数，排列消力墩；(3) 批量移动调整消力墩。

5 水闸消能工数值仿真优化设计

5.1 水闸消能工原设计参数

原设计根据规范[12]初步计算出水跃长度及消力池深度，在此基础上进行水闸消能工的优化。原消力池消能计算成果见表1。

5.2 水闸消能工优化设计方案

根据工程实际情况，增加水闸消能效率的优化仿真实验方案如图5所示：

(1) 方案1：增加池长和池深。原设计中消力池水平段长11.8 m，消力池总长15.0 m，池深0.8 m。考虑增加池长和池深。增加池长为16.0 m，消力池池深增加至1.0 m。

(2) 方案2：在原设计的基础上设置消力墩。消力墩尺寸：墩高a=0.8 m，墩宽s=墩间距s0=0.6 m，位于消力池1/3L2处。设置消力墩的消力池纵断面如图6所示。

(3) 方案3：SAF 消力池，消力池前部增加分流墩，墩高a1=h1=0.8 m；墩宽W1=0.6 m，墩间距S1=0.75h1=0.6 m；消力池内增加消力墩，墩高a2=0.8 m，墩宽W2=0.6 m，墩间距S2=0.6 m。消力墩布置在距离分流墩1/3L1，保证充分发挥其消能作用。消力池水平段池长根据计算取L=12.5 m。

表1 原消力池消能计算成果表

图5 增加水闸消能效率的仿真实验方案

图6 消力池纵断面图

(4) 方案4：SAF消力池(不改变池长)。有研究表明，新型消力池的应用虽然比较成熟，但是应用在低弗劳德数、低水头、低尾水的情况下也很难达到令人满意的消能效果[13]。所以为了降低消力池的优化成本，不改变池长，仅仅增加分流墩和消力墩，对SAF型消力池改进试验，池长取原设计池长L=15 m。

5.3 消能工优化设计方案数值仿真分析

对消力池原设计及四种优化方案进行数值仿真计算。采用 VOF两相流模型与k-ε紊流模型[14]耦合对消能工的水气两相流进行数值模拟，并将各个方案的流态分布、消能效果等进行比较，从而进行消能工的优化设计。

5.3.1 BIM模型导入与网格划分

三维计算模型来自BIM模型。在FLUENT软件中加载需要计算的消力池部分。消力池计算模型区域纵断面见图7。

图7 消力池计算模型区域纵断面图

水闸消力池划分的网格数为100万个左右，尺寸范围为0.15 m到0.4 m。网格划分如图8所示。

图8 消力池计算模型区网格

5.3.2 消能工仿真边界条件

在原设计基础上进行消能工的数值仿真计算。

(1)水力学参数。根据消力池的原设计条件进行消能工的优化，选取水闸运行中可能出现的最不利工况组合作为计算边界条件，水力学边界条件见表2。

表2 水力边界条件

(2) 其他边界条件。上游进口压强19 400 Pa(通过能量方程将已知流速转化为压强)，进出口水的体积分数均为1，上游水位1.39 m；下游水位下-0.51 m，水深1.6 m；水体与固体边界为无滑移边界；计算残差设置为0.001；计算步长为0.02 s，计算3 000步。5组仿真实验边界条件相同。

5.3.3 原设计仿真试验对比分析

在设定好边界条件后，首先采用以上边界条件对原设计消力池进行数值模拟仿真试验，通过VOF两相流模型追踪水面线得出，闸后收缩水深为0.798 m，跃后水深为2.863 m，水跃长度为11.46 m,与原设计根据规范所计算结果基本吻合，证明了本次数值模拟模型边界条件设定的可行性，然后进行消能工的数值模拟优化设计。

5.3.4 流速矢量变化

分析对比5种消能方式的流速矢量分布。原设计消力池内旋滚不明显，流速5 m/s以上的区域分布最多，横向扩散效果较差，动能变化较小；方案1中，旋滚不明显，横向扩散效果较差，流速5 m/s以上的区域较原设计有所减少；方案2中，消力池内旋滚明显，流速5 m/s以上的区域分布较短，横向扩散效果较好，池内动能变化大；方案3中，水面旋滚明显，但消力池后大于5 m/s的区域分布较多，说明动能削减不充分；方案4中，水面旋滚明显，流速5 m/s以上的区域分布较短，与方案3相比，消力池坎附近水流起伏较大，说明消力池后坎也起到了消能作用，动能削减率高。

对比分析消力池流速矢量分布图(见图9)，消减动能效果较好的是方案2消力墩设计和方案4 SAF消力池(原池长)设计。

图9 消力池流速矢量分布俯视图

5.3.5 水面线变化

图10—图14为5种消力池计算模型区的水面曲线图，上部为气体，下部为水流，相邻之间的两相混合边界可表示水面变化情况，即为水面线。横坐标X代表桩号，纵坐标Z代表高程。

图10 原始设计水面曲线图

图11 方案1水面曲线图

图12 方案2水面曲线图

图13 方案3水面曲线图

图14 方案4水面曲线图

分析对比5种消能方式的水面线，原设计中，水跃不明显，有远驱式水跃的趋势；方案1中，消力池内水面高程增加，有远驱水跃的趋势；方案2中，消力池内水跃前移，跃后水面比较平稳；方案3中，水跃前移，水跃最高，有超出消力池的趋势；方案4中，水跃前移，水跃明显，发生在消力池内。

通过5种方案水面线的对比分析，方案2比方案4水跃长度更短，跃后水面波动更平稳。

5.3.6 消能效率

通过提取水流断面平均流速和断面水深，进行消能效率计算[15]。图15消力池计算模型纵断面图，1-1为池前断面，2-2为池后断面。hi为断面水深，以闸底板高程为基准面，vi为断面平均流速。

图15 消力池计算模型区域纵断面图

断面能量公式：

(1)

消能效率公式：

(2)

消能效率对比结果见表3，由表3来看，原始设计的消能效率最低，方案2增设消力墩的消能效率最高。

表3 消能参数对比

5.3.7 综合分析

对比5种方案的流速矢量、水面线变化、消能效率得知，添加消力墩后消能效果有显著提高。由于此水闸的弗劳德数较低，分流墩没有起到很好的消能效果，高速水流与消能墩的衔接也不理想，所以两种SAF型消力池的消能效率没有显著提高。考虑消能效率，不拆除原消力池等因素，添加消力墩的优化设计方案较好。

6 结 语

BIM应用的基础是运用BIM建模软件创建三维模型，从而服务于设计阶段[16]、施工阶段[17]等。本文通过BIM技术建立水闸三维模型，并将BIM模型与数值仿真技术融合，用于研究水闸的消能工优化问题，从而实现水闸消能工方案优化设计。

(1) 在创建三维模型时，可以运用Revit二次开发，提高建模效率，为后续仿真模拟实验打下基础，避免了二次建模，增加了计算效率。

(2) 通过导出Revit中间格式文件在数值仿真前处理中与FLUENT结合应用，选用VOF模型和RNGk-ε紊流模型进行水闸消力池水流模拟计算，从而得到水流的流动特性，实现了BIM与数值仿真技术的融合运用。

(3) 在消能工优化设计研究中，以原设计作为对照，选取四组优化方案，经仿真计算表明，在低弗劳德数，低水头的水闸中，在消力池内添加消力墩的消能效率最高，与原设计相比提高了22.39%。