基于BIM的液压顶推升降式翻板闸结构设计

王雪岩，李国宁，王文强，梁一飞，范 岳，薛 洁，左舒扬

(内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

昆都仑河治理工程的设计任务以景观设计为主，兼顾防洪功能，形成多级瀑布、碧波荡漾、工程和自然和谐共生的景观模式，提高两岸防洪能力，保障沿河两岸设防标准内的安全，改善小气候，美化环境，构成具有民族特色的景观带。

根据工程总体布置，河道治理总长度约为16.6km，设计景观坝1座，采用单孔形式，孔口宽200m，挡水高度3.5m。其中，昆河南桥下1.3km，为内蒙古自治区成立70周年大庆献礼段工程。

1 工程设计

1.1 水工结构设计

1.1.1总体布置

根据工程布置，液压顶推升降式翻板闸桩号为1+000，蓄水总长1.0km，比降为2.87/1000。坝高3.5m，坝宽200m，坝后跌水高0.7m。最大设计坝前水深3.5m，蓄水面积20万m2，蓄水量为45万m3。

具体参数见表1。

表1 南桥至包兰铁路段液压顶推升降式翻板闸蓄水参数表

1.1.2液压顶推升降式翻板闸设计

液压顶推升降式翻板闸由上游铺盖段、液压顶推升降式翻板闸闸室段、消力池段组成，总长均为35m。

(1)上游铺盖

液压顶推升降式翻板闸上游铺盖长12m，选用0.7m厚C25钢筋混凝土结构，铺盖下设0.1m厚素混凝土垫层。

(2)液压顶推升降式翻板闸闸室段

闸孔净宽200m，液压顶推升降式翻板闸由32扇6.25×3.5m(宽×高)钢结构面板组成，每扇门叶后均设置两根液压杆。液压顶推升降式翻板闸边墙采用C25钢筋混凝土挡土墙结构，与底板浇成一个整体。顶宽1.0m，迎水端为直立面，背水端边坡1∶0.3，边墙高为4.5m。

(3)消力池段

液压顶推升降式翻板闸闸室后以坡度1∶4.0与消力池相接，消力池顺水流方向总长15m，消力池池深0.7m。消力池底板厚0.6m，选用C25钢筋混凝土结构。

1.2 金属结构

1.2.1概况及组成部分

金属结构设备主要由以下三部分组成：工作闸门、启闭设备和闸前防冰冻设备。

1.2.2金属结构布置方案

液压顶推升降式翻板闸采用改进型液压顶推升降式翻板闸方案，启闭设备选用多级柱塞式液压启闭机，配置两套液压泵站，左、右岸各一套，每套控制16扇闸门。由于冬季闸门挡水运行，闸前设置一套防冰冻装置。

1.2.3金属结构防冰冻措施

空压机→储气罐→主管路→支管路→吹气装置。

空气通过压缩机进入有压力的储气罐，经过稳压后连续稳定的输出到管路当中，经过吹气装置吹到闸门前，气泡不断上升，最后到达水面爆破，防止水面结冰。

2 基于BIM技术进行结构设计

2.1 技术路线

技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

基于Inventor软件对包头市昆都仑河景观河道液压顶推升降式翻板闸结构设计进行三维参数化建模，将液压顶推升降式翻板闸的水工结构通过拉伸、开槽，挖孔等命令将底板、挡土墙等部件用衍生特征形成关联，将闸门门叶与闸底板通过底支铰通过iLogic规则编辑，完成参数化联动。利用Vault软件将建好的水工结构和金属结构模型导入平台，对模型信息进行管理存储，完成各专业的模型装配。对液压顶推升降式翻板闸模型的局部和整体结构进行有限元分析，达到设计的强度要求。最后绘制三维模型图纸，将模型进行局部剖视和轴侧三维展示，提供工程量明细，进行施工模拟。

2.2 水工结构三维参数化设计

2.2.1水工结构体型设计

为提高水工结构设计质量和效率，运用Inventor软件建立水工结构参数化模型库，实现各结构模型的快速建立及调整修改。对于常用的、构成相对简单的单体结构，如闸底板、左右边墙、上下游挡土墙、上游铺盖、下游消力池、上下游边坡等，运用衍生特征命令，编辑表单，设置ILOGIC规则，建立相应的建模系统，将各组成部分的参数化建模、相互间关联关系进行整合，进一步提高设计质量和效率。如图2所示。

图2 水工结构模型

2.2.2计算分析

建立水工结构建模软件与常用分析计算软件间的数据接口，进行有限元分析等计算分析工作，并能将计算分析并调整后的模型返回水工结构建模软件的设计模型中，促进设计工作优化调整的便捷性。如图3所示。

图3 水工结构有限元分析

图4 三维配筋及钢筋图

2.2.3配筋设计

配筋设计基于水工结构三维模型进行钢筋配筋，实现钢筋类型、数量的自动统计及钢筋表的自动生成。如图4所示。

2.2.4图纸输出

建立适合水利水电工程设计规范的统一制图模板，基于水工专业三维模型实现各类工程图纸的生成，包括平面图、剖面图、三维轴侧图以及局部详图等，内容包括图框及标题栏、各类标注(包括字型、字号、线型、线宽、符号形式、填充方式、颜色等)、各类数据表格、图幅及比例尺适配等。生成的工程图纸需与相应的水工结构三维模型关联，实现设计调整修改时，工程图纸的自动更新。如图5所示。

图5 水工图

2.3 金属结构三维参数化设计

2.3.1闸门结构设计

运用Inventor软件建立水工钢闸门参数化模型，将钢闸门模型门叶进行全参数化设计，如闸门宽度、挡水高度等参数与水工结构建立规则联系，形成液压顶推升降式翻板闸整体参数化联动。其他零部件如底支铰、耳板等建立系列库，液压泵站、液压油缸等逐渐积累形成各级容量启闭机模型库。如图6所示。

2.3.2计算分析

将装配完成的闸门模型导入有限元分析软件中，设置运行的边界条件并加载工程运行中的相关载荷，对闸门结构进行稳定分析、应力分析、位移分析等计算分析工作，对应力集中或者位移偏大的地方进行局部优化。如图7所示。

图7 金属结构有限元分析

2.3.3图纸输出

将三维模型与二维平面图灵活结合，绘制可以直接进行加工生产的零部件图。针对金属结构专业建立符合规范的统一制图模板，将各零部件的材料、型号、装配要求、加工精度、粗糙度以及公差配合等信息清晰明白地传达到图纸上，准确无误地传递给生产车间。生成的工程图纸与相应的零部件三维模型关联，实现设计调整修改时，工程图纸的自动更新。如图8所示。

图8 闸门总图

2.3.4防冰冻设备的设计

运用Inventor软件将防冰冻系统中的空压机、储气罐、油水分离器、吹气单元、管路及附件、气动阀组以及控制柜等组成模块进行三维模型设计。将各模块根据两侧设备控制房的大小进行合理的布局摆放。将吹气管垂直排列布置，减少压力损失。

空气通过压缩机进入有压力的储气罐，经过稳压后连续稳定的输出到管路当中，经过吹气装置吹到闸门前，气泡不断上升，最后到达水面爆破，防止水面结冰。如图9所示。

图9 防冰冻设备

2.4 联动设计

BIM 技术在水利工程设计中的应用能够实现各专业协同设计，将各专业的设计信息转换为信息化模型，最终生成高质量、高精度的施工图纸。BIM 技术作为主要的沟通方式，将不同专业设计模型进行联动，设计人员能够直观的对三维建筑模型进行分析，将设计中存在不合理的区域进行三维校审，设计人员能够根据不足之处，提出针对性的调整意见，适当修改参数，即可调整零件尺寸、钢筋摆放、混凝土规格、闸门设计结构等，从而确保整体结构设计的精准度。

液压顶推升降式翻板闸整体结构的联动设计是调整闸门和闸底板联动参数，液压顶推升降式翻板闸整体结构会随着河道宽度和挡水高度整体参数化联动。以包头市昆都仑河景观河道液压顶推升降式翻板闸结构设计为例，对其中河道宽度作为变量，其他作为定量，将两扇闸门的液压顶推升降式翻板闸河道宽度12.5m进行参数化联动设计，调整为32扇闸门的液压顶推升降式翻板闸河道宽度为200m。

2.4.1金属结构模型参数化设计

(1) 建立Excel参数表作为第三方参数联接，同时也作为与其他专业的参数数据接口，在编辑模型内创建用户参数，以闸门门叶为例，如图10—11所示。

图10 Excel参数表

图11 门叶用户参数

(2)按照门叶分节结构进行三维参数化建模，将门叶分为左侧门叶和右侧门叶，根据闸门中心，对称布置，创建模型如图12所示，门叶参数可以根据设计要求进行调整，如图13所示。

图12 左侧门叶

图13 门叶结构参数

(3)其他零部件如底支铰、侧止水部件、底止水部件、液压缸、镇墩等通过衍生门叶进行多实体创建，前面已演示模型创建过程，这里不再赘述，装配好的闸门模型如图14所示。

图14 闸门装配

2.4.2水工结构模型参数化设计

液压顶推升降式翻板闸是水闸的一种类型，是以金属结构专业为主、水工专业及其他专业配合的一种景观河道类工程。为提高水工结构设计质量和效率，运用Inventor软件建立水工结构参数化模型库，实现各结构模型的快速建立及调整修改，并设置联动参数作为金属结构专业参数模型的接口。

参数化模型库按照水工专业设计内容进行分类建立，并结合各设计对象的类型进行进一步细分，具体参数化模型应包含尺寸、定位、材质等信息。对于液压顶推升降式翻板闸水工结构，将闸底板作为布局零件，左右边墙、上下游挡土墙、上游铺盖、下游消力池、上下游边坡等运用衍生特征命令，关联水工结构参数，设置ILOGIC规则，编辑表单，建立相应的建模系统，将各组成部分的参数化建模、相互间关联关系进行整合，进一步提高设计质量和效率。

(1) 联接Excel参数表作为第三方参数表，在编辑模型内创建用户参数，以闸底板为例，如图15所示。

图15 闸底板用户参数

(2)按两扇闸门宽度为12.5m的闸底板作为最小单体进行参数化创建，以两扇闸门中心作为闸底板中心，对称布置，创建模型如图16—17所示。

图16 闸底板

图17 闸底板结构参数

(3)将闸底板作为 “源零件”，衍生到其他零件如边墙、挡土墙、铺盖、消力池等布局零件中，通过生成多实体创建装配体，装配好的水工建筑物如图18所示。

图18 水工建筑物装配

2.4.3金属结构与水工结构联动设计

(1)将金属结构总体装配模型与闸底板进行约束装配，如图19所示。

图19 专业配合装配

(2)设置装配体中iLogic规则，分别将两扇闸门随着闸底板宽度(河道宽度)的变化进行阵列，使闸门整体结构与水工建筑物形成整体联动，如图20所示。

图20 专业配合装配

(3)手动更新水工建筑物模型，生成液压顶推升降式翻板闸整体结构模型如图21所示。

图21 液压顶推升降式翻板闸整体结构

(4)修改Excel参数表中河道宽度为200m，手动更新模型，液压顶推升降式翻板闸整体结构将会自动调整为200m，如图22—23所示。

图22 修改Excel参数表

图23 液压顶推升降式翻板闸整体结构联动

基于BIM技术对液压顶推升降式翻板闸整体结构进行联动设计，金属结构专业与上下游专业衔接融合成为一体，让整个工程充满空间感和层次感，能够充分体现设计者的设计意图，让设计产品完美的呈现。如图24所示。

图24 液压顶推升降式翻板闸效果图

3 结语

本项目基于BIM技术，进行多专业协同三维参数化设计，集合了结构设计和有限元分析，贯通了工程设计从三维模型到二维图纸的转换，将水工专业和金属结构等专业灵活结合在同一设计空间内，可借鉴其他项目使用。液压顶推升降式翻板闸与钢坝闸、气盾闸等河道景观类闸型类似，触类旁通，举一反三，可以将液压顶推升降式翻板闸的BIM设计经验运用到其他坝型中，拓展景观河道类水闸的应用范围，为其他景观河道类闸的设计提供了宝贵的设计经验。