地埋式水平镇墩标准化设计及BIM设计

张雯颖，左舒扬，李国宁，王雪岩

(内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特市 010020)

长距离输水管线为了保持压力管道不发生滑移、倾覆和扭转等现象，在转角以及地势起伏处设置重力式支撑构筑物即镇墩，镇墩一般依靠自重固定管道，以抵抗因水流方向改变而产生的轴向力[1-2]。

随着国内外各种供水工程、长距离引调水工程以及跨流域调水工程的发展，输水管线上的镇墩直接关系到工程的安全性和经济性，因此镇墩成为输水管线中的重要建筑物[3]。同时，长距离输水管道由于平面曲折转弯、立面起伏变化，导致镇墩数量众多、结构形式相似但不同，在设计过程中几十个甚至上百个镇墩结构图和钢筋图一一用AUTOCAD制图软件绘制实属浪费时间及精力。在镇墩设计中，要对其结构形式、抗滑、抗倾、地基承载力等进行计算校核[3]，对计算结果形成标准化设计，同时要应用BIM平台进行镇墩标准化设计出图，以提高设计效率。

1 地埋式水平镇墩尺寸标准化设计

水平镇墩根据管线转角的角度分为两类，根据管道根数分为单管和双管两类，如图1—4所示。

图1 单管θ<45°水平镇墩平面图

采用管道水平外包混凝土厚度A1、垂直外包混凝土厚度H1和镇墩水平中心线偏移距离L作为镇墩尺寸的控制性参数，通过调整A1和L的值控制镇墩尺寸，以满足镇墩抗滑稳定计算等要求。

1.1 单管(θ<45°)水平镇墩尺寸

根据几何关系推导得出水平镇墩的尺寸及混凝土体积公式：

图2 单管θ≥45°水平镇墩平面图

图3 双管θ<22.50°水平镇墩平面图

图4 双管θ≥22.50°水平镇墩平面图

(1)

混凝土体积：

(2)

式中，L—镇墩水平中心线偏移距离，m；A1—管道水平外包混凝土厚度，m；H1—管道垂直外包混凝土厚度，m；A—镇墩垂直水流方向尺寸，m；B1—镇墩迎推力侧尺寸，m；B—镇墩抗推力侧尺寸，m；θ—管线平面转角，(°)。

1.2 单管(θ≥45°)水平镇墩尺寸

根据几何关系推导得出水平镇墩的尺寸及混凝土体积公式：

(3)

B6=B2+B5

B7=2B1

混凝土体积：

(4)

式中，R—转弯半径，m，一般取R=3DN；其他公式符号意义同上。

1.3 双管(θ<22.50°)水平镇墩尺寸

根据几何关系推导得出水平镇墩的尺寸及混凝土体积公式：

(5)

混凝土体积：

(6)

式中公式符号意义同上。

1.4 双管(θ≥22.50°)水平镇墩尺寸

根据几何关系推导得出水平镇墩的尺寸及混凝土体积公式：

(7)

混凝土体积：

(8)

式中公式符号意义同上。

2 水平镇墩稳定计算

镇墩的稳定计算主要包括抗滑计算、抗倾覆计算、验算地基承载力等方面。根据已有工程经验，对于埋地管道镇墩，一般情况下地基承载力均能满足要求。镇墩稳定计算主要考虑抗滑稳定计算，通过抗滑稳定计算确定镇墩所需的结构尺寸，再进一步进行镇墩抗倾覆以及地基承载力的相关计算[4]。

根据10S505《柔性接口给水管道支墩》，关于水平向镇墩抗推力稳定验算已经给出明确计算公式[5]：

Fpk-Fep，k+Ffk≥KsFwp，k

(9)

式中，Fpk—镇墩抗推力侧的被动土压力标准值，kN；Fep，k—镇墩迎推力侧的主动土压力标准值，kN；Ffk—镇墩滑动平面上摩擦力标准值，kN；Ks—抗滑稳定性抗力系数，Ks≥15；Fwp，k—水平向镇墩承受截面外推力对镇墩产生的水压合力标准值，kN。

(10)

式中，φ—土壤等效内摩擦角，(°)；γs1—原状土重度，kN/m3；γs2—回填土重度，kN/m3；γc—混凝土重度，kN/m3；Z1—镇墩顶在设计地面以下的深度，m；Z2—镇墩底在设计地面以下的深度，m；L1—镇墩抗推力侧长度，m；L2—镇墩迎推力侧长度，m；Vc—镇墩体积，m3；Vs—镇墩顶部覆土体积，m3；f—土对混凝土镇墩底部摩擦系数；Fwd，k—管道设计内水压力，MPa。

在镇墩稳定计算中，是否考虑被动土压力对于镇墩设计影响较大。若仅将被动土压力作为安全储备，不参与镇墩稳定计算时，设计安全值很高，但是会造成镇墩体积很大，投资增大；若将被动土压力作为镇墩稳定计算时的有利因素时，可优化镇墩体积，减少投资，但是会令安全度下降。但在各种规范、书籍中并没有明确的概念强调被动土压力是否参与计算[6]。

通过分析及近年来工程经验，在地埋式水平镇墩施工时，抗推力侧尽量保证原状土，并保证镇墩与土体紧密接触，否则应以C15素混凝土填实，以满足镇墩稳定要求[5]。

3 各类型镇墩三维参数化设计

由于引调水工程中管道转角众多，镇墩尺寸均不相同，因此不同镇墩结构可通过Inventor软件的相关功能进行参数化建模，通过设定边界条件把各种参数集合在一起，形成相应的拓扑关系，继而进行调整设计参数，快速形成新的设计模型[7]。

“三维钢筋图软件VisualFL”是近年来开发的一款钢筋图软件。这款软件可通过导入三维建模软件生产的.sat文件对建筑物进行配筋，从而生成三维配筋模型、二维钢筋平、立、剖图以及钢筋表、材料表等，可满足在施工图阶段的要求[8]。

基于上述Inventor平台和三维钢筋图软件VisualFL平台，通过将镇墩参数化设计，相应生成结构图和钢筋图，大大提高生产效率以及图纸准确率。

4 工程实例

4.1 工程概况

引绰济辽工程输水线路起点为拟建的兴安盟文得根水利枢纽，终点为通辽市的莫力苗水库，线路总长度389.57km，年最大调水量4.88亿m3，设计输水流量18.58m3/s，全线采用重力流输水。输水线路主要由无压隧洞、倒虹吸、暗涵、PCCP压力管道及附属建筑物组成。其中，PCCP压力管道工程为埋地式管道，总长度206.27km，兴安盟境内采用DN2800双管布置，长度为100.14km，通辽境内采用DN3200单管布置，长度为106.13km[9]。

DN2800双管水平镇墩数量为25个，角度范围为9.47°～53.57°，DN3200单管水平镇墩数量为14个，角度范围为8.49°～45.00°。

4.2 计算尺寸成果

基于上述标准化计算公式，同时复核水平镇墩稳定等因素，计算成果详见表1—4。

表1 单管水平转角θ<45°镇墩结构尺寸表

4.3 BIM出图成果

4.3.1三维建模

采用Inventor软件将各种上述4种型式的水平镇墩进行参数化设计，并创建成.sat格式的三维建筑物模型，如图5所示。

图5 各种型式水平镇墩三维模型

4.3.2模型配筋

采用“三维钢筋图软件VisualFL”对上述4种型式的水平镇墩三维模型分别进行配筋，配筋完成后保存为.slf文件，该文件可根据作为该种类型水平镇墩配筋模型，后续根据角度不同进行模型替换即可[10]。三维钢筋配筋图操作界面如图6所示。

图6 各种型式水平镇墩三维配筋模型

4.3.3AUTOCAD出图

模型配筋完成后，“三维钢筋图软件VisualFL”可直接实现同AUTOCAD之间的接口转化，同时生成钢筋表和材料表。在CAD中进行图面修复整理即可完成施工图阶段的出图要求，最终CAD版图纸如图7所示。

5 结语

目前现行规范、书籍及研究成果中，对于地埋式水平镇墩的涉及内容偏少且不够全面，本文探讨了长距离输水管线地埋式水平镇墩的标准化设计，有以下结论。

(1)标准化设计针对单、双管管道地埋式水平镇墩所涉及的角度类型进行分类设计，并推导出不同型式的水平镇墩结构尺寸。

(2)利用BIM技术将不同型式的水平镇墩进行参数化设计，并利用“三维钢筋图软件VisualFL”进行钢筋图绘制，提高绘图效率。

(3)根据工程实际经验、弯头管片数量以及弯头排管要求，单管弯头转角分界角度为45.00°，双管弯头转角分界角度为22.50°。在后续工程中，建议根据具体情况进行分界角度调整。

表2 单管水平转角θ≥45°镇墩结构尺寸表

表3 双管水平转角θ<22.50°镇墩结构尺寸表

表4 双管水平转角θ≥22.50°镇墩结构尺寸表

图7 各种型式水平镇墩CAD图纸

(4)水平镇墩水平、垂直外包混凝土厚度以及镇墩水平中心线偏移距离，是水平镇墩标准化设计的控制线参数，通过不断对上述三个值的试算，达到镇墩稳定计算的要求，获得相应镇墩结构尺寸。