基于BIM技术的白鹤滩水电站泄洪洞弧形闸门支铰及下支臂安装施工模拟

王孝海，罗 刚，黄纪村，赵贺来，王 博

(1.中国三峡建工(集团)有限公司，四川成都610000；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024；3.华北水利水电大学水利学院，河南郑州450046)

1 工程概况

白鹤滩水电站左岸共设3孔泄洪洞，在每孔泄洪洞进口设置1扇超大型横向三支臂结构弧形工作闸门，用于水库挡水、泄洪。闸门质量720 t，孔口尺寸15 m×9.5 m，底槛高程770.00 m，总水压力为122 300 kN，设计水头58.00 m[1]。闸门安装具有外形尺寸大、结构部件质量大、进水塔工作门闸室封闭、空间狭小等特点，施工干扰多、难度大。

弧形闸门安装的主要工序有天锚预埋、液压提升装置安装、台车组拼、支撑大梁安装、门叶卧拼及吊装、支铰及下支臂安装、上支臂安装、门叶与支臂连接、支臂连接杆等，其中支铰及下支臂安装为弧形闸门安装的关键工序，分为支铰和下支臂拼装、提升就位、微调对准、螺栓连接以及整体吊装5道工序[2- 4]，施工干扰较多，测量控制、水平和垂直运输手段的选择及安装顺序的确定等均是支铰及下支臂安装的重点。因此，在创建闸门三维模型的基础上，通过弧形闸门支铰及下支臂安装施工的精确化模拟，对吊装工序的合理性及预设方案的可行性进行预判。通过支铰及下支臂安装碰撞检查，可有效解决闸门安装过程中可能遇到的施工干扰问题，优化吊装工序，确保弧形闸门安装质量及工期。

2 闸门三维模型创建

2.1 建模软件的选择

泄洪洞进口模型以及金属结构使用Inventor软件建模，楼梯等建筑相关结构使用Revit软件建模，各种吊装设备、轨道等施工临时设施采用3ds max软件建模，施工过程采用navisworks软件进行模型拼装、施工方案的精细化模拟，并在各个吊装过程进行模型干扰及碰撞检查。

2.2 模型创建基准

基本建模单位采用米，闸门相应结构建模单位采用毫米。项目的控制坐标原点为2号进水塔孔口底板中心点，该坐标系统是本项目所有模型创建的基础控制点，是进行项目组合的基本对准约束条件，无论是inventor还是revit建模，其基础坐标原点不变，坐标轴方向也保持一致。

2.3 闸门单体模型创建

闸门单体模型创建主要包括进水塔结构模型、弧形工作闸门模型及施工附属设施模型。进水塔主体结构模型创建包含结构混凝土、回填混凝土、泄洪洞进口孔洞、事故检修门槽、启闭机室、工作闸门室、平压通道及其附属结构等。弧形工作闸门模型创建包括门叶、门槽、支臂及支铰[5- 6]。

在主体模型的创建工作中，基于统一的控制坐标系统，模型尺寸根据设计图纸1∶1创建。采用大体型结构体与孔洞布尔运算方式进行建模，其中涉及技术难度较大的进水口洞身建模，可以采用洞身纵剖面与横剖面相结合的拉伸方式创建。建筑物主体结构模型如图1所示。

图1 建筑物主体结构模型

施工附属设施模型创建包括液压提升器、底板防护、大梁支架、大梁轨道、汽车吊、临时支护、插筋及连接钢筋、台车、手拉葫芦等[7- 8]。施工附属设施模型主要进行空间碰撞检查，在外部尺寸上达到相应要求即可，细部结构建模要求不高，因此采用3D max软件进行创建。施工附属设施模型如图2所示。

图2 施工附属设施模型

2.4 闸门模型组合拼装

进水塔模型的拼装基于统一的基准在navisworks软件中进行。弧形工作闸门门叶、门槽、支臂、支铰等模型均单体创建，拼装统一采用inventor软件，基于基准的坐标系统进行原点固定放置。工程整体模型的拼装在navisworks软件中进行，模型拼装基于原点固定。施工附属设施模型采用max创建，其模型拼装基于相应参照模型。进水塔拼装模型如图3所示，弧形工作闸门拼装模型如图4所示，弧形工作闸门整体拼装模型如图5所示。

图3 进水塔拼装模型

图4 弧形工作闸门拼装模型

图5 弧形工作闸门整体拼装模型

3 安装施工过程模拟及碰撞检查

3.1 安装施工过程模拟

基于BIM的虚拟施工技术体系流程如图6所示。

图6 基于BIM的虚拟施工体系流程

3.2 碰撞检查

应用BIM可视化技术，施工设计人员在建造之前就可以对闸门安装进行综合碰撞检查，模型碰撞信息采用“碰撞点”和“标识签”进行有序标识，通过结构树形式的“标识签”可直接定位到碰撞位置。碰撞检查可以优化工程设计，减少在施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性。

4 支铰及下支臂安装施工过程模拟

支铰及下支臂安装施工模拟可分为支铰及下支臂拼装、提升就位、微调对准、螺栓连接以及整体安装顺序5个场景进行[9-11]。

4.1 支铰及下支臂拼装模拟

在起吊前，支铰、下支臂、裤衩在支臂安装位置下方完成组拼，组装成一个整体。BIM模拟内容为支铰、下支臂、裤衩3个模型在空间上进行对位及组装，支铰及下支臂拼装模拟如图7所示。

图7 支铰及下支臂拼装模拟

4.2 提升就位模拟

组合件采用792.5 m高程的200 t液压提升设备和800 m高程的100 t液压提升设备联合提升就位，BIM模拟内容为组合件模型空间位置的变换、液压提升器细部构件的位置转化及尺寸变化，工况1～3分别表示提升就位模拟过程中组合件的不同空间位置变化，如图8所示。

图8 提升就位模拟过程

4.3 微调对准模拟

提升到合适位置后，仍采用792.5 m高程的200 t液压提升设备和800 m高程的100 t液压提升设备联合提拉保持平衡，同时采用手拉葫芦进行微调，手拉葫芦在支铰固定位置的二期混凝土上下部锚点处受力。

微调对准方案一为上、下部手拉葫芦均采用单根缆绳的方式进行微调，模拟如图9所示；方案二为上部采用两根缆绳、下部采用一根缆绳方式进行手拉葫芦微调，模拟如图10所示。BIM模拟内容为组件BIM模型微调后与二期混凝土预留螺栓对准，液压提升设备BIM模型细部位置变化，手拉葫芦细部位置及尺寸变化。

图9 微调对准方案一模拟

图10 微调对准方案二模拟

4.4 螺栓连接安装模拟

BIM模拟内容为螺栓BIM模型的空间位置变换，螺栓连接安装模拟示意如图11所示。

图11 螺栓连接安装模拟

4.5 整体安装顺序模拟

支铰、下支臂组合件安装的顺序为先两侧、后中间，BIM模拟内容主要为另一边侧以及中间组合件的BIM模型空间的出现，工况1表示支铰、下支臂组合件两侧安装模拟，工况2表示支铰、下支臂组合件中间安装模拟，整体安装顺序模拟如图12所示。

图12 整体安装顺序模拟

5 支铰及下支臂安装碰撞检查

5.1 施工干扰分析

支铰及下支臂拼装时门叶在高位，隧洞内较为空旷，而支铰、下支臂及裤衩拼装施工干扰小；提升就位时，空间内仅有组件、792.5 m高程的200 t以及800 m高程的100 t液压提升设备，相对施工空间充裕；螺栓连接为人工操作，没有机械碰撞风险；整体安装顺序模拟为以上步骤的重复，因此以上4个安装模拟节点施工干扰小，不需要进行BIM碰撞检查；而在支铰微调对准时，提拉设备较多，相对操作空间狭窄，需进行BIM碰撞检查[12]。

5.2 支绞微调方案一

(1)支绞微调方案一碰撞检查状态(上、下部手拉葫芦均采用单根缆绳的方式进行微调，且组件BIM模型与预留螺栓对准)如图13所示。

图13 支绞微调方案一碰撞检查状态

(2)碰撞检查设置，本方案下进行下支臂组合(包括下支臂、裤衩、支绞)、底锚、液压杆与启闭机室结构、微调绳索是否存在碰撞。进行支绞微调方案一碰撞检查，设置选择A为底锚、下支臂组合以及液压杆，设置选择B为绳索、启闭机室结构以及启闭机室两侧台阶。

(3)碰撞检查结果显示，微调绳索与底锚发生1处碰撞，支绞微调方案一碰撞位置如图14所示。

图14 支绞微调方案一碰撞位置

5.3 支绞微调方案二

(1)支绞微调方案二碰撞检查状态(上部采用两根缆绳、下部采用一根缆绳方式进行手拉葫芦微调)如图15所示。

图15 支绞微调方案二碰撞检查状态

(2)碰撞检查设置：本方案下进行下支臂组合(包括下支臂、裤衩、支绞)、底锚、液压杆与启闭机室结构、微调绳索是否存在碰撞。进行支绞微调方案二碰撞检查，设置选择A为底锚、下支臂组合以及液压杆，设置选择B为微调绳索、启闭机室结构以及启闭机室两侧台阶。

(3)碰撞检查结果显示：支臂组合(包括下支臂、裤衩、支绞)、底锚、液压杆与启闭机室结构、微调绳索间无碰撞。

6 结 论

支铰及下支臂安装工序阶段，微调对准原方案的牵引方案为采用支撑点位的上下部预埋锚点单线牵引微调；经BIM碰撞检查方案模拟，其上部牵引线将与792.5 m高程的200 t液压提升设备底锚产生碰撞。经方案优化，上部采用双牵引方案，在对准点位左右0.5 m设置预埋点，其微调过程将不再干扰，技术方案可行。

通过弧形闸门支铰及下支臂安装施工模拟和碰撞检查，优选确定了支铰及下支臂安装施工工艺：支铰、下支臂及裤衩在支臂安装位置下方完成组拼，并采用792.5 m高程的200 t液压提升设备和800 m高程的100 t液压提升设备联合提升就位。提升到合适位置后，采用液压提升设备与手拉葫芦配合调整组合件高程，并在底部两侧用千斤顶调整铰座平衡，实现组件与支承大梁上的预埋螺栓对位连接，然后从中心往两端依次对称完成螺栓的初拧和终拧。在支臂下端采用临时支架固定，支架刚性连接于底槛钢衬上。支铰、下支臂组合件安装的顺序为先两侧、后中间。