基于BIM技术的水闸工程装配式预制构件设计与实现

郭靖 时之光 高洪远 郑张玉 李南辉 闫飞

摘要：

目前水闸工程设计及施工常采用传统方式，存在设计效率低、施工制约因素多等弊端，BIM技术及预制装配式技术有助于提升水闸工程设计及施工的效率和质量。以沩水水闸为例，通过综合利用预制装配式技术和BIM技术并应用于预制构件的模块化设计过程，研究了水闸工程预制构件模块化、参数化与标准化设计，总结了预制混凝土梁、预制建筑构件设计及生产关键技术和流程。工程实践表明：基于BIM技术的水闸工程装配式预制构件的设计方法和形成的产品切实提高了工程设计和施工的质量和效率。研究成果可为水利工程装配式预制技术研发提供参考。

关键词：

BIM技术； 装配式； 预制构件； 水闸工程

中图法分类号：TV66

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.010

文章编号：1006-0081（2023）04-0058-06

0 引 言

水闸工程等土木工程设计和施工大多采用传统二维设计和现场浇筑的方式进行，已一定程度上落后于当前工程项目的建设需求。特别是在工程现场浇筑的传统施工工艺［1］，存在辅材数量庞大、劳动力消耗大、浇筑和振捣质量不易保证、受雨季和汛期等因素制约问题，使得工程设计和施工的效率和质量难以满足项目要求。BIM 技术是工程勘察设计领域的一次技术革新，其标准化、参数化、流程化的设计理念直观展现了项目设计的全过程，为保证工程项目的设计质量奠定基础。装配式生产技术作为建筑工业化的产物，能够保证工程质量、提高施工效率、降低对周围环境的影响。因此，将BIM技术和装配式技术结合，在水闸工程中开展预制构件的探索和研究，对提升水闸工程的设计和施工效率、提高工程质量尤为重要。

近年来，随着信息化技术的发展，建筑信息技术迅速发展，BIM技术能够在设计过程中即可将构件的属性信息传递到设计及生产的全过程，提升了预制构件的生产效率［2-4］。针对BIM技术在装配式建筑中的应用，国内外学者做了较多工作。Jang和Lee［5］分析了基于BIM技術的多专业预制过程、生产效率和经济效益，结果表明：虽然协调多专业中的机电专业系统比传统方式要花费更多时间，但由于并行了工作机制，整个项目持续时间有所缩短，装配所需人力比初始阶段减少40%。彭彩虹等［6］提出基于BIM技术的装配式建筑预制构件生产阶段能耗分析方法，验证了BIM技术有利于计算工厂生产预制构件的能耗水平并实现能耗优化。马辉等［7］提出基于BIM技术的装配式建筑并行施工作业空间冲突识别技术，建立施工现场并行作业空间冲突检测模型，为项目施工过程中安全管理提供技术支撑。

在分析国内外关于BIM技术在预制构件设计及应用研究的基础上，结合近年来BIM技术在建筑装配式工程中的运用，可以发现，预制装配式技术的发展主要集中在工民建行业中，加强水利工程预制化的技术研究，对于提升水利项目设计效率和质量有非常重要的支撑作用。BIM技术是新的设计技术手段，预制混凝土在多方面具有优异性能，但水闸工程设计边界条件较为复杂，构件复杂且不统一，传统的水工设计方式难以对水闸工程的相关构件进行预制，因而应用较少。以往的研究中鲜有探讨BIM技术在水利闸站工程预制构件设计中的应用，缺乏详细的设计流程规范BIM水利工程预制构件设计。因此，探究BIM技术在预制构件方案设计、初步设计、拆分设计、深化设计及施工图设计中的应用十分必要。从水闸工程厂房建筑全过程BIM设计研究来看，目前国内对于水闸工程厂房设计研究主要是利用传统二维设计，仅将BIM技术作为一种辅助设计手段，并未在项目全过程中使用，BIM技术在水闸工程的应用需进一步研究。

鉴于此，本文结合沩水水闸工程进行了基于BIM技术的装配式预制构件设计和实践研究，为水闸工程设计和施工效率和质量的提升提供新思路。

1 BIM技术在预制构件设计中的特点及优势

1.1 BIM技术装配式设计特点

水电工程受限于承载及设备布置要求，主体结构目前多采用现浇混凝土结构，预制混凝土构件的应用占少数。BIM技术在项目设计中的核心是参数化设计，这一理念有别于传统二维平面设计，将参数化的规则融入部品设计过程，能够有效地控制各个构件的尺寸、属性等。除此之外，基于BIM的水利水电工程设计能够利用协同设计方法，在相同的中心文件上，实现多专业同时设计，能够有效减少设计碰撞问题，提高设计进度和质量，减少设计成本［8-9］。

1.2 BIM技术在预制构件设计中的优势分析

（1） 基于BIM的设计优化。预制构件的设计难点在于构造复杂，深化节点连接表达繁琐，基于BIM的可视化、可协调性技术可有效解决这类问题。通过基于BIM制作的预制构件库模型使得各个专业快速完成项目的预设计，进行碰撞检查、模型分析复核、性能计算与方案优化。

（2） 基于BIM的设计分析。模型的分析和复核决定设计模型能否应用于生产和施工，分析复核的主要任务是确定模型的安全性是否满足荷载的要求。预制构件设计的 BIM 模型分析复核包括两个步骤：有限元分析和结果对比。有限元分析是将 BIM 模型转换成结构分析模型，确定模型的弯矩、剪力等，分析荷载，将有限元分析结果与设计规范相比较，如不满足设计要求，修改预制构件的参数类型，直至符合设计标准。

（3） 基于BIM的统计出图。设计成果最重要的表现形式是图纸，图纸中含有大量的技术标注，在目前生产条件下，施工图具有不可替代的作用。经过校审以及碰撞检查优化后，基于 BIM 的预制构件设计出图可利用建成的三维模型直接生成平、立、剖面图纸。除此之外，还可以直接输出预制构件的模型尺寸、明细表、预留洞口等图纸，以便再次校核、生产和施工。

2 水闸工程预制构件BIM设计方法

根据水闸工程项目水工建筑的功能与位置进行合理划分，将模型分为水闸主体、底板、翼墙、交通桥、设备管理房（上部建筑）等五大部分，如图1所示。在BIM模型中对应建立5个部分，各专业设计人员分别完成各部分BIM模型的创建，通过链接方式进行模型拼接完成最终成果。

设计过程中，各专业人员基于专业需求对水工水闸工程中的梁、板、柱等构件进行预制构件设计后，将设计成果交付给生产厂家和施工单位进行预制构件生产及吊装。

水闸工程建设由众多构件组成，可利用BIM技术进行梁、板、柱等构件的预制设计。根据工程实际，依据设计规范和设计经验进行构件拆分，将工程拆分成不同的小模块，再利用相应软件进行BIM构件设计。基于BIM技术的水闸工程预制构件初步设计主要过程包括以下步骤。

（1） 模板选取。根据实际需求，不同的构件设计所选取的模板不同，如梁一般紧贴楼板顶面从一头伸向另一头，因此梁模板的输入需紧贴楼板的基准面和梁的走向线，考虑到梁的走向线有时并非梁的中心线，需要设置两线之间的距离。为了增加梁模板的通用性，本文采用3个端面和参数同时控制的方式，通过定位点及梁顶面、首端面、末端面来控制梁的位置和长度，使用梁宽和梁高参数来约束梁的尺寸，具体见图2所示。

（2） 模型构建。模板选取后，通过实际设计需求选取构件类型，如选择矩形梁还是异形梁，然后通过BIM功能进行模型搭建，完成初步构件形态。

（3） 基于BIM的水闸工程预制构件参数化族设计。水闸工程建设过程中，由于复杂形体构件导致施工难度增大，进而拖延施工工期，造成严重的经济损失。BIM技术有助于复杂形体设计。

完成构件的初步形态之后可以对构件属性进行设置，并将属性与三维模型关联，实现参数化可调。基于BIM技术，可以对复杂构件属性进行验证和整合，实现多维曲线设计，以三维模型形式展示设计成果，并最终形成参数化族，如图3所示。通过参数化族参数的调整，可解决水闸建设过程中类似的复杂构件施工问题，提升施工效率，节省工期。

（4） 预制构件模型。对预制构件模型参数化进行设计后，得到参数化设计预制构件的最终成果，如图4所示，可以导入到项目中进行直接运用，并进行局部的深化设计与出施工图。

3 基于BIM技术的水闸工程预制构件生产及交付

3.1 预制构件生产

利用水闸工程预制构件BIM模型施工图成果，生产单位可根据该成果生产预制构件。生产过程主要包括生产管理、生产过程控制、质量检查及修复、构件堆放等。预制构件工艺流程如图5所示。

3.2 预制构件施工交付

预制构件生产后，可运送到施工现场进行交付并吊装。一方面，利用BIM技术预制水闸构件能够节省工程用时，提升工作效率；另一方面，设计方将BIM模型交付给施工单位，利用三维模型进行施工指导，能够从模型中直观地看到预制构件所在位置，并能清楚地了解预制构件与其他构件之间的关联，对于预制构件安装具有指导作用。

在未来的运行维护阶段，对于预制构件后期的检修、维护或者运行状态查询，也可以通过模型快速查找位置，对于预制构件的运行维护管理起到较好的支撑作用。

4 BIM装配式技术在沩水水闸中的应用

4.1 沩水水闸工程概况

经过30多年的运行，原沩水水闸存在一系列安全隐患，经鉴定为四类闸，已达到报废重建标准。新沩水水闸桥面建筑采用了仿古的风雨廊桥形式，确保建筑物与周边景观相协调。为满足水闸功能，水闸启闭机房净空高、检修闸门设置的贯通电动葫芦轨道等与古建风格有较大冲突。鉴于上述情况，在设计中需充分研究水闸的功能需求，并对古建的构件进行提炼、精简、推敲，实现建筑形式与功能的有机结合。

为解决建筑造型和水闸功能冲突的问题，在设计过程中充分利用BIM技术可视化的优势，对水闸上部建筑和水闸主体结构进行设计。

4.2 水闸梁系统构件设计

经分析，在该工程中采用预制梁系能够大幅缩短施工工期，节省投资。但如何避免廊桥桥面梁系与相邻水闸闸门安装施工产生干扰，如何合理划分梁单元是预制构建设计重点问题。本次借助BIM软件实现，设计过程及技术措施主要如下。

根据上部建筑物的布置，将风雨廊桥桥面划分为质量大致均衡、形状不同的5片梁单元，采用前文所述方法设计对应模板，以水闸主体结构为参照，进行预制构件设计及建模。将每片梁按所处闸孔位置进行编号，确保每片梁位置的准确性，桥面梁结构划分见图6。

风雨廊桥桥面预制梁采用C40混凝土，普通钢筋采用HRB400三级钢，预应力钢绞线采用s15.2，并利用BIM模型空间曲线建模功能完成钢绞线孔设计。距离相近的梁与梁横向采用铰缝连接，距离较远的梁之间采用预制混凝土板加联系梁连接，确保梁的横向刚度。为保证上部预制板的整体性，在预制板铺装完成后，在桥面铺装50 mm厚C30钢筋混凝土现浇层，并通过BIM模型分析其施工作业面及各专业间是否存在碰撞和干扰，预制混凝土梁与闸墩的位置关系及施工作业面分析见图7。

采用上述BIM预制构件设计方法，快速准确设计水闸主体结构，避免了水闸廊桥施工与金属结构安装的干扰，节约了工期。同时结合建筑、结构及设备安装需要，采用在梁端预留支座钢筋、梁顶预留建筑物柱插筋、在梁底设置钢垫板与闸墩预埋钢板焊接等工程措施（图8），加快了工程建设进度，保障了工程建设质量。

4.3 水闸上部建筑预制构件设计

水闸上部建筑为仿古建筑，仿古建筑有大量的异形非标准结构，若采用传统设计方法和施工工艺则工期较长，且由于水闸上部作业空间狭小，难以满足传统施工工艺要求。为保证工程顺利完工，提出选用预制构件节约施工工期，以减少现场施工工作量。设计过程及技术措施主要如下。

在BIM软件中开展外观方案设计，确定建筑外观样式和大致体量后，通过外墙、屋顶、门窗快速完成房屋搭设，确定整体外观。然后基于外观确定模型布置柱、内墙、楼板、楼梯、屋顶完成建筑的精细化建模。创建完成的BIM模型见图9。

BIM模型创建完成后，基于模型进行分析和拆解，结合现场实际，得出适合的预制构件，如预制窗门、预制屋檐、预制斗拱等。BIM构件模型能够便于与预制工厂的协同和对接，使预制构件外形尺寸与生产单位的构件胎膜尺寸相吻合，以便初步排产及模拟，提高生产过程中台模的使用率，简化管理程序，降低生产过程中的制造成本，减少材料浪费的现象。同时预制構件生产完成后运至现场即可安装，大大节约施工工期。预制构件生产车间见图10。

沩水水闸上部建筑实施效果如图11所示。其仿古风格建筑与水闸有机结合成为整体，建筑风格与周边景观协调，目前已成为该地区重要的人文景观节点。

5 结 语

针对传统水工设计方式难以对水闸工程相关构件进行预制设计的问题，本文将BIM技术贯穿于方案设计、初步设计、拆分设计、深化设计及施工图设计等各个阶段，以标准化设计为核心、参数化设计为驱动、模块化设计为导向，最终形成水工预制构件模块库。基于BIM的水闸工程预制构件模块化设计，不仅能够提升设计效率，缩短施工工期，节约人力、物力，还能通过构建的预制构件模块库解决重复性建模问题，可为制定水闸工程BIM设计解决方案、提高水闸工程设计质量和效率提供思路。

参考文献：

［1］ 肖志远，马志华，周金山，等.装配化建筑——提升水利工程质量的有效途径［J］.江苏水利，2021（10）：24-27.

［2］ 张德海，陈娜，韩进宇.基于BIM的模块化设计方法在装配式建筑中的应用［J］.土木建筑工程信息技术，2014（6）：81-85.

［3］ 潘敏华，张守峰，王旭松.BIM技术在装配式建筑设计中的应用［J］.建筑结构，2018，48（增1）：658-662.

［4］ 王强，林如，李雪来.BIM+数字孪生技术的装配式轨道交通工程预制构件生产管理应用研究［J］.工程管理学报，2021，35（3）：88-93.

［5］ JANG S，LEE G.Process，productivity，and economic analyses of BIM-based multi-trade prefabrication—A case study［J］.Automation in Construction，2018（89）：86-98.

［6］ 彭彩虹，徐照，王少哲，等.基于BIM的装配式建筑预制构件生产阶段能耗分析方法［J］.工程管理学报，2022，36（1）：47-52.

［7］ 马辉，张红滨，王艳娜.基于BIM的装配式建筑并行施工作业空间冲突识别［J］.中国安全生产科学技术，2020，16（2）：97-103.

［8］ 徐瑞，叶芳毅.基于数字孪生技术的三维可视化水利安全监测系统［J］.水利水电快报，2022，43（1）：87-91.

［9］ 解凌飞，李德.基于BIM技术的水利水电工程三维协同设计［J］.中国农村水利水电，2020（3）：105-111.

（编辑：唐湘茜）

Design and implementation of prefabricated components for hydraulic sluice station based on BIM technology

GUO Jing，SHI Zhiguang，GAO Hongyuan，ZHENG Zhangyu，LI Nanhui，YAN Fei

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

At present，the design and construction of the sluice project is often carried out in the traditional way，which has the disadvantages of low design efficiency and many construction constraints.BIM technology and precast assembly technology are helpful to improve the efficiency and quality of sluice engineering design and construction.In the Weishui sluice project，the BIM technology was applied to the modular design process of the prefabricated component through the comprehensive application of prefabricated assembly technology and BIM technology，and the modular，parametric and standardized design of the prefabricated component in the sluice project was studied.The key technologies and processes for design and production of precast concrete beams and precast building components were summarized.Engineering practice showed that the design methods and products of prefabricated components in sluice engineering based on BIM technology can effectively improve the quality and efficiency of engineering design and construction，and provide a reference for the research and development of prefabricated assembly technology in hydraulic engineering.

Key words：

BIM technology； prefabricated； prefabricated components； sluice engineering

收稿日期：

2022-06-16

基金项目：

长江勘测规划设计研究有限责任公司自主创新项目“新型装配整体式叠合剪力墙结构受力性能及深化设计方法研究”（CX2019Z26）、“基于BIM技术的装配式住宅标准化设计研究”（CX2019Z04）

作者简介：

郭 靖，男，高级工程师，主要从事水利工程设计工作。E-mail：guojing@cjwsjy.com.cn

通信作者：

闫 飞，男，博士，主要從事水利信息化研发工作。E-mail：yanfei@cjwsjy.com.cn