基于BIM的航运辅助枢纽工程浮式检修闸门设计

◎ 龚裕霞 江西省赣江船闸通航中心

检修闸门是水工建筑物及机械设备检修过程中用于挡水的闸门，为确保检修过程顺利进行，检修闸门设计必须严格执行国家技术政策。浮式检修闸门可较好利用水体浮力，使闸门节段自动浮升，减少水中作业环节及工作量，提升闸门施工过程的安全性及结构性能质量。但是，浮式检修闸门结构复杂，在设计过程中如果应用常规CAD技术，必然增大结构设计、图纸绘制、数据复核工作量，设计结果的精确度却无法保证；而BIM（Building information modeling）建筑信息模型技术及AUTODESK平台的INVENTOR软件具备强大的建模及有限元分析功能，在保证模型构建及数据参数精度的基础上，能大大简化分析过程。为此，笔者对BIM技术在航运枢纽浮式检修闸门设计中的应用展开分析，以供参考。

1.工程概况

某航运辅助枢纽工程由1座千吨级船闸、5台灯泡式机组、42孔泄水闸及土石坝等构成，该船闸上闸首检修闸门孔口设计长度为23.0m、宽和高均为12.45m；下闸首检修闸门孔口设计长度为23.0m，宽和高均为9.28m。孔口尺寸较大，若采用常规闸门型式，必须在船闸上布置过高过大的启闭设施，无法保证结构安全性和美观性。此外，该航运辅助枢纽现场并无船闸上下闸首检修闸门布置的门库。综合考虑以上各项影响因素后，最终决定采用浮式检修闸门型式。该闸门通过电动葫芦和钩环式自动抓梁起吊，其中，扬程为18m的启闭机配置2台CDI10-18D型电动葫芦；抓梁重1520kg，配置长0.48m、宽0.40m、高10.0m的箱梁。

2.设计原理

该航运辅助枢纽浮式检修闸门主要在静水中启闭，启门前需要向闸室内充水平压，以将闸室内外水位差控制在1.0m以内后提升叠梁节段。

2.1 力学可行性

叠梁节段浮力、叠梁节段重力应分别按以下公式[1]计算：

式中：F单为叠梁节段浮力（kN）；W单为叠梁节段重力（kN）；ρ为水体密度（kg/m³）；g为重力加速度（N/kg）；v为排开水体的体积（m³）；m为检修闸门单节重量（kg）。将相关参数代入后得到该枢纽工程浮式检修闸门叠梁节段浮力为65.11kN，叠梁节段重力为62.96kN。该浮式检修闸门叠梁启闭操作均在静水中完成，故闸门开启前闸室内外水位基本处于平衡状态，摩擦力忽略不计，则有F单-W单=2.15kN>0，表明该枢纽工程浮式检修闸门叠梁节段能较好浮起。

闸门闭合的过程中，9节叠梁节段总自重达到566.64kN，考虑到水深实际，其中7个节段全部浸没于水中，第8节段浸没在水中的部分为0.49m。故该辅助枢纽工程浮式检修闸门总浮力按下式确定：

式中：F总为浮式检修闸门总浮力（kN）；v8为第8节空腔排水体积（m³）；其余参数含义同前。将参数取值代入式（3）后得到，枢纽工程浮式检修闸门总浮力为492.87kN。

由于闸门闭合期间闸室内外可能存在1.0m以内的水位差，故应按下式计算止水橡皮与钢材的摩擦力[2]：

式中：f摩为闸门闭合时的摩擦力（kN）；μ为止水橡皮与钢材的摩阻系数，取0.7；P为总水压力；γ为闸门重度（kN/m³）；h为闸室内外水位差（m），取1.0m；L为闸门设计挡水长度（m）。将相关参数值代入式（4）和（5）后可得，总水压力为52.30kN，闸门闭合时的摩擦力为36.61kN。

则 叠 梁 总 重 力W总-F总-f摩=37.16kN>0，表明该航运辅助枢纽工程浮式检修闸门在一般情况下闭合良好。

2.2 可靠性

根据以上对该航运辅助枢纽工程浮式检修闸门受力性能的分析看出，单节叠梁浮体能较好浮起，因闸室内外水位差较小，止水橡皮与钢材之间的摩擦力忽略不计，叠梁节段能始终浮于水面；闸门在一般情况下闭合良好，即使因闸室内外水位差超出1.0m而增大摩擦力，检修闸门整体也能较好闭合。

在水体浑浊等特殊情况下闭合闸门时，水密度和浮力均增大，在闸门依靠原自重仍无法闭合时，必须向叠梁节段空腔内充水以增大闸门重量，抵消部分浮力，便于闸门顺利闭合；充水叠梁位置主要根据水密度确定[3]。该枢纽工程浮式检修闸门止水效果与其余叠梁式检修闸门一致，不会因空腔的存在而受到影响。

3.浮式检修闸门设计

3.1 BIM模型构建

浮式检修闸门设计要点包括一类二类焊缝处理、主横梁组装、门体立拼组装及闸门性能试验等，以上控制要点也是闸门质量形成过程中必须重点验证的环节，必须加强控制。

航运枢纽浮式检修闸门内部结构复杂，纵横向桁架交错布置，应用常规二维CAD软件设计时，必将涉及反复计算、绘制及查询工作，存在大量重复性过程。应用INVENTOR软件则能较好解决这一问题，该软件具备庞大的资源中心，只需要从资源中心内调用浮式检修闸门内部桁架结构断面，省去了设计人员反复查询零件手册的繁杂过程；此外，在展开BIM设计时，只需修改BIM模型中的部分参数，便可自动生成闸门模型，工效显著提升。建立的浮式检修闸门BIM模型见图1，闸门内部结构见图2。

图1 浮式检修闸门BIM模型

图2 闸门内部结构

3.2 浮式检修闸门稳定性计算

该航运枢纽浮式检修闸门设计主要面临轻载时吃水浅，浮心不稳；拖运时容易倾斜等难题，这就要求在设计阶段准确确定闸门重心、浮心、灌水量及不同载重状态下吃水深度。按照《干船坞设计规范》（CBT 8524-2011），长度在30m以内的桶形浮式坞门轻载状态下重心应位于浮心以下。对于桶形闸门而言，内部桁架结构复杂，闸门重心若采用常规手工计算则过程非常繁杂，再加上闸阀、滑块及橡胶止水等材料属性存在差异，很容易引发结果偏差。设计上的不合理必然造成检修闸门侧翻、倾倒等运行事故。为此，该航运枢纽浮式检修闸门重心、浮心和配重的计算均采用BIM模型。

暂不考虑配重问题，构建浮式检修闸门BIM模型，按照软件统计数据，该闸门单节重6.296kN，总重56.664kN，重心高5300.15mm。同时，建立5.2m的轻载吃水深度下浮式检修闸门实体模型，通过软件得出模型体积、重心所在以及闸门浮力及浮心值。

考虑到该浮式检修闸门轻载吃水时浮力大小主要与闸门自重有关，故需根据闸门自重确定配重重力。该闸门浮心高度比重心高度低，故设计时应在闸门底部放置全部配重块，此后由软件得出闸门重心高度，取值符合规范。

3.3 辅助结构计算

对于桶形浮式检修闸门而言，内部主梁结构主要有实腹式和桁架式等，各层主梁尺寸不尽相同。在采用常规手工计算的情况下，过程繁琐，结果准确度不高。采用BIM技术直接在软件中建立有限元模型，实现与ANSYS的单向对接，将模型导入分析软件，得出分析结果。

BIM建模与应用模型展开有限元计算之间相互协调，浮式闸门构件结构尺寸可根据经验和手工计算进行初选，再构建BIM模型，并展开模型网格划分，进行结构刚度、强度、稳定性分析计算。根据计算结果，进行模型参数优化调整；此后，重新导入软件复核计算。通过以上过程可以得到精确的构建受力结果，设计质量和进度均有保证。

3.4 图纸生成

传统设计过程中，金属结构往往由不同人员单独设计，最后展开图纸汇总。浮式检修闸门内部桁架结构复杂，同时还涉及充排水闸阀、检修爬梯等的合理布置，如果采用传统设计方法，必将增大人员配合工作量，造成结构参数反复修改。此次设计时，借助BIM软件构建起检修闸门整体模型，再通过软件自带功能导出标准模板的CAD图纸，图纸精度复合设计。最终导出的图纸和原始BIM模型之间存在较强的关联性[4]，模型中任一参数值的调整和修改均会引起图纸的自动修改，确保设计质量及出图准确。

3.5 辅助工程算量

常规水工闸门主要由钢板拼合而成，结构简单，工程量统计容易。但浮式检修闸门内部结构复杂，还涉及充水阀等配套构件，各类杆件工程量若采用传统手工统计必然会降低效率和准确性。应用INVENTOR软件构建起闸门内部模型，并借助软件分型号、分部位自动统计各构件工程量，提升工效和准确性。

浮式检修闸门金属结构工程量统计还包括闸门防腐面积。传统方式下主要根据闸门重量和板厚大致估算，结果存在较大偏差。而BIM软件可自动读取模型表面积，提升防腐面积预测的准确性。

3.6 施工及运维过程模拟

将软件生成的模型导入AUTODESK Navisworks软件，借助模型分解、旋转及可视化施工视频的制作，便于施工人员较好理解设计意图和要点。同时，还可利用BIM软件展开施工进度模拟，自动生成施工进度横道图。该航运枢纽浮式检修闸门体积大，且为双面板设计，制造期间必须展开数次翻身加工，涉及汽车吊、脚手架、千斤顶、起重机等多设备辅助应用，仅凭人工展开现场指挥和组织协调难度非常大。在利用BIM技术后，可以通过软件对闸门吊装、预制加工等过程展开仿真模拟，大大简化闸门制造安装难度。

4.运行情况

按照以上设计思路，该航运辅助枢纽工程浮式检修闸门安装施工任务于2020年6月11日完成，并对每孔泄水闸门均实施了水下试验。试验期间，自动抓梁始终按照设计要求展开自动挂钩与脱钩；待检修闸门闭门后将泄水闸门吊起，进行单节叠梁浮沉及密封性能的检测。结果表明，各孔闸门止水效果均较好，能保证各节叠梁按要求浮出水面。

4.1 启门工况

试验开始前放下泄水闸，等检修闸门内外水位差降至1.0m后拔出抓梁销子上的手柄，借助电动葫芦放下抓梁，使其自动环沿着挂钩斜面自由滑动并顺利进入钩内；此后通过抓梁将叠梁提起，下节叠梁便会自动浮起。其余泄水闸门检修过程可省去，仅吊起叠梁至任一孔口上方锁定，并吊起下节叠梁。

4.2 闭门工况

泄水闸门检修前借助电动葫芦固定抓梁，并确保抓梁上的销子手柄与深槽位置对应；开启电动葫芦将抓梁下放至叠梁位置后，使抓梁电动环沿着叠梁挂钩上斜面自由滑动，最终进入挂钩。此后，将叠梁提起，并将锁锭去除，将叠梁移至检修闸孔口后下放至水面。受到水体浮力作用后叠梁漂浮于水面，随着抓梁的继续下放，自动环将顺着挂钩下斜面继续滑动，销子也同时弹出并卡住自动环，无法返回至挂钩内，此时应提起抓梁，进行其他叠梁吊装，直至将9节叠梁全部下放。随后，叠梁在结构自重的作用下便会在静水中拼装成检修闸门，此时便可吊起闸门检修。

5.结论

综上所述，自动抓梁和浮式叠梁技术在浮式检修闸门中的结合应用较为少见，该组合技术先进，操作便捷，安全可靠，省去了大量的水下作业，使浮式检修闸门启闭工效显著提升。BIM技术的应用可精确得出该航运枢纽工程浮式检修闸门受力情况及浮游稳定性，为闸门结构优化提供可靠依据。BIM技术具备模型创建、二维图纸生成、辅助工程算量、自动干涉检查、动画仿真、施工进度横道图自动生成等功能，能大大简化图纸绘制及修改、参数调整及复核工程量，提升出图效率及准确性。此外，BIM技术还能整合浮式检修闸门从设计规划到施工建设各阶段信息，为后期运维管理提供便利。