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BIM技术在船闸工程金属结构设计中的运用

发表时间：2021/6/15 来源：《基层建设》2021年第6期作者：王英剑

[导读] 摘要：根据船闸金属结构在设计、施工、运行维护全生命周期中的特点，结合湘江大源渡二线船闸等大型船闸实例，基于BIM技术的工程设计、计算分析、优化设计、施工图设计、可视化技术交底、施工可视化指导、现场安装和施工模拟本文从成本计量、运维数据管理、三维导学管理、设施维护管理等方面进行了探讨。

        中国葛洲坝集团机电建设有限公司
        摘要：根据船闸金属结构在设计、施工、运行维护全生命周期中的特点，结合湘江大源渡二线船闸等大型船闸实例，基于BIM技术的工程设计、计算分析、优化设计、施工图设计、可视化技术交底、施工可视化指导、现场安装和施工模拟本文从成本计量、运维数据管理、三维导学管理、设施维护管理等方面进行了探讨。结果表明：在锁具金属结在整个施工生命周期中，BIM技术可以实现数据和信息的共享和充分利用，提高设计、施工、运维管理的信息化水平，降低成本该方法可以提高效率和质量，增强企业竞争力，具有广泛的应用价值。
        关键词：BIM技术；船闸工程；金属结构；运用
        引言
        水利工程涉及面广、投资大、专业性和建设性强建筑结构复杂多样，尤其是水库、水电站、船闸泵站工程等水工结构复杂，机电设备多，管道多线条密集，传统的二维绘图不能直接以文字符号来表达图纸所需要体现的实际设计效果，由此产生过各种特殊性设备管线碰撞、设计变更频繁、数量缺失或大量清点等现象，造成严重浪费，给项目建设管理区域带来困难。
        1 BIM技术的应用
        目前，BIM技术在我国建筑业得到了广泛的应用，但也存在许多问题，在大中型水利工程中的应用尚处于起步阶段。船闸工程金属结构设计、施工、运行和维护阶段引入BIM技术（图1），可以节省大量的设计时间，缩短设计周期，使技术人员有更多的时间和精力研究新的设计理念和方法，探索新的工艺和技术，避免了施工过程中“错、漏、碰、缺”造成的停工、返工问题，有效地提高了设计和工程质量。

        图1 BIM技术在船闸金属结构全周期中的应用
        2 BIM技术在船闸金属结构设计阶段的应用
        2.1设计
        BIM技术发展的最终目标是实现正向设计，充分挖掘可视化和数据的价值，简化设计过程，提高设计质量和效率。对于船闸的金属结构设计，利用BIM技术，设计人员可以从产品的功能要求出发，结合工程实际，通过自顶向下的顺序模拟结构组成，制定初步方案，然后采用模块化的方式设计各个模块，组装成一个完整的系统设置。验证设计方案正确后，对具体结构进行进一步细化，初步完成金属结构设计。在BIM正向设计过程中，结合船闸的制造和安装工艺，对船闸的金属结构进行合理优化。通过虚拟装配模拟施工现场零件的安装，实现了金属结构产品的“错、漏、碰、缺”自检，避免了金属结构安装和零件因设计错误而失效返工等问题，从设计源头上提高质量，保证制造、加工、安装施工的可靠性和合理性。
        基于BIM技术的船闸金属结构设计，还可以实现金属结构与土木工程的协同设计，保证金属结构与土木工程的精确对接。在可视化环境中，对船闸金属结构和金属结构与二期混凝土的空间关系进行优化，保证协同设计的质量，简化专业间的对接过程，提高设计效率。
        2.2算法分析
        2.2.1重心和浮力的算法
        重心和浮心坐标是闸阀的重要设计参数，它直接影响其稳定性和运行效果。传统二维设计大多数模型采用人工计算重心和浮力中心，计算过程复杂计算结果偏差较大。为金属结构的锁，例如阀门和浮式检修门的工作频率很高，如果重心计算偏差过大，连杆会长期倾斜往复该动作对液压启闭装置损伤大，重心偏移过大工作阀容易卡死，造成工程事故。对于浮式检修门，准确计算重心和浮心可以有效避免碰撞自由浮式检修门翻车事故的发生。基于BIM技术进行金属结构设计，可以生成精度较高的零件准重心坐标。在工作阀的设计过程中，根据重心计算结果，可实时优化调整吊耳中心位置设置阀门的位置，使其与阀门重心的坐标垂直一致计算效率大大提高。浮式检修门的设计过程中，提取了BIM模型的重心坐标，计算浮游稳定性，并根据计算结果进行结构方面调整，有效提高了计算结果的准确性，保证了浮式检修门的安全操作。
        2.2.2截面惯性矩
        将BIM技术应用于金属结构的设计中，可以直接生成相应的图形，得到了给定截面的转动惯量，为进一步的结构计算提供了参考，优化后截面的转动惯量增大可实时更新，有效提高了计算效率。
        2.2.3有限元计算
        结构计算是船闸金属结构设计的安全保障。传统的金属结构计算大多基于各种力学基础手工计算，计算过程复杂繁琐，特别是对于复杂的计算结果精度有限，对设计师的要求很高。随着有限元技术的发展，结构计算软件得到了广泛的应用，提高了计算效率，但在一定程度上，复杂的三维建模过程仍然会占用设计师很多时间。利用BIM软件Solidworks构建建立了船闸金属结构的三维数字模型，用于船闸的仿真ANSYS工作台无缝对接，BIM模型导入采用ANSYS对结构进行了分析，根据分析结果对结构进行优化，直到计算结果满足规范要求。
        基于BIM 技术进行金属结构虚拟仿真分析。
        3 BIM技术在船闸金属结构中的仿真应用
        通过建立模型、试验求解和结果分析的过程，运用可视化技术，可以将金属结构的各种状态以图形、图表、动画等形式生动地表现出来，使虚拟仿真的输出更加丰富、细致，有利于仿真的科学分析设计师的成果。基于BIM技术的建筑设计过程性能分析仿真为虚拟建筑模型提供大量的建筑信息（几何信息、材质信息），然后将BIM模型导入相关的性能分析软件，对于水电站的能耗分析、照度分析和绿化分析，具有自适应性。通过建立虚拟样机进行虚拟仿真分析，可以高效、准确地分析船闸导航过程中金属结构的工作情况。与实物样机试验相比，设计周期短，成本低，效率显著提高。
        4 结语
        水利工程规模大，结构复杂，容易与实际施工相冲突。应用BIM技术，并与传统的二维CAD绘图模型进行了比较，解决了工程进度控制难、用料不准等问题。BIM技术在水利枢纽工程中的应用表明，BIM技术可以有效地解决水利工程中设计与施工、结构与材料矛盾问题。在施工中矛盾是不可避免的，要做到有效避免材料浪费，确保工程质量。通过BIM技术的应用极大地改善了工程的组织、设计和施工管理水平，真正帮助水利工程参与到各项工程建设中来。项目经理能够系统地、实时地掌握和理解项目施工动态，给项目业主、设计单位和施工单位带来更好的经济效益。
        参考文献：
        [1]陶书东,李树海,刘成鑫,刘晓光.大型船闸金属结构BIM技术的应用[J].水运工程,2018(01):123-128.
        [2]李辉,吉同元,李鹏飞.船闸工程金属结构探伤装备配置研究[J].港工技术,2020,57(01):71-74.
        [3]王余旺,乔波,杜满,习武,董雷.智能技术在三峡船闸上的应用探讨[J].现代工业经济和信息化,2021,11(02):96-98.