基于BIM的水闸消能工优化设计应用研究

基于 BIM的水闸消能工优化设计应用研究

檀颖

南京瑞迪建设科技有限公司 江苏省南京市 210000

摘要：随着水利信息化的不断发展，BIM设计软件已经广泛应用于水利、市政、建筑、铁路等行业。BIM设计软件Revit可以方便模型的参数化和联动，具有便捷的二次开发界面，满足水利行业的不同需求；为了总结水闸的建模过程，实现参数化批量设计，解决水闸消能工消能效率低的问题，采用“BIM+数值模拟”的方法对消能工方案进行优化设计研究。研究表明，低水头、低弗劳德数水闸的消能效率并未因改变水池长度和深度或采用SAF新型消力池而得到显著提高，但消力池中增设消力墩的消能效果最好。该研究提高了消能工的消能效率，增强了BIM与数值模拟的协同性，为水闸消能工的设计和优化提供了参考。

关键词：BIM;Ｒevit二次开发;参数化建模;数值仿真;消能工优化设计;消能效率

1设计过程

预处理阶段是结合BIM优化设计+数值模拟的方式。预处理阶段的建模取自BIM模型，然后在网格生成软件中生成网格。后处理结果经过分析后，反馈到BIM模型，修改模型尺寸优化方案。

2工程应用

水闸位于汕头沿海，是集防洪排涝、挡潮、通航、调节内陆水位于一体的综合工程。本工程设计洪水位为20年一遇，校核洪水位为50年一遇。挡潮标准采用50年一遇潮位。水闸正常水位为1.39 m，内河洪水位为1.47 m，水闸下游外河洪(潮)水位为2.42m，最大闸流量为100 m3/s ~ 1000 m3/s，工程等级为三级，为中型双孔水闸。水闸对称布置在整体钢筋混凝土结构中。闸室沿水流方向长度为15.0 m，闸孔总宽28.8 m，单孔净宽12.0 m，布置2个孔。中墩厚1.8 m，边墩厚1.5 m。

闸门底板标高为-2.11米，闸门顶部标高为3.95米，设置一个扁钢闸门，左门洞(通航孔)为双叶闸门，右门洞(非通航孔)为常规闸门，采用动水启闭。

从上游到下游主要建筑物为上游防冲沟、上游洪水、消力池、闸室、消力池、下游洪水和下游防冲沟。

3基于Revit建立水闸三维模型

BIM技术很少用于水利工程建模。目前还没有专门用于水利行业的3D建模软件。Revit是一个Autodesk平台软件。建模原理是通过图元组成的族，以及项目模板中参考平面和网格的约束，形成建筑信息模型。

在Revit中，水利工程的三维建模是通过使用族和项目模板来完成的。项目样板由不同的族组装而成，族是在Revit中构建水工结构模型的起点。通过族的组合可以实现任意几何形状的建筑建模，进而完成本项目的建模。

(1)创建地质模型，可以为设计提供更直观的设计体验。通过Revit引入Dynamo可视化编程插件[10]，创建参数化三维地质模型。

(2)创建家庭。在Revit中，族是组成模型以传递信息的基本单位。族创建步骤:(1)设置尺寸精度和工作平面；②通过参数控制绘制剖面图；③建筑材料的设置；(4)族文件参数化测试，通过改变族的结构尺寸参数来测试模型尺寸是否发生变化。

(3)三维模型创建。在创建三维族模型时，可以通过拉伸、融合、旋转、放样和放样融合得到实心和空心的三维族模型。

(4)项目组装。项目模板中族的组装过程如下:

1)在视图中选择合适的平面；2)设置标高；3)设置轴网格，形成定位家庭成员的区域网格；4)加载家庭，将家庭成员定位到由网格和立面组成的空间位置；⑤设置全局属性参数。

4Revit二次开发在水闸参数化建模中的应用

在水闸建模中，利用Revit二次开发插件[11]在消能工模拟实验前进行批量建模，可以通过可视化面板实现修改模型尺寸、调整模型数量和位置的功能，为后期消能工数值模拟实验奠定基础，从而实现BIM与水流数值模拟相结合的目标，避免二次建模，提高计算效率。

5闸消能工数值模拟优化设计

5.1水闸消能工原设计参数

在原设计中，根据规范[12]，对水跃长度和消力池深度进行了初步计算，并对水闸消能工进行了优化。

5.2水闸消能工优化设计方案

根据工程实际情况，提出了提高水闸消能效率的优化模拟试验方案:

(1)方案一:增加水池长度和深度。原设计中，消力池水平长度为11.8米，消力池总长度为15.0米，池深为0.8米，考虑增加池长和池深。池长增加至16.0米，消力池池深增加至1.0米..

(2)方案二:在原设计基础上设置消力墩。消力墩尺寸:墩高A = 0.8m，墩宽s=墩距s0=

0.6m，位于消力池1/3L2处。

(3)方案三:SAF消力池，在消力池前增加导流墩，墩高A1 = H1 = 0.8m；桥墩宽度W1=0.6m，桥墩间距S1 = 0.75 h1 = 0.6m；在消力池内增设消力墩，墩高a2=0.8m，墩宽W2=0.6m，墩距S2 = 0.6m..消力墩布置在距导流墩1/3L1处，以保证其消能功能充分发挥。消力池水平段长度按l = 12.5m米计算..

(4)方案四:SAF消力池(不改变池长)。研究表明，虽然新型消力池的应用相对成熟，但在低弗劳德数、低水头、低尾水的条件下，很难达到令人满意的消能效果[13]。因此，为了降低消力池的优化成本，在不改变消力池长度的情况下，只增加导流墩和消力墩，提高SAF消力池的试验。水池原设计长度为L=15m。

5.3消能工优化设计方案的数值模拟分析

对消力池的原设计和四种优化方案进行了数值模拟。采用VOF两相流模型和K-ε湍流模型耦合[14]模拟消能工的水气两相流，比较各方案的流量分布和消能效果，从而优化消能工的设计。

5.3.1BIM模型导入和网格划分

三维计算模型来源于BIM模型。在FLUENT软件中加载待计算的消力池部分。泄水闸式消力池的网格数约为100万，其尺寸范围为0.15米至0.4米

5.3.2消能工模拟的边界条件

在原设计的基础上，对消能工进行了数值模拟计算。(1)水力参数。根据消力池原有的设计条件，对消能工进行了优化，选择了水闸运行中可能出现的最不利工况组合作为计算边界条件。

(2)其他边界条件。上游进口压力为19400Pa(已知流量通过能量方程转化为压力)，进出口水体积分数为1，上游水位为1.39m；下游水位-0.51米，水深1.6米；水和固体的边界是无滑移边界；计算残差设置为0.001；计算步长为0.02 s，计算3000步。五组模拟实验的边界条件相同。

5.3.3原设计模拟试验对比分析

设定边界条件后，首先利用上述边界条件对原设计消力池进行模拟。采用VOF两相流模型追踪水面线后，发现闸后收缩水深为0.798m，跃变水深为2.863m，跃变长度为11.46m，与原设计按规范计算结果基本一致，证明了设置该数值模拟模型边界条件的可行性，进而对消能工进行了数值模拟优化设计。

5.3.4速度矢量的变化

分析比较了五种消能方式的速度矢量分布。原设计消力池内翻滚不明显，5m/s以上面积分布最多，侧向扩散效果差，动能变化不大；方案一，碾压不明显，侧向扩散效果差，5m/s以上面积比原设计减少；方案二，消力池内翻滚明显，5m/s以上区域分布短，侧向扩散效果好，池内动能变化大；方案3中，水面起伏明显，但消力池后大于5m/s的面积分布较多，说明动能削减不足；方案4中，水面旋转明显，速度5m/s以上的区域较短。与方案3相比，消力池坎附近的水流波动较大，说明消力池后壁也起到了消能作用，动能降低率较高。对比分析消力池流速矢量分布图，方案2的消力墩设计和方案4SAF(原池长)的消力池设计，降低动能效果更好。

6结论

BIM的应用是基于使用BIM建模软件创建三维模型，从而为设计阶段[16]、施工阶段[17]等服务。本文利用BIM技术建立水闸三维模型，并将BIM模型与数值模拟技术相结合，研究水闸消能工的优化，从而实现水闸消能工方案的优化设计。

(1)在创建三维模型时，可以使用Revit二次开发来提高建模效率，为后续的仿真实验奠定基础，避免二次建模，提高计算效率。

(2)通过导出Revit中间格式文件，并结合FLUENT进行数值模拟预处理，选择VOF模型和RNGK-ε湍流模型对水闸消力池水流进行模拟，从而获得水流的流动特性，实现BIM与数值模拟技术的融合。

(3)在消能工优化设计的研究中，选取了四组优化方案作为与原设计的对比。模拟结果表明，在低弗劳德数、低水头的水闸中，消力池增设消力墩的消能效率最高，比原设计提高了22.39%。

参考文献:

［1］余卓憬，郭占池，黄克戬，等．水电工程BIM应用现状

［2］陈卓英，倪培桐．低水头拦河闸重建工程消能工优化布置试验研究［J］．水利与建筑工程学报，2017，15(2):49-54．