建筑信息模型(BIM)在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

陶敬華 遠(yuǎn) 方 賈 瑛

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.天津市市政設(shè)計(jì)院，天津 300051)

建筑信息模型(BIM)在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

陶敬華 遠(yuǎn) 方 賈 瑛

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.天津市市政設(shè)計(jì)院，天津 300051)

根據(jù)目前我國(guó)海洋工程領(lǐng)域的信息化現(xiàn)狀，提出在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段應(yīng)用BIM技術(shù)(建筑信息模型)實(shí)施BLM系統(tǒng)(建筑工程生命周期管理)的構(gòu)想，從而更快地提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。并針對(duì)海洋油氣開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的問(wèn)題，提出了由Revit(前處理)到SACS(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算)，再到Revit(后處理)的BIM技術(shù)具體實(shí)施方法，采用該方法可為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并為后期的施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段應(yīng)用BIM技術(shù)定下了基調(diào)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);建筑信息模型(BIM);建設(shè)工程生命周期管理(BLM);海洋工程

1 引言

中國(guó)海洋石油總公司在信息化建設(shè)規(guī)劃中提出:實(shí)施企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、決策支持(DDS)、客戶管理(CRM)、供應(yīng)鏈管理(SCM)和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同功能等在內(nèi)的集成管理信息系統(tǒng)［1］。實(shí)施 ERP、CRM、SCM等系統(tǒng)固然重要，但是實(shí)施類似制造業(yè)產(chǎn)品生命周期管理PLM系統(tǒng)的建筑生命周期管理BLM系統(tǒng)，即實(shí)現(xiàn)海洋油氣田的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、改造、廢棄全生命周期管理系統(tǒng)，更能提高公司的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，更有利于公司降低成本、提高效率、保證質(zhì)量［2］。實(shí)施BLM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是構(gòu)建建筑信息模型技術(shù)，BIM技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)建筑信息模型的構(gòu)建，又可以對(duì)BLM系統(tǒng)實(shí)施的方法和過(guò)程提供有效的保證［2-3］;實(shí)施BLM系統(tǒng)的關(guān)鍵階段在于海洋工程中的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，即在工程初始階段應(yīng)用BIM技術(shù)，確保工程質(zhì)量，降低工程成本，縮短工程周期［4-6］。

當(dāng)前關(guān)于BIM技術(shù)和BLM理念在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，由于缺乏統(tǒng)一的思想支持，國(guó)內(nèi)的相關(guān)公司和科研部門所進(jìn)行的研究和實(shí)踐還處于局部應(yīng)用階段。主要有在結(jié)構(gòu)施工階段運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行沖突干涉檢查［7］;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的配管設(shè)計(jì)中運(yùn)用BIM技術(shù)與機(jī)械專業(yè)的沖突干涉檢查［8-9］;并行工程思想在油氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用［10-11］;構(gòu)建三維數(shù)字化的平臺(tái)信息模型，實(shí)現(xiàn)生命周期管理的研究等［12-14］。

2 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

海洋油氣田開(kāi)發(fā)流程一般為ODP編制、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)施工、鉆井施工、安裝調(diào)試設(shè)備、投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)6個(gè)階段。

2.1 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)

(1)ODP編制階段方案多

ODP編制階段又叫概念設(shè)計(jì)階段，即工程的規(guī)劃階段。在ODP編制階段，海洋工程的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)工藝、機(jī)械、電氣、儀表、鉆井、地質(zhì)等其他專業(yè)的要求確定，主要影響因素有:平臺(tái)結(jié)構(gòu)的功能(采油、鉆井、綜合)要求、海洋的氣候環(huán)境(海浪、風(fēng)、海流、潮位、地震等)限制、工程地質(zhì)狀況、施工場(chǎng)所布置、施工機(jī)具的能力等。設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，來(lái)滿足平臺(tái)的生產(chǎn)需求、保證平臺(tái)安全、減少平臺(tái)的投資，需要在ODP編制階段科學(xué)的制定多套開(kāi)發(fā)方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、施工等多指標(biāo)的對(duì)比，確定最優(yōu)開(kāi)發(fā)方案。

(2)ODP編制和設(shè)計(jì)階段涉及專業(yè)多

結(jié)構(gòu)專業(yè)與工程中的多數(shù)專業(yè)都有著密切的聯(lián)系，既要接受總圖、工藝、地質(zhì)、機(jī)電儀、鉆井和環(huán)境等專業(yè)資料，又要向經(jīng)濟(jì)專業(yè)提供資料，并向總圖專業(yè)、工藝、機(jī)電儀等專業(yè)反饋資料。在設(shè)計(jì)過(guò)程中與其他專業(yè)協(xié)作，避免專業(yè)間的沖突(如結(jié)構(gòu)與配管、工藝、機(jī)械等專業(yè))，是海洋工程設(shè)計(jì)中的一大難題。

(3)ODP編制和設(shè)計(jì)階段變更多

海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可變性比較大，由于各種因素的影響，設(shè)計(jì)變更是經(jīng)常的和不可避免的。主要有因水深變化增加導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更，因地質(zhì)鉆孔資料導(dǎo)致樁基和導(dǎo)管架變更，因地震加速度變化增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變更，因上部布置和重量改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變更，因施工方案改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變更等。

2.2 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

目前我國(guó)在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中使用最多的軟件是Autodesk公司的AutoCAD，還處于傳統(tǒng)的二維的設(shè)計(jì)模式。CAD技術(shù)的普及大大提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的發(fā)生，但是這種設(shè)計(jì)方式已經(jīng)很難滿足迅猛發(fā)展的海洋工程的設(shè)計(jì)需求，主要表現(xiàn)在［14］:

(1)工作效率低

在現(xiàn)在的平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員必須將平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)構(gòu)思好，再用線條繪制表達(dá)二維圖形，加上各種尺寸標(biāo)注，工作量大而且繁瑣，無(wú)法將精力完全集中在平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)造性構(gòu)思上。

(2)可視化差，交流困難

與業(yè)主交換平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)想時(shí)無(wú)法形象化的反映平臺(tái)全貌，信息交流困難。

(3)設(shè)計(jì)差錯(cuò)難免

海洋平臺(tái)的建造規(guī)模大，耗資大，在實(shí)際工程中必須要減少出錯(cuò)的可能，但在實(shí)際建造中，由于工程復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)許多設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)料不到的問(wèn)題，常常會(huì)引起工程返工、延期，造成不必要的損失。

(4)設(shè)計(jì)變更修改困難

設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谒蛯?、建造過(guò)程中，會(huì)發(fā)生變動(dòng)和調(diào)整，需要對(duì)圖紙進(jìn)行修改和補(bǔ)充，無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)支持的設(shè)計(jì)工作需要對(duì)圖形重新繪制，重新標(biāo)注，大大降低了工作效率。

(5)資料信息管理困難

設(shè)計(jì)過(guò)程中需要的大量原始數(shù)據(jù)和規(guī)范等依靠手工查詢，對(duì)龐雜的工程數(shù)據(jù)管理方法也比較落后，沒(méi)有統(tǒng)一的管理系統(tǒng)，大量的電子圖紙和文檔散落在個(gè)別設(shè)計(jì)人員中，對(duì)它們有效的管理變得十分困難。這樣的方法雖然能滿足實(shí)際的工程應(yīng)用，但使用效率很低，給設(shè)計(jì)人員增加了很多工作量，而且數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率大大增加，數(shù)據(jù)的一致性和設(shè)計(jì)質(zhì)量得不到保證。

(6)版本控制困難

一項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)從設(shè)計(jì)到校對(duì)、審核、審定等要經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)，工程圖紙、設(shè)計(jì)文檔等需要多次修改，會(huì)產(chǎn)生許多中間版本，并且每個(gè)設(shè)計(jì)人員的圖紙也時(shí)有版本混淆等問(wèn)題，由于沒(méi)有輔助性的管理軟件，所以進(jìn)行嚴(yán)格的版本控制比較困難。

3 BIM技術(shù)

3.1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)將建筑工程項(xiàng)目中的單一構(gòu)件或物體作為基本元素，將描述基本元素的幾何數(shù)據(jù)、物理特性、施工要求、價(jià)格資料等相關(guān)信息有機(jī)地組織起來(lái)，形成一個(gè)數(shù)據(jù)化的建筑模型，作為整個(gè)建筑工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資料庫(kù)。這些圍繞建筑物構(gòu)件或物體組織起來(lái)的數(shù)據(jù)不僅只是簡(jiǎn)單地反映了建筑元素的幾何特征、物理屬性等特性，相互之間還保持著作為建筑整體一部分的空間關(guān)系和邏輯關(guān)系，作為虛擬空間的數(shù)字化建筑物，形成了完整的、有層次的信息系統(tǒng)。

BIM具有承載各種信息的能力，整個(gè)建筑相關(guān)的信息和一整套設(shè)計(jì)文檔存儲(chǔ)在集成數(shù)據(jù)庫(kù)中，所有信息都已數(shù)字化，完全相互關(guān)聯(lián)，可以在BIM上構(gòu)建各個(gè)專業(yè)協(xié)同工作的平臺(tái)。這不但消除了以前各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)軟件互不兼容、溝通渠道不暢的現(xiàn)象，還實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)的信息共享及有效管理。

在工程項(xiàng)目全生命周期中(決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管理、拆除后再利用等階段)，各個(gè)專業(yè)可以根據(jù)自己的需要在BIM中提取自己所需要的數(shù)據(jù)，來(lái)完成各自的決策、分析設(shè)計(jì)、管理等目的。同時(shí)從BIM中獲取信息時(shí)，也不斷地把本專業(yè)創(chuàng)建的信息加入到BIM中去，以提供給其它專業(yè)使用。如此使工程中各參與人員通過(guò)BIM緊密地聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同工作的目的。

3.2 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要BIM技術(shù)

將BIM技術(shù)引入海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上述二維設(shè)計(jì)模式中所遇到的難題，如工作效率低、可視化差，交流困難、設(shè)計(jì)差錯(cuò)難免、設(shè)計(jì)變更修改困難、資料信息管理困難、版本控制困難等可迎刃而解。同時(shí)考慮到海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)(諸如ODP編制階段方案多、ODP編制和設(shè)計(jì)階段涉及專業(yè)多、ODP編制和設(shè)計(jì)階段變更多)，應(yīng)用BIM技術(shù)還可以更好地協(xié)調(diào)各專業(yè)，最大程度地避免施工階段的變更，真正做到降低成本，提高生產(chǎn)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的初始階段，在此引入BIM技術(shù)對(duì)于實(shí)施BLM具有重要意義。同時(shí)在施工階段、投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)階段、維修評(píng)估階段利用信息并補(bǔ)充信息到信息模型中，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)信息的創(chuàng)建、共享和交流，即實(shí)施BLM系統(tǒng)，將提高海洋油氣開(kāi)發(fā)的效率和質(zhì)量，降低工程成本，使企業(yè)充分利用信息化技術(shù)來(lái)提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 BIM技術(shù)的實(shí)施

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)施BIM的技術(shù)方案

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段中引入BIM技術(shù)，主要是實(shí)現(xiàn)建筑信息模型的創(chuàng)建，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)部分的信息共享和交流。具體的實(shí)施方案為:

應(yīng)用Autodesk公司的基于BIM技術(shù)的軟件Revit，在(預(yù))可行性研究和ODP編制、設(shè)計(jì)階段構(gòu)建結(jié)構(gòu)專業(yè)的建筑信息模型BIM，同時(shí)采用美國(guó)EDI公司的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SACS進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于SACS不支持IFC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此采用微軟公司的Microsoft Visual Studio 2005中的VB.NET語(yǔ)言對(duì)Revit進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成兩者的兼容性。由此實(shí)現(xiàn)CAD到CAE的自動(dòng)化，即Revit(前處理)——SACS(設(shè)計(jì)計(jì)算)——Revit(后處理)，這樣可以極大地發(fā)揮BIM的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)。具體的實(shí)施方案如圖1。

圖1 BIM技術(shù)在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)施方案

圖2 BIM技術(shù)應(yīng)用到工程生命周期的實(shí)施方案

4.2 在油氣開(kāi)發(fā)工程中實(shí)施BLM方案

BIM技術(shù)應(yīng)用在海洋石油平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段，形成工程項(xiàng)目的全生命周期管理系統(tǒng)BLM，在(預(yù))可行性研究和ODP編制、設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始構(gòu)建建筑信息模型BIM，并與后期的施工、調(diào)試、運(yùn)行相互共享信息。

應(yīng)用Autodesk公司的協(xié)同管理軟件Autodesk Buzzsaw構(gòu)建建筑信息模型BIM的信息交流和共享平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的協(xié)作管理，包括文檔管理、設(shè)計(jì)管理、圖層和參照管理、運(yùn)營(yíng)管理，如圖2。

5 實(shí)例演示

首先應(yīng)用Revit設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的BIM初步模型，然后將模型信息傳入海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SACS中，通過(guò)計(jì)算分析確定各部分構(gòu)件截面尺寸，并將分析結(jié)果傳回Revit系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。Revit系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)模型包含了結(jié)構(gòu)各種物理幾何信息，可根據(jù)需要在設(shè)計(jì)的不同階段提供設(shè)計(jì)方案。圖4為ODP編制階段的工程圖，圖5為基本設(shè)計(jì)階段的工程圖，圖6為結(jié)構(gòu)工程料單統(tǒng)計(jì)。Revit中生成的二維圖紙可以方便地以AutoCAD格式輸出。

6 結(jié)論與展望

信息技術(shù)革命正在猛烈地沖擊著社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，給社會(huì)文明帶來(lái)飛速的發(fā)展。實(shí)施ERP、CRM、SCM等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理的信息化固然提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，但是實(shí)施BLM系統(tǒng)實(shí)施海洋油氣開(kāi)發(fā)工程全過(guò)程的生命周期管理更能提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，更有利于企業(yè)降低成本、提高效率、保證質(zhì)量。

圖3 結(jié)構(gòu)在SACS(左)和Revit(右)中的三維可視化模型

在海洋工程中的設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)不僅可以解決目前二維設(shè)計(jì)模式中遇到的難題，而且針對(duì)海洋油氣開(kāi)發(fā)中的特點(diǎn)，可以更好地協(xié)調(diào)各個(gè)專業(yè)，避免工程施工階段的變更，真正降低開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

由于中國(guó)海洋工程領(lǐng)域的行業(yè)割據(jù)比工業(yè)與民用建筑業(yè)的要小，因此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段各個(gè)專業(yè)實(shí)施BIM技術(shù)的行業(yè)障礙比較小，同時(shí)在施工階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段實(shí)施BIM技術(shù)的難度比較低。

目前在海洋工程領(lǐng)域?qū)嵤〣IM技術(shù)還處在初級(jí)階段，本文通過(guò)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段實(shí)施BIM技術(shù)，展示了實(shí)施BIM技術(shù)所帶來(lái)的巨大效益，希望能對(duì)在海洋油氣開(kāi)發(fā)工程中BIM技術(shù)的推廣和實(shí)施提供參考。

圖6 結(jié)構(gòu)工程料單統(tǒng)計(jì)

［1］www.cnooc.com.cn(中國(guó)海洋石油總公司).

［2］朱戰(zhàn)備.產(chǎn)品生命周期管理為企業(yè)創(chuàng)實(shí)效，www.amt.com.cn/upload/2007_06/07062512115464.doc.

［3］李永奎.建設(shè)工程生命周期信息管理(BLM)的理論與實(shí)現(xiàn)方法研究:［博士學(xué)位論文］，上海;同濟(jì)大學(xué)，2007.

［4］朱戰(zhàn)備.產(chǎn)品生命周期管理產(chǎn)生的背景，http://www.amteam.org/k/PLM/2003-9/470181.html.

［5］the Architectural/Engineering Productivity Committee of The Construction Users Roundtable(CURT)，Collaboration，Integrated Information and the Project Lifecycle in BuildingDesign，Construction and Operation.2004.

［6］NIBS National BIMStandard Project Committee，http://cic.vtt.fi/projects/vbe-net/data/BIM_Slide_Show.pdf，2006.

［7］倪紅雨.從二維到三維，機(jī)械制造，2007，515(45):73-76.

［8］張益公.AutoPLANT3D在海洋石油工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，工程設(shè)計(jì)CAD 與智能建筑，2001，5:23-26.

［9］張益公.三維CAD技術(shù)在海洋石油工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，中國(guó)造船，2003，44(2):96-99.

［10］向守安.平行工程與海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造，中國(guó)海上油氣(工程)，1999，11(1):57-59.

［11］向守安.再論平行工程與海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造，中國(guó)海上油氣(工程)，2002，14(2):48-50.

［12］楊樹(shù)耕，陳越等.海洋平臺(tái)工程數(shù)據(jù)庫(kù)與三維實(shí)體建模技術(shù)研究，船舶工程，2003，25(5):11-14.

［13］周愫承，奚立康等.船舶及海洋平臺(tái)三維實(shí)體造型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)筑，船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，2001，191(3):36-39.

［14］陳越.海洋平臺(tái)三維建模CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究:［碩士學(xué)位論文］，天津;天津大學(xué)，2003.

The Study of the Application of BIMTechnology in the Structural Design of Marine Engineering

Tao Jinghua1，Yuan Fang1，Jia Ying2

(1.College of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China;
2.Tianjin Municipal Engineering Design of Research Institute，Tianjin300051，China)

According to the status of marine engineering's informatization in China，this paper puts forward application of BLM(Building Lifecycle Management)which can improve the core competitiveness of an enterprise by applying BIM(Building Information Modeling)in design，construction，operation maintenance phase of a project.In the light of the characteristics of marine oil and gas development and the problems of structural design phase，this paper puts forward a new automatic design approach that applying BIMtechnology to the structural design realize the Revit(Pre-treatment)-SACS(structural design and calculation)-Revit(after-treatment)process，which could bring huge economic benefits and set the tone for the implementation of BIMtechnology in the latter construction，operation maintenance phase.

Structural Design;Building Information Modeling(BIM);Building Lifecycle Management(BLM);Marine Engineering

P752;TU311.41

A

1674－7461(2011)01－0021－05

遠(yuǎn)方(1963－)，男，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)和研究工作。E-mail:yyuanffang@126.com