BIM在復(fù)雜多曲面船閘輸水廊道建造中的應(yīng)用

黃天榮

（上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心開發(fā)有限公司，上海 200082）

BIM在復(fù)雜多曲面船閘輸水廊道建造中的應(yīng)用

黃天榮

（上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心開發(fā)有限公司，上海 200082）

基于BIM三維空間技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了船閘輸水廊道前端復(fù)雜多曲面異形空間設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并結(jié)合BIM對(duì)輸水廊道前端進(jìn)行施工模板拆分、拼接、安裝及工程量統(tǒng)計(jì)等工作，解決了船閘輸水廊道復(fù)雜多曲面異形空間施工難題。工程實(shí)踐表明，該辦法簡(jiǎn)單易行、效果顯著，可縮短工期與節(jié)約成本，是一種可復(fù)制、易推廣的新技術(shù)。

建筑信息模型；復(fù)雜多曲面；優(yōu)化；模擬；應(yīng)用

0 引言

BIM（Building Information Model，建筑信息模型）是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)建筑物理和功能特征進(jìn)行數(shù)字式表達(dá)，并集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的一種工程數(shù)據(jù)模型[1]。由于BIM技術(shù)具有信息共享及虛擬建模的優(yōu)勢(shì)，21世紀(jì)以來BIM的應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展，正逐步成為一種取代二維圖紙的新型信息模型。在我國(guó)，BIM正日益得到重視與應(yīng)用，先后有北京奧運(yùn)會(huì)水立方、上海世博會(huì)地下變電站、上海中心以及上海迪斯尼等重點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)[2]。然而，當(dāng)前BIM的應(yīng)用主要局限于工民建、市政等領(lǐng)域，BIM在水運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步[3]，由于水運(yùn)工程是建筑業(yè)的重大組成部分，推進(jìn)BIM技術(shù)在水運(yùn)工程的應(yīng)用，勢(shì)必對(duì)全面促進(jìn)我國(guó)建筑業(yè)信息化[4]、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力與效益等有巨大的積極意義。

以上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心西船閘輸水廊道前端為例，介紹了BIM在船閘輸水廊道前端復(fù)雜多曲面異形空間設(shè)計(jì)及優(yōu)化中的應(yīng)用，并結(jié)合BIM三維模型對(duì)復(fù)雜多曲面異形空間進(jìn)行了模板拆分、拼接、安裝以及工程量統(tǒng)計(jì)等工作，提高了施工精度，縮短了施工工期與節(jié)約成本，為工程順利竣工提供了有力保障。BIM在上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心西船閘輸水廊道實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用，并取得了良好的效果，可為類似的水運(yùn)工程項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)提供有益的技術(shù)借鑒。

1 工程概況

上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心位于上海市虹口區(qū)北外灘匯山地塊，東起秦皇島路輪渡站，西至公平路輪渡站，北側(cè)為擬建的大連路泵站搬遷工程，南臨黃浦江。由于項(xiàng)目為公共環(huán)境工程，項(xiàng)目進(jìn)行了別具一格的創(chuàng)新濱水景觀設(shè)計(jì)[5]，其亮點(diǎn)之一便是在地塊設(shè)置了西船閘將游艇碼頭與黃浦江相連。為保證船閘輸水穩(wěn)定、減小噪聲以及節(jié)水、節(jié)地等，項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)了垂直于河道的內(nèi)循環(huán)單側(cè)輸水系統(tǒng)[6]，輸水廊道前端采用復(fù)雜多曲面異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證輸水，如圖1所示。

圖1 輸水系統(tǒng)及輸水廊道異形曲面Fig.1 Filling system and the culvertw ith com plex curved shape

由于該輸水系統(tǒng)為首創(chuàng)，有關(guān)復(fù)雜多曲面輸水廊道的建造并無先例，而工藝要求混凝土結(jié)合面平整光滑、無錯(cuò)縫，且澆筑時(shí)不允許能漏漿、掛漿、蜂窩等現(xiàn)象。同時(shí)，本工程進(jìn)度要求緊、施工難度大，為了保障項(xiàng)目能順利按時(shí)完成，項(xiàng)目決定引進(jìn)BIM三維建模技術(shù)指導(dǎo)這種復(fù)雜多曲面異型空間的設(shè)計(jì)與施工。

2 空間信息及優(yōu)化

2.1 空間信息三維展示

由于船閘輸水廊道為一典型的復(fù)雜多曲面異形結(jié)構(gòu)，形狀較為復(fù)雜，而且也非常不規(guī)則，平面CAD的二維圖紙很難將設(shè)計(jì)意圖表達(dá)清楚，容易造成參建各方對(duì)圖紙理解不一致，造成出錯(cuò)甚至釀成重大工程質(zhì)量事故。

為準(zhǔn)確表達(dá)復(fù)雜的設(shè)計(jì)意圖，減少理解偏差，提高項(xiàng)目參建各方的溝通效率，項(xiàng)目組基于BIM技術(shù)建立了船閘輸水廊道三維實(shí)體模型，并在此模型上加以空間尺寸標(biāo)注，直觀定量表達(dá)出船閘輸水廊道的形狀、尺寸以及相對(duì)關(guān)系等，實(shí)現(xiàn)了船閘輸水廊道復(fù)雜多曲面異形空間設(shè)計(jì)。通過這一三維實(shí)體模型的展示，參建各方真正掌握了設(shè)計(jì)意圖，指導(dǎo)了船閘輸水廊道的建造。模型圖詳見圖2。

圖2 船閘輸水廊道空間信息Fig.2 Space information of culvert in ship lock

2.2 設(shè)計(jì)信息優(yōu)化

2.2.1 帶狀輪廓修改

通過對(duì)輸水廊道三維模型進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)了原先設(shè)計(jì)的進(jìn)水口左側(cè)帶狀輪廓過于復(fù)雜，會(huì)大大增加模板施工的難度及造價(jià)，于是將原來帶狀輪廓改成線狀。此外，仔細(xì)研究輸水廊道前端內(nèi)部空間后發(fā)現(xiàn)，空間過小可能影響檢修操作，在與船閘未來運(yùn)營(yíng)單位溝通后，在輸水廊道前端右側(cè)增加了檢修爬梯，方便從側(cè)邊進(jìn)行檢修操作。

2.2.2 圓倒角變直

BIM三維模型還顯示，輸水廊道輪廓的圓弧倒角曲面擬合收縮均過于復(fù)雜，嚴(yán)重影響了后期模板的安裝及施工質(zhì)量，在不影響水力條件和規(guī)范要求的前提下，對(duì)輸水廊道設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，將區(qū)域內(nèi)圓倒角全部平滑過渡直倒角。

3 施工模板及優(yōu)化

由于前端輸水廊道空間結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，其配套的異形多曲面模板安裝比較困難，而施工精度要求高，施工難度大，因此項(xiàng)目組結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)模板工程進(jìn)行專項(xiàng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3.1 模板加工方案

經(jīng)過研究，項(xiàng)目組提出兩套輸水廊道前端的模板加工方案。方案一是數(shù)控機(jī)床加工方案，整個(gè)輸水廊道前端按照復(fù)雜程度分為三大塊，每塊模板在數(shù)控機(jī)床上獨(dú)立成型后駁運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后吊裝、焊接；方案二則是基于BIM的可拆卸鋼模板加工方案，利用BIM技術(shù)將復(fù)雜多曲面異形結(jié)構(gòu)拆分為若干塊，每塊單獨(dú)加工生產(chǎn)，采用鋼板和模板支撐分塊焊接和拼裝，最后再拼接成型。

上述兩方案中，方案一技術(shù)可行、工程質(zhì)量有保障，但經(jīng)濟(jì)性欠差，且鋼板加上支撐體系重量偏大，吊裝、拼接異常困難，而施工現(xiàn)場(chǎng)操作空間有限，如采用駁船浮吊，作業(yè)半徑過長(zhǎng)限制了單次起吊的重量。而方案二更適合現(xiàn)場(chǎng)施工，安裝較為便捷，施工質(zhì)量同樣可以控制，最為重要的是方案二的模板可拆卸，這樣在后期的東船閘工程可重復(fù)利用，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯。

綜上，經(jīng)過技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性的比較，最終選定方案二為輸水廊道復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的模板加工方案。

3.2 基于BIM的優(yōu)化

為配合模板施工，BIM在輔助模板設(shè)計(jì)、驗(yàn)證模板拆分方案、校核模板生產(chǎn)、進(jìn)行模板安裝和拆除分析等環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要作用，涵蓋了模板設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝到拆除四個(gè)環(huán)節(jié)?？梢哉f，BIM技術(shù)的應(yīng)用貫穿了西船閘輸水廊道前端異形結(jié)構(gòu)施工的全過程。

3.2.1 模型

通過與模板生產(chǎn)廠商溝通，初步了解模板設(shè)計(jì)方案及生產(chǎn)加工細(xì)節(jié)，根據(jù)與生產(chǎn)廠商溝通的結(jié)果，建立了模板的BIM三維實(shí)體模型，并以此為基礎(chǔ)輔助模板細(xì)部設(shè)計(jì)、進(jìn)行拆分嘗試等，以最終提出切實(shí)可行的拆分方案，滿足制作方便、安裝準(zhǔn)確及與吊裝的要求。

3.2.2 生成拆分方案

對(duì)于模板的拆分，實(shí)際上有無數(shù)種不同的方案可供選擇。結(jié)合工程施工經(jīng)驗(yàn)，考慮到工序流程、拆分方便及精確安裝等，運(yùn)用BIM技術(shù)有針對(duì)性地進(jìn)行了拆分和安裝模擬，發(fā)揮了BIM技術(shù)特有的虛擬結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)勢(shì)，最后把模板拆分為如圖3的8大塊。

圖3 模板拆分方案Fig.3 Splitting schemeof the template

3.2.3 校核模板拼接

為了確保施工中無漏漿、掛漿、蜂窩等現(xiàn)象，根據(jù)模板生產(chǎn)后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用BIM技術(shù)進(jìn)行了模板的拼接復(fù)核，如果量測(cè)縫隙小于或等于2 mm，就不需要采取止?jié){措施，如大于2 mm，就根據(jù)縫隙的具體情況采取止?jié){條或其他措施，避免漏漿或掛漿等問題。

3.2.4 模擬安裝和拆模

利用BIM技術(shù)的虛擬漫游功能，對(duì)模板工程進(jìn)行了模擬安裝及拆模，參建各方因此清楚知道整個(gè)拼接安裝的空間結(jié)構(gòu)，并得出了最窄位置的準(zhǔn)確定位，了解施工難點(diǎn)及關(guān)鍵工序，并有針對(duì)性地采取了措施，并為腳手架的布置提供了重要信息。最終，本模板工程施工準(zhǔn)備充分，實(shí)現(xiàn)了完全的預(yù)控，保證了施工質(zhì)量。

3.2.5 模板工程算量

通過三維建模、設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工模擬等，項(xiàng)目組擁有了最貼近真實(shí)構(gòu)筑物的三維BIM模型，以及大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和文檔資料?；谶@些信息，實(shí)現(xiàn)了模板的工程量精確統(tǒng)計(jì)，為模板的預(yù)決算工作提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)具體數(shù)據(jù)如下：前端輸水廊道迎水面積306.89 m2，而輸水廊道前端的6 mm鋼模板體積為1 547 944 cm3，換算后得到輸水廊道前端的模板總重量12.15 t。

4 實(shí)施效果

通過BIM技術(shù)進(jìn)行船閘輸水廊道的建造，參建各方的溝通效率得到明顯提升，尤其對(duì)施工的指導(dǎo)作用很大，分部分項(xiàng)工程驗(yàn)收合格率達(dá)到100%，施工質(zhì)量得到了保證，并最大程度減少了返工，工程建設(shè)收到了極好的效果。與原先的施工進(jìn)度計(jì)劃[7]相比，剔除其他因素影響，采用BIM技術(shù)使西船閘項(xiàng)目提前竣工23 d，實(shí)現(xiàn)了縮短工期與節(jié)約成本的目的。

5 結(jié)語

通過本例可見，應(yīng)用BIM技術(shù)解決了船閘輸水廊道復(fù)雜多曲面異形空間施工難題。該項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)單易行、效果顯著，不但能節(jié)約工期與成本，更能使項(xiàng)目增值及提升企業(yè)品質(zhì)。作為建筑業(yè)的重大組成部分，水運(yùn)工程中存在許多復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物，推動(dòng)BIM在水運(yùn)工程的應(yīng)用，將能有效破解這些復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物的建造難題，BIM在水運(yùn)工程領(lǐng)域存在著廣泛的應(yīng)用空間，這也是全面促進(jìn)我國(guó)建筑業(yè)信息化、提升我國(guó)水運(yùn)建設(shè)相關(guān)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力與增加其經(jīng)濟(jì)效益的必由之路。

[1]美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)編寫委員會(huì).美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn) [M].1版.華盛頓：美國(guó)國(guó)家建筑科學(xué)研究院，2006. Committee of American national standard for BIM.American nationalstandard for BIM[M].1sted.Washington:American National Instituteof Building Sciences,2006.

[2]陳延敏，李錦華.國(guó)內(nèi)外建筑信息模型BIM理論與實(shí)踐研究綜述[J].城市，2013（10）：72-76. CHEN Yan-min,LI Jin-hua.Overview of theory and practice of domestic and overseas building information models[J].City,2013 (10):72-76.

[3]劉仲軍.天津港國(guó)際郵輪碼頭客運(yùn)大廈BIM技術(shù)的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)，2012，12（8）：40-44. LIU Zhong-jun.Application of BIM technology for passenger's mansion of Tianjin Port International Cruise Terminal[J].China Water Transport,2012,12(8):40-44.

[4]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要[EB/OL].（2011-05-10）[2015-02-03]http：//www. mohurd.gov.cn/zcfg/jsbwj_0/jsbwjgczl/201105/t20110517_203420. htm l. Ministry ofHousing and Urban-RuralDevelopmentof the People's Republic of China.Development program of construction information from 2011 to2015[EB/OL].（2011-05-10）[2015-02-03]http: //www.mohurd.gov.cn/zcfg/jsbwj_0/jsbwjgczl/201105/t20110517 _203420.html.

[5] 吳鵬程，童志華.上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心項(xiàng)目濱水景觀系統(tǒng)工程研究設(shè)計(jì)綜述[J].水運(yùn)工程，2012（2）：85-89. WU Peng-cheng,TONG Zhi-hua.Design ofonshore scenic system engineering of Shanghai international shipping service center[J]. Port&Waterway Engineering,2012(2):85-89.

[6]吳鵬程，楊靖培.垂直河道布置的內(nèi)循環(huán)輸水系統(tǒng)船閘工程設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程，2012（1）：127-131. WU Peng-cheng,YANG Jing-pei.Design of vertical watercourse lock engineeringwith self-circulatory filling&emptying system[J]. Port&Waterway Engineering,2012(1):127-131.

[7]中建港務(wù)建設(shè)公司.上海國(guó)際航運(yùn)服務(wù)中心西船閘施工組織設(shè)計(jì)[R].上海：中建港務(wù)建設(shè)公司，2012. China State Construction Harbour Construction Co.,Ltd.Construction organization design ofwest navigation lock in Shanghai International Shipping Center[R].Shanghai:China State Construction HarbourConstruction Co.,Ltd.,2012.

App lication of Building Inform ation M odel in construction of lock culvert w ith com p lex curved shape

HUANGTian-rong
（Shanghai InternationalShipping Service Center DevelopmentCo.,Ltd.,Shanghai200082,China）

Based on Building Information Model(BIM),we realized and optimized the space design of lock culvertwith comp lex curved shape,simulated the construction template including the splitting and sp licing,installation,and quantity statistics by using the BIM technology,and solved the difficulty of lock culvert construction with complex curved shape.Engineering practice proved that the application of BIM was feasible and easy with remarkable effect;it can shorten the construction period and lower the cost,and can be copied and easy tobe promoted.

BIM;complex curved shape;optimizing;simulation;application

U655.4；TU599

A

2095-7874（2015）05-0045-04

10.7640/zggw js201505012

2015-02-03

2015-03-14

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部2014科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃“綠色建筑與低能耗示范工程研究” （2014-S1A-003）

黃天榮（1982— ），男，碩士，國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師，工程師，地質(zhì)工程專業(yè)。E-mail：tinyo_huang@126.com