水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施BIM協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺及其應(yīng)用實(shí)踐

劉松，錢麗，李海江，文曦，姜韶華

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；3.英國卡迪夫大學(xué)工學(xué)院，威爾士 卡迪夫 CF24 3AA；4.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施BIM協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺及其應(yīng)用實(shí)踐

劉松1，錢麗2，李海江3，文曦1，姜韶華4

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；3.英國卡迪夫大學(xué)工學(xué)院，威爾士 卡迪夫 CF24 3AA；4.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

協(xié)同設(shè)計(jì)是BIM應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)，文中主要介紹了一種基于Autodesk的云平臺，通過相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用、軟件集成、族庫系統(tǒng)開發(fā)以及多個(gè)BIM應(yīng)用軟件的二次開發(fā)等手段，實(shí)現(xiàn)了高效的設(shè)計(jì)協(xié)同。以重慶港江津港區(qū)珞璜作業(yè)區(qū)改擴(kuò)建工程項(xiàng)目作為應(yīng)用范例，在設(shè)計(jì)階段采用了三維地表建模、三維地質(zhì)建模、管線綜合、碰撞檢查、結(jié)構(gòu)分析等多項(xiàng)BIM技術(shù)，充分展示了平臺的易用性以及實(shí)用性。

水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施；建筑信息模型；協(xié)同設(shè)計(jì)

0 引言

隨著BIM（Building Information Modeling建筑信息模型）技術(shù)的發(fā)展，利用BIM進(jìn)行工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)分析、模型核查、成果優(yōu)化、工程算量、模型出圖等單個(gè)方向上已經(jīng)有了大量的應(yīng)用案例，但目前還缺少一個(gè)完整的系統(tǒng)將這些功能進(jìn)行集中管理[1-4]。

經(jīng)過多年BIM實(shí)踐探索，中國交建在水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域已初步完成了水運(yùn)工程行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)的制定，建立了成體系的BIM技術(shù)應(yīng)用能力，培養(yǎng)了一批具有專業(yè)技術(shù)能力的BIM技術(shù)研發(fā)人員隊(duì)伍。經(jīng)過近年來的探索研究及項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐，摸索出了一套將云技術(shù)、BIM工具、專業(yè)技術(shù)等進(jìn)行深度融合的技術(shù)，研發(fā)了水運(yùn)工程BIM協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺，實(shí)現(xiàn)了基于云的全流程BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，為BIM技術(shù)在水運(yùn)工程領(lǐng)域的落地打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 BIM設(shè)計(jì)云平臺體系架構(gòu)

水運(yùn)工程BIM協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺以滿足設(shè)計(jì)階段各相關(guān)參與方在同一工作空間開展BIM協(xié)同設(shè)計(jì)為目標(biāo)，以通用BIM軟件為基礎(chǔ)，采用私有云模式部署專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)和資源，并配套研發(fā)水運(yùn)工程領(lǐng)域BIM專用設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)了從方案策劃、結(jié)構(gòu)分析、BIM設(shè)計(jì)到模型二維出圖的全設(shè)計(jì)流程貫通。平臺的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)云平臺體系架構(gòu)Fig.1 System framework of design cloud platform

1.1 平臺基礎(chǔ)支撐

充分考慮平臺的延展性和可擴(kuò)充性，配套用戶管理、軟件管理、存儲管理、部署管理、運(yùn)行監(jiān)控、安全管理等多項(xiàng)管理功能，基于硬件服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)利用虛擬化技術(shù)建立平臺的基礎(chǔ)框架，實(shí)現(xiàn)了面向發(fā)展的動(dòng)態(tài)資源管理和服務(wù)自動(dòng)化，為BIM軟件快速部署、設(shè)計(jì)人員多終端實(shí)時(shí)、異地協(xié)同提供基礎(chǔ)支撐。平臺軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施如圖2所示。

圖2 平臺軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施Fig.2 Infrastructure of platform software and hardware

1.2 通用軟件資源集成

在基礎(chǔ)平臺支撐下，選用Autodesk作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件平臺，基于企業(yè)數(shù)據(jù)中心搭建起了一套滿足多方參與且符合一般設(shè)計(jì)流程和數(shù)據(jù)信息交換的設(shè)計(jì)云平臺系統(tǒng)，系統(tǒng)中部署了Autodesk IDS、Autodesk BDS套件，并配套了 Sap2000、PKPM、廣聯(lián)達(dá)、鴻業(yè)、探索者等各種通用計(jì)算、建模軟件，同時(shí)制定了BIM設(shè)計(jì)協(xié)同工作機(jī)制，滿足了項(xiàng)目多參與方、跨區(qū)域、跨終端人員基于信息模型開展設(shè)計(jì)和協(xié)同的需求，保證了設(shè)計(jì)協(xié)作的及時(shí)性及交付成果的質(zhì)量和效率[5-6]。

1.3 水運(yùn)工程BIM專用設(shè)計(jì)工具

1.3.1 結(jié)構(gòu)分析軟件

為了保證水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、方案合理、結(jié)構(gòu)最優(yōu)，保證設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確性，基于Autodesk Robot、Sap2000等可以真實(shí)模擬三維結(jié)構(gòu)場、溫度場、環(huán)境場的通用有限元軟件，利用二次開發(fā)技術(shù)，研發(fā)了希迪系列計(jì)算繪圖軟件，通過參數(shù)化建模→有限元分析→結(jié)果提取→設(shè)計(jì)方案優(yōu)化→輸出計(jì)算書全流程的實(shí)現(xiàn)，并部署于BIM設(shè)計(jì)云平臺中，保障了水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升了工作效率。

1.3.2 專業(yè)BIM設(shè)計(jì)軟件

為了解決通用BIM軟件在水運(yùn)工程領(lǐng)域的適用性、三維分析數(shù)據(jù)與BIM軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞等問題，依托Microsoft SQL 2012數(shù)據(jù)庫，利用.NET技術(shù)對Autodesk Revit、Autodesk Civil 3D等軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，編制完成了成體系的水運(yùn)工程專用BIM設(shè)計(jì)工具，打通了從計(jì)算向BIM設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳遞通道，真正做到了從計(jì)算到BIM設(shè)計(jì)的全覆蓋，提升了項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段的工作效率和準(zhǔn)確性，為水運(yùn)工程地質(zhì)、總圖、水工、電氣、工藝等專業(yè)的BIM設(shè)計(jì)提供了有力支撐。形成了包含希迪高樁碼頭BIM專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、混凝土棧橋BIM專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、室外管溝井BIM專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、液體工藝BIM專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、重力式碼頭BIM專業(yè)設(shè)計(jì)軟件等成系列的BIM專業(yè)應(yīng)用軟件體系，研發(fā)成果部署于BIM協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺中，供各專業(yè)人員應(yīng)用。

1.3.3 族庫管理系統(tǒng)

隨著BIM技術(shù)在水運(yùn)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，大量的BIM模型零部件被創(chuàng)建并應(yīng)用于工程項(xiàng)目中。為了解決族文件的存儲、管理等問題，依據(jù)港口工程技術(shù)規(guī)范，以三維設(shè)計(jì)軟件Autodesk Revit以及Microsoft SQL 2012為二次開發(fā)平臺，采用.NET技術(shù)搭建了一套通用族庫管理系統(tǒng)，涵蓋總圖、水工、水文航道、建筑、結(jié)構(gòu)、固體工藝、液體工藝、暖通、控制、通信、給排水、環(huán)境保護(hù)、巖土勘察、電氣等10余個(gè)專業(yè)，實(shí)現(xiàn)了水運(yùn)工程領(lǐng)域族文件預(yù)覽、上傳、下載、審核、搜索、人員權(quán)限等的統(tǒng)一管理和族資源的共享、重用，提升了企業(yè)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源的整合及管理能力。

1.4 BIM+技術(shù)的衍生應(yīng)用

在BIM設(shè)計(jì)平臺中，為了幫助業(yè)主及相關(guān)參與方以沉浸方式直觀查看設(shè)計(jì)效果，加強(qiáng)BIM設(shè)計(jì)成果的可視性、具象性和交互性，指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和完善，在BIM設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，將BIM技術(shù)與VR技術(shù)相結(jié)合，通過虛擬展示設(shè)計(jì)成果，實(shí)現(xiàn)了帶體驗(yàn)方式的虛擬設(shè)計(jì)，拓展了BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2 工程實(shí)踐

基于BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，以重慶港江津港區(qū)珞璜作業(yè)區(qū)改擴(kuò)建工程項(xiàng)目為例，結(jié)合漳州港古雷二號液體化工碼頭工程等項(xiàng)目案例，開展了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、管線綜合、碰撞檢查、成果出圖等多項(xiàng)BIM設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程中多專業(yè)協(xié)同，提升了設(shè)計(jì)成果質(zhì)量。

2.1 BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

2.1.1 三維地面建模

將三維地表模型數(shù)據(jù)與勘察設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，使用平臺中通用設(shè)計(jì)軟件（AutoCAD、Civil 3D等）建立三維地表模型。建立的三維地表模型可滿足后期BIM應(yīng)用的需要，如地形交線的求取、區(qū)域地形面的切割、填挖方的計(jì)算等，以配合水運(yùn)工程場地功能區(qū)域的總體布設(shè)。

2.1.2 三維地質(zhì)建模

將三維地質(zhì)數(shù)據(jù)與勘察設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，通過使用平臺中的希迪三維地質(zhì)軟件直接讀取（或填報(bào)）地勘數(shù)據(jù)表，參數(shù)化建立三維地質(zhì)模型。建立的三維地質(zhì)模型可滿足后期BIM應(yīng)用的需要，如地質(zhì)開挖面的求取、地質(zhì)開挖體的切割、填挖方的計(jì)算、地質(zhì)縱橫斷面的剖切等，以較好地配合后期BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2.1.3 多專業(yè)協(xié)同

基于統(tǒng)一的BIM協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺，以協(xié)同的工作方式建立各專業(yè)的BIM設(shè)計(jì)模型。通過協(xié)同平臺統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)中間數(shù)據(jù)的無縫傳遞，建立的各專業(yè)模型具備較好的參數(shù)化特性，便于后期快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)計(jì)量、出圖等，為深化設(shè)計(jì)、BIM施工管控奠定基礎(chǔ)。碼頭平臺結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)、場地管線協(xié)同設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)運(yùn)站協(xié)同設(shè)計(jì)分別如圖3～圖5所示。

圖3 碼頭平臺結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)Fig.3 Collaborative design of terminal platform structure

圖4 場地管線協(xié)同設(shè)計(jì)Fig.4 Collaborative design of pipeline

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)站協(xié)同設(shè)計(jì)Fig.5 Collaborative design of transfer station

2.2 結(jié)構(gòu)分析

利用研發(fā)的希迪系列計(jì)算繪圖軟件通過讀取BIM模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，自動(dòng)建立結(jié)構(gòu)有限元分析模型，實(shí)現(xiàn)港工結(jié)構(gòu)的參數(shù)化自動(dòng)建模、分析和計(jì)算書自動(dòng)生成，分析結(jié)果用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了分析設(shè)計(jì)效率。

2.3 成果核查

2.3.1 管線綜合

基于BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺對電氣、給排水等專業(yè)的BIM模型進(jìn)行綜合檢查，以直觀發(fā)現(xiàn)管線設(shè)計(jì)中的問題并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)合理布管及方案優(yōu)化，為減少施工中不必要的返工，提高工程安裝的一次成功率提供了可靠支撐。碼頭場地給排水和電氣管線綜合如圖6所示。

圖6 碼頭場地給排水和電氣管線綜合Fig.6 Dock site water supply，drainage，and electrical pipeline synthesis

2.3.2 碰撞檢查

通過BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺將各專業(yè)（如結(jié)構(gòu)、電氣、給排水等）模型進(jìn)行整合集成，利用Navisworks等BIM模型核查工具檢查設(shè)計(jì)中專業(yè)內(nèi)及各專業(yè)間的錯(cuò)、漏、碰、缺等設(shè)計(jì)問題，從而優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，為減少施工階段由于設(shè)計(jì)疏忽造成的損失和返工提供服務(wù)。水工結(jié)構(gòu)與相關(guān)專業(yè)協(xié)同檢查如圖7所示。

圖7 水工結(jié)構(gòu)與相關(guān)專業(yè)協(xié)同檢查Fig.7 Collaborative inspection of hydraulic structure andrelated major

2.4 工程量統(tǒng)計(jì)

基于設(shè)計(jì)BIM模型按照一定的計(jì)算規(guī)則，使用BIM專用設(shè)計(jì)工具（如港工結(jié)構(gòu)BIM工具），可以自動(dòng)計(jì)算構(gòu)件的工程量，并匯總統(tǒng)計(jì)得到工程量清單，簡化了傳統(tǒng)算量方法中的數(shù)據(jù)輸入過程，提升了算量的效率和準(zhǔn)確性。

2.5 模型出圖

基于三維BIM模型利用軟件的剖切工具，自動(dòng)生成平、立、剖面圖，解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)修改繁瑣、易出錯(cuò)等問題，彌補(bǔ)了二維圖無法表達(dá)的細(xì)節(jié)內(nèi)容，增強(qiáng)了圖紙表達(dá)的直觀性。

2.6 BIM+VR集成漫游

將BIM模型導(dǎo)入到VR系統(tǒng)中，通過HTC的VR設(shè)備直接查看整體的設(shè)計(jì)成果，并通過漫游和選擇等功能對設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位進(jìn)行檢查，以沉浸方式直接掌握項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)情況。BIM+VR集成應(yīng)用如圖8所示。

圖8 BIM+VR集成應(yīng)用Fig.8 Integrated application of BIM and VR

3 結(jié)語

本文通過實(shí)際工程案例展示了一種協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，其依托Autodesk底層平臺，采取了包括多專業(yè)、多領(lǐng)域BIM軟件工具集成、專用工具二次開發(fā)等多種不同的方法，實(shí)現(xiàn)了一套切實(shí)可行的BIM設(shè)計(jì)云平臺建設(shè)和應(yīng)用方案。該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其使用經(jīng)驗(yàn)可以為進(jìn)一步開發(fā)BIM開放平臺提供基礎(chǔ)。

[1] CHUCK E,PAUL T,RAFAEL S,et al.BIM handbook:a guide to building information modeling for owners,managers,designers,engineers,and contractors[M].USA:John Wiley&Sons,Inc.,2011.

[2]SUN Cheng-shuang,JIANG Shao-hua,SKIBNIEWSKI Miroslaw J,et al.A literature review of the factors limiting the application of BIM in the construction industry[J].Technological and Economic Development of Economy,2017,23(5):764-779.

[3] I˙LAL S M,GüNAYDHIN H M.Computer representation of building codes for automated compliance checking[J].Automation in Construction,2017,82:43-58.

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[5]Autodesk,Inc.AUTODESK REVIT ARCHITECTURE 2015官方標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2015：1-70.Autodesk,Inc.Official standard course of AUTODESK REVIT ARCHITECTURE 2015[M].Beijing:Electronics Industry Press,2015:1-70.

[6] 王君峰.Autodesk Navisworks實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用思維課堂[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：261-275.WANG Jun-feng.The actual application thinking classroom of Autodesk Navisworks[M].Beijing:China Machine Press,2015:261-275.

BIM supported collaborative design cloud platform and application for waterway infrastructure

LIU Song1,QIAN Li2,LI Hai-jiang3,WEN Xi1,JIANG Shao-hua4
（1.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430071,China;2.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;3.School of Engineering of Cardiff University,Cardiff,Wales CF24 3AA,UK;4.School of Construction Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China）

Collaborative design is the core element for BIM implementation,we introduced an Autodesk based cloud platform,which integrates different technologies,software,component library and functions extension,to conduct complex design collaboratively with high efficiency.An extension project of Jiangjin port Luohuang work zone in Chongqing harbour is used as a case study to demonstrate the easy use and practicability of the developed platform by using many BIM technologies,including 3D terrain modelling and geology modelling collaboration,pipeline layout,clash detection,structural analysis and so on.

waterway infrastructure;BIM;collaborative design

U69

A

2095-7874（2017）10-0074-04

10.7640/zggwjs201710016

2017-08-10

劉松（1964— ），男，湖北孝感人，教授級高級工程師，注冊土木工程師（港航/巖土），副總工程師，主要從事交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、CAD/BIM技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣工作。

E-mail：LiuSong@ctesi.com.cn