BIM技術(shù)在重力式方塊碼頭工程設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用

田會靜，韓 彤，郭 松，李光裕，李章超

(1.中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

水運(yùn)工程由于自身的行業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)模限制,比其他土建工程復(fù)雜得多[1-2]。港口工程具有水陸聯(lián)運(yùn)設(shè)備和條件，是水陸運(yùn)輸?shù)逆溄狱c(diǎn)[3]。港口工程設(shè)計(jì)不僅要考慮地形、地質(zhì)、水文等條件，還要考慮水工建筑物的形狀、結(jié)構(gòu)及尺寸等因素，定型設(shè)計(jì)難度大[4]。特別是地質(zhì)條件復(fù)雜的港口工程建設(shè)項(xiàng)目，傳統(tǒng)三維建模技術(shù)無法進(jìn)行地質(zhì)模型的精細(xì)化處理，導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計(jì)工作面臨巨大的挑戰(zhàn)。

BIM(building information modeling，建筑信息模型)技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了傳統(tǒng)三維建模技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型精細(xì)化處理的問題，利用三維模型實(shí)現(xiàn)可視化地質(zhì)圖生成，將復(fù)雜的地質(zhì)條件展示出來，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的精細(xì)化處理，在設(shè)計(jì)工作中起到了關(guān)鍵性作用[5-6]。

三維地質(zhì)、地表模型一直是港口工程設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的步驟之一，后續(xù)所有的設(shè)計(jì)工作均在三維地質(zhì)、地表模型的基礎(chǔ)上完成。BIM技術(shù)雖然能解決傳統(tǒng)三維建模技術(shù)所面臨的問題[7-8]，但國內(nèi)BIM技術(shù)在水運(yùn)工程上的應(yīng)用研究較少，相關(guān)的規(guī)范、規(guī)則未完善。本文基于北方某重力式方塊碼頭工程，對BIM技術(shù)在港口工程設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，形成一整套重力式方塊碼頭BIM技術(shù)應(yīng)用體系，對BIM技術(shù)在水運(yùn)工程上的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

該工程總平面呈U形布置(圖1)，碼頭位于西側(cè)岸線，長度為472 m，南端與護(hù)岸銜接，北端為70 m直立岸壁，通過30 m翼墻與北側(cè)海岸線整治修復(fù)項(xiàng)目銜接。港池及錨地水域北側(cè)區(qū)域?yàn)闈O船維修區(qū)，口門兩側(cè)呈八字形建設(shè)擋沙堤，外側(cè)連接漁港航道。

圖1 工程總平面布置(單位： m)

2 BIM模型的創(chuàng)建

該工程建模要素包括：三維地表、三維地質(zhì)、港區(qū)開挖、場地回填、基礎(chǔ)及水工結(jié)構(gòu)、水、電模型。

2.1 三維地表模型

基于該工程測繪數(shù)據(jù)建立三維地表模型，通過圖紙分析將高程點(diǎn)、等高(深)線、特征線依次導(dǎo)入曲面要素，構(gòu)建一個完整的三維地形曲面，即三維地表模型。與實(shí)際地形地貌進(jìn)行對比，利用添加特征線、排查誤差較大的錯誤高程點(diǎn)等方式，進(jìn)行精細(xì)化處理。圖2所示為該工程精細(xì)化處理前后的三維地表模型，優(yōu)化后的三維地表模型可以準(zhǔn)確地反映溝、坎、塘、河道等地形地貌特征，更加合理且符合實(shí)際情況。

2.2 三維地質(zhì)模型

利用勘察報(bào)告中的鉆孔數(shù)據(jù)建立多個地質(zhì)層曲面，進(jìn)而拉伸為實(shí)體，并通過添加特征集的方式把地質(zhì)信息錄入相應(yīng)的地質(zhì)層中，形成地質(zhì)屬性完整的三維地質(zhì)模型。圖3為三維地質(zhì)模型，可準(zhǔn)確直觀地反映各土層位置以及其地質(zhì)屬性。

圖3 三維地質(zhì)模型

2.3 港區(qū)開挖模型

港區(qū)開挖模型，是指經(jīng)過開挖平整后的地表、地質(zhì)模型，是在三維地表、地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上建立的。根據(jù)施工開挖順序，對每個單體在上一工序單體工后地形的基礎(chǔ)上進(jìn)行放坡操作，逐步形成工后開挖地形。為了提高效率，較少數(shù)據(jù)冗余，將無關(guān)聯(lián)的開挖部分進(jìn)行分區(qū)建模，再將分區(qū)模型整合到三維地表模型中，隨后創(chuàng)建區(qū)域間的銜接單體開挖模型，最終形成開挖地形曲面。將最終的開挖地形曲面拉伸為實(shí)體，并與三維地質(zhì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，形成地質(zhì)開挖模型(圖4)。

圖4 港區(qū)開挖模型

該工程可以分為南北兩個部分同步建模，各部分均包含護(hù)岸及擋沙堤處的基槽開挖及場地平整，建模完畢后將兩側(cè)模型粘貼至三維地表模型中，隨后進(jìn)行南北岸銜接處的碼頭基槽與港池疏浚的開挖。

2.4 場地回填模型

場地回填模型，是在港區(qū)地形開挖模型的基礎(chǔ)上，對碼頭及護(hù)岸進(jìn)行土方、石料回填的模型，也包括廠區(qū)后方的道路模型。為了項(xiàng)目模型的完整性，利用“放坡+特征線”相結(jié)合的方法，按體量對非本次施工區(qū)域的南北護(hù)岸部分以及二標(biāo)段的擋沙堤工程建立概要模型，無須突出具體分層結(jié)構(gòu)。

而對于施工區(qū)域即碼頭和附近的南護(hù)岸，則采用 “道路+裝配+部件編輯器”的方式，對碼頭后方回填分層結(jié)構(gòu)以及護(hù)岸分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確建模，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷面變化處以及拐角位置的準(zhǔn)確過渡(圖5)。

圖5 場地回填模型

2.5 基礎(chǔ)及水工結(jié)構(gòu)模型

在Revit中，針對不同專業(yè)，選擇適合的族樣板進(jìn)行模型創(chuàng)建，建立相關(guān)基礎(chǔ)、水工結(jié)構(gòu)的參數(shù)化族文件，進(jìn)而構(gòu)建基礎(chǔ)及水工結(jié)構(gòu)模型(圖6、7)，主要包括碎石樁、排水板、止水帷幕、碼頭(包括碼頭主體、直立岸壁和翼墻)3次澆筑的方塊形式，以及護(hù)輪坎、系船柱、橡膠護(hù)舷等細(xì)部構(gòu)件。

圖6 基礎(chǔ)及水工結(jié)構(gòu)模型

圖7 水工結(jié)構(gòu)模型細(xì)節(jié)

2.6 水、電模型

建立給排水及消防、電氣專業(yè)工作集，根據(jù)項(xiàng)目要求建立相關(guān)載入族，最后結(jié)合水、電、管道及附件設(shè)計(jì)圖紙，將各個結(jié)構(gòu)裝配成水、電模型(圖8)。

給水及消防模型主要包括給水、消防及排水系統(tǒng)。其中：給水和消防系統(tǒng)共用1條市政供水管道，主要包括不同規(guī)格的給水管道、管件、管道附件、上水栓、室外消防栓、泄水井和水表井等；排水系統(tǒng)主要為DN500鋼筋混凝土管等。

電氣模型主要包括碼頭岸電箱、組合燈、手孔井、預(yù)埋玻璃鋼管和熱鍍鋅鋼管、預(yù)埋鋼板、接地鍍鋅扁鋼等。建模思路是基于水工中心文件建立電氣專業(yè)工作集，根據(jù)需求建立若干載入族，最后結(jié)合系統(tǒng)管線，將各個模塊裝配成電氣模型。

圖8 水、電整體模型

2.7 模型整合

將三維地表模型、三維地質(zhì)模型、港區(qū)開挖模型、場地回填模型、基礎(chǔ)模型、水工結(jié)構(gòu)模型、給排水及消防模型與水電模型，通過連接的方式整合到Revit文件中，并在Navisworks軟件中進(jìn)行整體展示和施工應(yīng)用(圖9)。

圖9 整合后的整體模型

3 工程應(yīng)用

3.1 碰撞檢查

在傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)過程中，專業(yè)之間因協(xié)調(diào)不足出現(xiàn)設(shè)計(jì)上的碰撞問題是最為常見的。BIM技術(shù)為工程設(shè)計(jì)的專業(yè)協(xié)調(diào)提供2種途徑:1)在設(shè)計(jì)過程中通過有效的、適時(shí)的專業(yè)間協(xié)同工作避免產(chǎn)生大量的專業(yè)沖突問題，即協(xié)同設(shè)計(jì)；2)通過對3D模型的沖突進(jìn)行檢查，查找并修改，即碰撞檢查(圖10)。

圖10 模型碰撞檢查

在該工程中，將每個專業(yè)的所有構(gòu)件分別設(shè)置成為不同的工作集，并應(yīng)用Navisworks進(jìn)行專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間的碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)并解決了26個碰撞問題。在施工前發(fā)現(xiàn)這些碰撞問題可降低返工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 工程算量

傳統(tǒng)方法的工程量計(jì)算是十分繁瑣和復(fù)雜的，由于BIM模型中的每一個構(gòu)件都與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物一一對應(yīng)，所以基于BIM模型可直接計(jì)算工程量。該工程BIM模型同時(shí)包含Revit和Civil 3D模型，須采用Navisworks軟件，通過設(shè)置算量特性、項(xiàng)目目錄和項(xiàng)目映射規(guī)則進(jìn)行工程量計(jì)算(圖11)。

圖11 模型精細(xì)化算量

基于BIM模型的工程算量更為直觀，所見即所得，具有完整性、快捷性。在統(tǒng)計(jì)大型工程細(xì)部構(gòu)件時(shí)(螺栓、螺帽、橡膠護(hù)弦、系船柱等)，可避免人工統(tǒng)計(jì)出錯的問題。根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度情況自定義參與算量的部分模型，可以得知某一時(shí)間段內(nèi)各分項(xiàng)工程的工程量完成情況，對進(jìn)度款的申請、物資進(jìn)場計(jì)劃具有一定幫助。

3.3 進(jìn)度管理

基于BIM模型，將施工進(jìn)度信息與相關(guān)模型構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成4D模型進(jìn)行進(jìn)度管理，其應(yīng)用主要體現(xiàn)在施工進(jìn)度計(jì)劃推演、實(shí)際與計(jì)劃進(jìn)度對比分析兩個方面。

通過應(yīng)用BIM技術(shù)對施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行可視化預(yù)演，可預(yù)先判斷計(jì)劃的結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)，核查其可行性，輔助施工技術(shù)人員對施工方案進(jìn)行優(yōu)化。尤其在編排計(jì)劃方面，傳統(tǒng)方法往往依賴人腦的空間想象，到具體施工時(shí)容易出現(xiàn)未預(yù)想到的情況，面對眾多的流水線式作業(yè)，BIM可視化可以較為輕松地進(jìn)行精細(xì)化計(jì)劃編排，從而進(jìn)一步優(yōu)化方案(圖12)。

圖12 港區(qū)開挖進(jìn)度管理

在4D模型的基礎(chǔ)上，將實(shí)際進(jìn)度信息關(guān)聯(lián)到模型上，將實(shí)際與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行可視化對比。通過不同的顏色得到提前和延后的信息反饋，快速定位到問題區(qū)段，輔助技術(shù)人員進(jìn)行相關(guān)技術(shù)管控，保障工程項(xiàng)目按時(shí)保質(zhì)完工(圖13)。

圖13 實(shí)際與計(jì)劃進(jìn)度的可視化對比

3.4 可視化工藝技術(shù)交底

針對該工程復(fù)雜的施工工藝、關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)以及重要技術(shù)難點(diǎn)，基于工程BIM模型與工藝模型，以動畫仿真的形式進(jìn)行施工工藝模擬，在施工前對相關(guān)工作人員進(jìn)行指導(dǎo)培訓(xùn)與技術(shù)交底，更加直觀、方便、規(guī)范、經(jīng)濟(jì)，效果顯著。

4 結(jié)論

1)BIM技術(shù)可視化降低了溝通成本，為工程精細(xì)化管理提供了技術(shù)手段，但地質(zhì)、地形的精細(xì)化程度，除了無人機(jī)傾斜攝影可以大幅提高地形精細(xì)程度外，更多的還是取決于傳統(tǒng)勘測的精細(xì)程度。

2)利用BIM技術(shù)可以解決不同專業(yè)間構(gòu)件碰撞的問題，在施工前發(fā)現(xiàn)并予以解決，降低施工時(shí)的返工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約施工成本，提升施工效率。

3)基于BIM模型進(jìn)行工程算量，能夠完整快捷地對工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可避免人工統(tǒng)計(jì)帶來的不確定性。

4)利用BIM技術(shù)對施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行可視化預(yù)演，可預(yù)先判斷計(jì)劃的結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)，核查其可行性，輔助施工技術(shù)人員對施工方案進(jìn)行優(yōu)化。