BIM技術(shù)在某集裝箱碼頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

林陳安攀，陳良志，錢(qián)原銘

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

近年來(lái)，BIM（Building Information Modeling）一直是國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)之一。BIM的概念自2002年由Autodesk公司推出Revit軟件引入中國(guó)以來(lái)，已逐漸被國(guó)內(nèi)從業(yè)人員接受，并被較大范圍地運(yùn)用到實(shí)際工程中[1]。

港口工程涉及專業(yè)多，構(gòu)筑物之間的關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)技術(shù)模式下，存在信息表述復(fù)雜、協(xié)同設(shè)計(jì)困難、數(shù)據(jù)傳輸能力差等問(wèn)題[2]。通過(guò)使用BIM技術(shù)可提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，并使枯燥的設(shè)計(jì)過(guò)程變成了真實(shí)、生動(dòng)的視覺(jué)體驗(yàn)[3]。

建筑行業(yè)在BIM應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入了成長(zhǎng)期，水運(yùn)建設(shè)行業(yè)要跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，在BIM應(yīng)用方面仍有大量工作要做[4]。本文通過(guò)在海外某新建集裝箱碼頭工程中的成功的實(shí)踐，探索出了從軟件選用、協(xié)同方法、設(shè)計(jì)流程、模型應(yīng)用到數(shù)據(jù)交換等方面都行之有效的一整套港口工程BIM應(yīng)用技術(shù)路線和解決方案。為港口工程的BIM設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況及特點(diǎn)

1.1 工程概況

海外某新建集裝箱碼頭工程總投資約2億美元，共建設(shè)2個(gè)7 000 TEU的集裝箱泊位和2個(gè)配套工作船泊位，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，岸線總長(zhǎng)710 m；疏浚386萬(wàn)m3，回填265萬(wàn)m3，形成水域110 hm2、陸域27 hm2；建筑單體40余座，配套設(shè)施齊全。該碼頭設(shè)計(jì)吞吐能力為35萬(wàn)TEU/年，建成后將是所在國(guó)第一座現(xiàn)代化集裝箱港口?？偲矫娌贾萌鐖D1所示。

圖1 工程總平面布置

1.2 工程特點(diǎn)

1）本項(xiàng)目涉及總圖、裝卸工藝、水工、巖土、路場(chǎng)、電氣、給排水、控制、通導(dǎo)、儲(chǔ)運(yùn)工藝、暖通、建筑、結(jié)構(gòu)等十多個(gè)專業(yè)，設(shè)計(jì)過(guò)程中專業(yè)間提資、變更頻繁，因此對(duì)專業(yè)間的協(xié)同配合提出了很高的要求。而以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互傳文件為特征的傳統(tǒng)信息傳遞方式已無(wú)法滿足要求。

2）碼頭后方陸域場(chǎng)地面積大，建筑單體數(shù)量多，管線交織錯(cuò)綜復(fù)雜。平面設(shè)計(jì)方法無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)大場(chǎng)地各結(jié)構(gòu)的相對(duì)空間關(guān)系，設(shè)計(jì)質(zhì)量不易控制。傳統(tǒng)管綜模式工作量巨大，且錯(cuò)漏碰缺的問(wèn)題仍不可避免。

3）項(xiàng)目業(yè)主為法國(guó)公司，管理精細(xì)，有嚴(yán)格的審批流程，二維設(shè)計(jì)中平面、斷面的表達(dá)方式很難全面、清晰、直觀地將設(shè)計(jì)成果展示給業(yè)主，這將導(dǎo)致項(xiàng)目往復(fù)答疑次數(shù)增加，審批過(guò)程延長(zhǎng)，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)進(jìn)度。

因此，本項(xiàng)目采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線

2.1 BIM軟件

目前，針對(duì)于不同行業(yè)、不同階段、不同用途的常用BIM軟件有數(shù)十甚至上百個(gè)之多，但大體可以分為兩大類：創(chuàng)建BIM模型的建模軟件和利用BIM模型的工具軟件[5]。模型作為BIM設(shè)計(jì)的主要成果和后續(xù)BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)，其創(chuàng)建方法和工具的選擇至關(guān)重要?，F(xiàn)如今，主流的BIM軟件有歐特克（Autodesk）、奔特力（Bentley）和達(dá)索（Dassault）公司旗下的三大軟件系統(tǒng)，俗稱“ABC平臺(tái)”。達(dá)索的CATIA平臺(tái)源于機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，尚未完全順應(yīng)工程建設(shè)行業(yè)特點(diǎn)，且軟件價(jià)格昂貴；奔特力的B平臺(tái)在工廠設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢(shì)，但同樣不菲的價(jià)格令很多公司望而卻步；歐特克的A平臺(tái)通過(guò)不斷地整合和發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)了從最初的民用建筑到AEC全領(lǐng)域的覆蓋，并且憑借低廉的價(jià)格，占領(lǐng)了龐大的市場(chǎng)，成為了使用人數(shù)最多，覆蓋面最廣的系列軟件。本文選用Autodesk平臺(tái)，主要應(yīng)用了Revit、Civil 3d、Vault、Navisworks、Infraworks、Inventor、Design Review等軟件。此外還輔助以Smart Plant 3d、Lumion、SketchUp等軟件進(jìn)行特定模型的建模和效果展示。所應(yīng)用的主要BIM軟件和用途如表1所示。

表1 本文所采用的BIM軟件

2.2 協(xié)同方法

1）協(xié)同模式

基于Autodesk平臺(tái)的BIM設(shè)計(jì)主要有工作集和模型鏈接2種協(xié)同模式[6]。工作集模式只有一個(gè)中心文件，通過(guò)借用編輯可實(shí)現(xiàn)雙向?qū)崟r(shí)更新。但是該模式對(duì)硬件配置要求高，項(xiàng)目較大時(shí)，模型反應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差。此外，該模式只適用于Revit之間的協(xié)同。模型鏈接方式則相對(duì)簡(jiǎn)單，適用范圍更廣。本項(xiàng)目規(guī)模大、專業(yè)廣、模型數(shù)量眾多、建模軟件多樣，為保證協(xié)同效率，采用動(dòng)態(tài)鏈接的模式。

表2 協(xié)同模式對(duì)比

2）協(xié)同平臺(tái)

BIM協(xié)同設(shè)計(jì)需要一個(gè)公共數(shù)據(jù)環(huán)境（CDE）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員之間的有效、及時(shí)傳遞和共享。Vault作為Autodesk系列軟件的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，與本項(xiàng)目選用的BIM建模軟件有良好的兼容性，特別是對(duì)Inventor和Civil 3d，可以實(shí)現(xiàn)模型零件級(jí)拆分共享，項(xiàng)目成員可以通過(guò)PC客戶端或內(nèi)嵌在BIM和Office軟件中的接口程序直接訪問(wèn)Vault服務(wù)器，方便數(shù)據(jù)的存取、鏈接。因此，本文選用Vault作為協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，并將其部署在公有云服務(wù)器上，可實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域協(xié)同。此外，本項(xiàng)目規(guī)定了具有各種權(quán)限的用戶角色，使得各專業(yè)權(quán)責(zé)界限明確，保證了數(shù)據(jù)在平臺(tái)中的安全、有序。Vault協(xié)同方式如圖2所示。

圖2 Vault協(xié)同

2.3 設(shè)計(jì)流程

本文的BIM設(shè)計(jì)與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)同步推進(jìn)，主要分為前期準(zhǔn)備階段、基礎(chǔ)建模設(shè)計(jì)階段、模型應(yīng)用階段和最終的交付等過(guò)程。如圖3所示。

在正式開(kāi)始之前，BIM經(jīng)理制定了清晰的BIM策略書(shū)，明確統(tǒng)一的BIM設(shè)計(jì)原則，作為各參與人員的基本操作準(zhǔn)則。同時(shí)完成協(xié)同平臺(tái)的搭建，制作好項(xiàng)目樣板文件，統(tǒng)一項(xiàng)目的共享坐標(biāo)，保證模型協(xié)同總裝的正確無(wú)誤。隨后，各專業(yè)利用BIM建模軟件，并通過(guò)與部分分析仿真計(jì)算軟件的聯(lián)動(dòng)，完成BIM基礎(chǔ)建模設(shè)計(jì)，同時(shí)，開(kāi)展定期的碰撞檢測(cè)完善設(shè)計(jì)。最后，各專業(yè)準(zhǔn)確完整的設(shè)計(jì)模型經(jīng)過(guò)總裝，呈現(xiàn)出項(xiàng)目的全貌，輔助設(shè)計(jì)交底和設(shè)計(jì)審查等。并對(duì)總裝模型進(jìn)行全景漫游、施工模擬、VR展示等應(yīng)用，豐富了BIM設(shè)計(jì)內(nèi)容。

圖3 BIM設(shè)計(jì)流程

3 BIM設(shè)計(jì)

3.1 模型建立

1）Revit建模

我們先來(lái)看一個(gè)核心。 之所以要以季札觀周樂(lè)中對(duì)《唐風(fēng)》的評(píng)價(jià)為核心，是因?yàn)榈谝?，季札生活在春秋魯襄公的時(shí)代，對(duì)于《詩(shī)經(jīng)》沒(méi)有隔膜。 第二，他是一位受過(guò)良好教育的貴族，具有極高文學(xué)藝術(shù)修養(yǎng)的人物。 第三，他對(duì)《詩(shī)經(jīng)》全面的系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，一直作為經(jīng)典為歷代所學(xué)習(xí)、所接受。 因此，以其對(duì)《唐風(fēng)》的評(píng)價(jià)為解讀的基點(diǎn)，就可以準(zhǔn)確地把握晉國(guó)的傳統(tǒng)、特征以及人民的內(nèi)心世界，而不至于走偏。

Revit是BIM體系中使用最廣泛的軟件之一，在建筑業(yè)領(lǐng)域有著無(wú)可爭(zhēng)辯的優(yōu)勢(shì)。雖然軟件功能和設(shè)置主要迎合建筑設(shè)計(jì)，但其強(qiáng)大的族編輯功能仍能滿足港口工程中許多模型的創(chuàng)建。本文中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件類模型例如碼頭結(jié)構(gòu)、道路鋪面、建筑結(jié)構(gòu)、碎石樁基礎(chǔ)、大部分管線等均選擇采用Revit進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 Revit設(shè)計(jì)流程

Revit的設(shè)計(jì)過(guò)程較為程序化，創(chuàng)建好各構(gòu)件族后，將其載入到項(xiàng)目中，以標(biāo)高軸網(wǎng)作為定位參照，通過(guò)“搭積木”的方式便可完成模型的創(chuàng)建（以碼頭結(jié)構(gòu)revit模型為例，如圖5所示）。隨后，從精確的模型中提取工程量、導(dǎo)出圖紙，很大程度上節(jié)省了統(tǒng)計(jì)和出圖的工作量。這其中的關(guān)鍵與核心是參數(shù)化族的創(chuàng)建，此為長(zhǎng)期積累的工作，需要從公司而非某個(gè)項(xiàng)目的層面進(jìn)行規(guī)劃和準(zhǔn)備。該準(zhǔn)備工作做得充足與否將直接決定著Revit建模的速度和精度（以本文的鋼管樁族為例，如圖6所示）。

圖5 碼頭結(jié)構(gòu)Revit模型

圖6 鋼管樁族界面

2）Civil 3d建模

Civil 3d是一款面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的BIM軟件，廣泛應(yīng)用于勘察測(cè)繪、巖土工程、交通運(yùn)輸、水利水電、市政給排水、城市規(guī)劃和總圖設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域。此軟件除了具備AutoCAD的基本功能外，還提供了測(cè)量、三維地形處理、土方計(jì)算、場(chǎng)地規(guī)劃、道路和鐵路設(shè)計(jì)、地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)等先進(jìn)的專業(yè)設(shè)計(jì)工具。本文選用Civil 3d對(duì)與地形和土方相關(guān)的模型例如護(hù)岸、港池航道疏浚、陸域回填、三維地質(zhì)、重力流管線等進(jìn)行了BIM設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)應(yīng)用流程如圖7所示。

圖7 Civil 3d設(shè)計(jì)流程

不同于Revit程序化的設(shè)計(jì)流程，不同的專業(yè)根據(jù)其需求通常只利用Civil 3d的部分功能，因而建模方法和步驟都各不相同。

勘察專業(yè)利用Civil 3d擴(kuò)展應(yīng)用地質(zhì)巖土模塊Geotechnical Module創(chuàng)建三維地質(zhì)[7]。將地質(zhì)勘察軟件gINT導(dǎo)出的鉆孔信息制作成csv格式文件，并導(dǎo)入該模塊，便可自動(dòng)生成帶有地理位置信息和地層信息的三維鉆孔柱狀圖，隨之生成地質(zhì)曲面和實(shí)體，可用于創(chuàng)建地質(zhì)剖面圖、分土質(zhì)開(kāi)挖算量等（如圖8所示）。

總圖專業(yè)的開(kāi)挖回填主要通過(guò)Civil 3d的曲面、放坡等基本功能完成。

水工護(hù)岸為方便設(shè)計(jì)過(guò)程中的反復(fù)更改，選擇道路功能進(jìn)行創(chuàng)建。創(chuàng)建之初，需根據(jù)護(hù)岸各層之間以及護(hù)岸與場(chǎng)地之間連接的邏輯關(guān)系，在SAC部件編輯器中完成橫斷面（如圖9所示），并導(dǎo)入Civil 3d中沿著路線和設(shè)計(jì)縱斷面生成護(hù)岸。

給排水專業(yè)的重力流管網(wǎng)選用Civil 3d的管網(wǎng)功能創(chuàng)建，該功能內(nèi)置管道和結(jié)構(gòu)零件族，并能實(shí)現(xiàn)與地形標(biāo)高的關(guān)聯(lián)結(jié)合，通過(guò)管網(wǎng)平面，創(chuàng)建縱斷面圖，繼而可以非常方便地生成管網(wǎng)。

圖8 三維地質(zhì)剖面

圖9 護(hù)岸斷面

3）其他建模

Revit和Civil 3d憑借其強(qiáng)大的功能，完成了本項(xiàng)目90%的建模工作。其余的模型由于有更專業(yè)和方便的建模軟件或者出于不同的用途，則選用其他工具。在港口工程中，輔建區(qū)的建筑單體和園林綠化設(shè)計(jì)通常在設(shè)計(jì)過(guò)程的后半段開(kāi)展，而作為港區(qū)的“形象工程”，業(yè)主又經(jīng)常希望盡早看到整體的效果，因此采用Sketch Up在前期進(jìn)行快速的建筑外觀和綠化景觀設(shè)計(jì)。Smart Plant 3D在化工管道設(shè)計(jì)中有豐富的積累，因此本文的油工藝相關(guān)設(shè)備裝置采用該軟件完成。Inventor作為專注于機(jī)械設(shè)計(jì)的軟件，則適合本項(xiàng)目岸橋、RTG等港機(jī)設(shè)備的創(chuàng)建。

3.2 管線碰撞

港口工程既有建筑單體內(nèi)的室內(nèi)管線，也有室外地下預(yù)埋管線，管線眾多，管綜工作的好壞一直是決定設(shè)計(jì)質(zhì)量高低的重要因素，而傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)存在先天的缺陷，導(dǎo)致實(shí)際中碰撞現(xiàn)象不可避免。BIM技術(shù)可以把設(shè)計(jì)人員從繁瑣的碰撞檢查工作中解放出來(lái)，并且可以大大降低檢測(cè)時(shí)間、提高檢測(cè)精度。本文以精細(xì)準(zhǔn)確的BIM模型為基礎(chǔ)，選用Navisworks開(kāi)展專業(yè)內(nèi)自檢、專業(yè)間共檢的兩級(jí)檢測(cè)以更有效地完成整個(gè)項(xiàng)目的管線綜合工作。在各自專業(yè)完成內(nèi)部管線自檢零碰撞后，將所有管線總裝在一個(gè)模型中，進(jìn)行專業(yè)間的檢查（如圖10所示）。通過(guò)選擇不同的碰撞類型和設(shè)定不同的公差，保證構(gòu)件間距滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 碰撞檢查

3.3 模型應(yīng)用

對(duì)于設(shè)計(jì)創(chuàng)建完成的BIM模型，可以進(jìn)行很多的應(yīng)用，使得BIM設(shè)計(jì)成果的效益最大化。由于三維可視化的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)交底和設(shè)計(jì)審查審批時(shí)可以用三維模型輔助展示，解除溝通障礙。本項(xiàng)目提交管線設(shè)計(jì)圖紙時(shí)，同時(shí)提交了以截圖和視頻展示的對(duì)應(yīng)的管線節(jié)點(diǎn)，大大加快了圖紙審批的進(jìn)程。利用Lumion進(jìn)行模型渲染，采用手機(jī)端輕量化BIM技術(shù)應(yīng)用，將項(xiàng)目的整體模型進(jìn)行處理，形成云端輕量化VR模型，并制作二維碼，通過(guò)掃描二維碼的方式直接查看項(xiàng)目三維模型，起到了很好的宣傳展示效果（圖11）。此外利用Navisworks進(jìn)行施工模擬，結(jié)合3d打印技術(shù)將虛擬模型直接打印成實(shí)體模型等，都極大豐富了BIM的應(yīng)用。

圖11 項(xiàng)目BIM渲染效果

3.4 數(shù)據(jù)交換

不同于二維設(shè)計(jì)時(shí)代一款cad軟件可以解決絕大部分設(shè)計(jì)問(wèn)題，每款BIM軟件都有其應(yīng)用范圍和局限性，BIM設(shè)計(jì)工作需要多款軟件聯(lián)合開(kāi)展。軟件的互導(dǎo)、模型的互用成為BIM應(yīng)用中的一大問(wèn)題。通過(guò)不斷的探索和研究，本文對(duì)項(xiàng)目中各軟件之間的數(shù)據(jù)交換進(jìn)行了總結(jié)，如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)交換格式

4 結(jié) 語(yǔ)

本工程的BIM設(shè)計(jì)探索出了從軟件選用、設(shè)計(jì)流程到數(shù)據(jù)交換等方面都行之有效的一整套BIM應(yīng)用技術(shù)路線和解決方案。

1）選用以歐特克平臺(tái)為基礎(chǔ)的BIM軟件，很好地實(shí)現(xiàn)了BIM設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能：采用Revit創(chuàng)建結(jié)構(gòu)構(gòu)件類模型、Civil 3d創(chuàng)建與地形和土方相關(guān)的模型，并輔之于Inventor、Smart Plant 3D和Sketch Up完成項(xiàng)目所有模型的創(chuàng)建；采用Vault作為協(xié)同平臺(tái)、Navisworks作為碰撞檢測(cè)工具、Lumion作為效果表現(xiàn)軟件。

2）對(duì)BIM設(shè)計(jì)的整體流程以及采用的BIM軟件的建模流程進(jìn)行了梳理：BIM設(shè)計(jì)一般包含前期準(zhǔn)備階段、基礎(chǔ)建模設(shè)計(jì)階段、模型應(yīng)用階段和最終的交付等過(guò)程；Revit建模流程較為程序化，而Civil 3d則根據(jù)功能和建模內(nèi)容的不同各不相同。

3）對(duì)BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及軟件之間的互導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行了探索、實(shí)踐。利用總結(jié)出的中間格式可成功實(shí)現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)之間的交換。