BIM 技術(shù)在大型散貨碼頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

陳家悅，黃黎明，李家華

（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）

0 引言

BIM 技術(shù)在水運(yùn)行業(yè)整體應(yīng)用起步較晚，但經(jīng)過近年的快速發(fā)展和技術(shù)積累，港工設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用已日漸成熟。劉松等研發(fā)了水運(yùn)工程BIM協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于云的全流程BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)[1]。蘆志強(qiáng)等根據(jù)大型集裝箱碼頭工程的特點(diǎn)，提出了一套完整的BIM 設(shè)計(jì)技術(shù)路線和解決方法，提升了設(shè)計(jì)精度和深度[2]。鄒艷春等在液化天然氣碼頭工程中，探索了BIM 在設(shè)計(jì)和施工階段的相關(guān)應(yīng)用點(diǎn)，取得了較好的工程效果[3]；黃慶和王曉琨應(yīng)用BIM 技術(shù)對(duì)港口散貨裝卸工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用兩種BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)方式，體現(xiàn)出BIM 技術(shù)在港口工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值[4]。前人的工作多以提出BIM 技術(shù)在水運(yùn)工程項(xiàng)目實(shí)施中的技術(shù)路線和總體應(yīng)用效果為主，較少探討諸如碰撞檢測及之后的糾偏、多專業(yè)協(xié)同在設(shè)計(jì)中尤其是工藝流程高度復(fù)雜的大型散貨碼頭設(shè)計(jì)過程的具體實(shí)施問題。

本文以華南某大型散貨碼頭項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)為契機(jī)，開展了BIM 應(yīng)用研究與實(shí)踐，在協(xié)同設(shè)計(jì)和碰撞檢測等方面探究切實(shí)可行的實(shí)施方法，并進(jìn)行了機(jī)電智能化和預(yù)制化設(shè)計(jì)、建筑綠色設(shè)計(jì)等深化應(yīng)用探索，對(duì)類似項(xiàng)目的BIM 應(yīng)用具有實(shí)際參考價(jià)值。

1 工程概況

本工程擬建設(shè)海輪通用碼頭泊位（結(jié)構(gòu)按10萬噸級(jí)）和集裝箱駁船泊位共計(jì)15 個(gè)，陸域總面積33.45 萬m2。碼頭前沿后方布置件雜貨堆場、2座散裝糧食倉庫和1 組糧食筒倉。堆場、平倉和筒倉間布置多座轉(zhuǎn)運(yùn)站、棧橋和裝車樓等，以實(shí)現(xiàn)糧食接卸、進(jìn)出倉和轉(zhuǎn)運(yùn)裝車等多項(xiàng)工藝流程。生產(chǎn)輔助建筑物區(qū)布置有辦公樓（含候工樓）、給水加壓泵站、小車停車場、港口發(fā)展用地等，總建筑面積達(dá)88 082.75 m2。

2 BIM 應(yīng)用目標(biāo)

2.1 總體目標(biāo)

形成切實(shí)可行的散貨碼頭項(xiàng)目BIM 實(shí)施技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)品質(zhì)提升，為類似項(xiàng)目的BIM應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)設(shè)計(jì)院數(shù)字化轉(zhuǎn)型與發(fā)展。

2.2 研究內(nèi)容

主要包括3 部分：協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化、碰撞檢測與糾錯(cuò)、深化應(yīng)用探究。

1）協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化：各專業(yè)模型設(shè)計(jì)過程需相互參照，針對(duì)鏈接協(xié)同和工作集協(xié)同2 種模式的應(yīng)用局限性，創(chuàng)新協(xié)作方式，以實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)。

2）碰撞檢測與糾錯(cuò)：開展模型整合和碰撞檢測，優(yōu)化查找與糾錯(cuò)過程，提升設(shè)計(jì)效率。

3）深化應(yīng)用探究：基于模型開展機(jī)電深化設(shè)計(jì)、建筑綠色設(shè)計(jì)等BIM 深度應(yīng)用，為智慧化設(shè)計(jì)升級(jí)打下基礎(chǔ)。

3 研究成果與實(shí)施效果

3.1 協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化

本項(xiàng)目室外工程協(xié)同采用鏈接方式，室內(nèi)工程協(xié)同采用工作集方式。由于工藝流程運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)備布置需多個(gè)單體支撐，單體間相對(duì)位置、開洞高程等需互相協(xié)調(diào)，以保證棧橋能準(zhǔn)確連接。因此需建筑、結(jié)構(gòu)和工藝等專業(yè)相互參照，反復(fù)調(diào)整。采用工作集協(xié)同時(shí)，可保證單體間相對(duì)位置、室內(nèi)開洞設(shè)計(jì)等準(zhǔn)確無誤，但由于項(xiàng)目工序眾多，單體設(shè)計(jì)復(fù)雜，中心文件出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過大，軟件加載和操作速度明顯降低等問題。另外，模型整裝時(shí)需將中心文件導(dǎo)出后，鏈接進(jìn)入Navisworks軟件手動(dòng)定位，耗時(shí)較多。當(dāng)出現(xiàn)碰撞問題需調(diào)整方案時(shí)，又要回到中心文件中修改后再重新導(dǎo)出，再次鏈接，嚴(yán)重影響工作效率。

針對(duì)這一問題，本項(xiàng)目引入Reference Point插件。該插件可提取總平面布置圖中的建筑單體的坐標(biāo)信息，并賦予相應(yīng)的Revit 模型?；诖?，項(xiàng)目組將中心文件進(jìn)行了拆分，按單體功能和區(qū)位劃分成若干較小的中心文件，比如平倉區(qū)（單體關(guān)系見圖1）、筒倉區(qū)、生產(chǎn)輔助區(qū)等。拆分后的中心文件對(duì)硬件要求降低，且易于管理和共享。每一個(gè)中心文件內(nèi)部保持了相關(guān)建筑單體之間的相對(duì)位置關(guān)系。之后分別導(dǎo)入到Navisworks 中進(jìn)行拼裝。利用Reference Point 插件 ，每個(gè)中心文件可基于1 棟典型單體獲得真實(shí)世界坐標(biāo)，總裝時(shí)即可實(shí)現(xiàn)全碼頭模型自動(dòng)對(duì)位正確。當(dāng)單體設(shè)計(jì)方案調(diào)整或糾錯(cuò)時(shí)也可快速回到Revit 中編輯，再重新導(dǎo)出、鏈接。該插件的引入大幅提升了港口項(xiàng)目中單體與室外工程專業(yè)間的信息流動(dòng)效率和模型協(xié)調(diào)性，為類似項(xiàng)目提供了一種靈活且可操性強(qiáng)的協(xié)同工作新方法。

圖1 整合后的平倉區(qū)模型Fig.1 Integrated models of warehouse operation area

3.2 碰撞檢測與糾錯(cuò)

借助BIM 的碰撞檢測功能和可視化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)圖紙范圍內(nèi)各種管線布設(shè)與建筑、結(jié)構(gòu)平面布置和豎向高程相協(xié)調(diào)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，以避免空間沖突，盡可能減少碰撞，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤傳遞到施工階段[5]。

3.2.1 實(shí)施過程

將各個(gè)專業(yè)的初步模型文件整合到Navisworks中，按照兩兩模型碰撞的原則，車輪式進(jìn)行檢測。經(jīng)過初輪碰撞，發(fā)現(xiàn)場地內(nèi)管線與管線間沖突點(diǎn)600 余處（圖2），管線與建筑單體基礎(chǔ)間沖突90余處。

圖2 碰撞點(diǎn)示意Fig.2 Sketch of collision point

為高效解決碰撞問題，采用了以下工作流程：

1）碰撞協(xié)調(diào)會(huì)前預(yù)處理：BIM 協(xié)調(diào)人員對(duì)碰撞點(diǎn)首先進(jìn)行預(yù)處理，利用Navisworks 分組處理功能，按“功能分區(qū)”、“構(gòu)件類別”、“涉及專業(yè)”等原則進(jìn)行碰撞點(diǎn)的合并與分組，對(duì)碰撞問題進(jìn)行歸類總結(jié)，形成協(xié)調(diào)說明文檔。

2）召開協(xié)調(diào)會(huì)：對(duì)照三維模型和說明文檔，逐項(xiàng)確定責(zé)任專業(yè)，討論下達(dá)整改要求，記錄整理并將信息匹配錄入“已分配給”和“注釋”等字段，記錄責(zé)任人和修改意見，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)信息與碰撞點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，并包含在生成的碰撞檢測報(bào)告中。

3）會(huì)后糾錯(cuò)：各專業(yè)人員基于碰撞檢測報(bào)告調(diào)整或修正設(shè)計(jì)方案。對(duì)升版方案重復(fù)上述碰撞檢測過程，直至解決全部碰撞問題。

3.2.2 二次開發(fā)提升效率

糾錯(cuò)過程中，設(shè)計(jì)人員需參照碰撞報(bào)告，到相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件中逐個(gè)查找碰撞位置，修改模型。對(duì)于Revit 軟件創(chuàng)建的構(gòu)件，可通過報(bào)告中的元素ID 信息在軟件中實(shí)現(xiàn)碰撞構(gòu)件的自動(dòng)定位。而對(duì)于Civil 3D 軟件創(chuàng)建的重力流管線模型元素，報(bào)告中給出的句柄信息無法直接應(yīng)用。另外，本項(xiàng)目場地大，管線繁雜且碰撞涉及管道、管道部件、雨水井、消防栓等多種圖元，查找工作耗時(shí)且效率低下。因此基于.NET 語言進(jìn)行了二次開發(fā)，通過匹配句柄信息在Civil 3D 軟件中自動(dòng)定位到碰撞構(gòu)件，并將其放大顯示到窗口中心。

開發(fā)通過Civil 3D 提供的.NET API 接口進(jìn)行[6]，基礎(chǔ)為AutoCAD 二次開發(fā)框架。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)從碰撞報(bào)告中提取實(shí)體句柄，之后映射實(shí)體ID，定位到對(duì)應(yīng)的實(shí)體構(gòu)件再居中放大。

給排水等專業(yè)人員將插件加載到Civil 3D 軟件中，運(yùn)行后按提示輸入報(bào)告中相應(yīng)碰撞圖元的實(shí)體句柄信息，相應(yīng)構(gòu)件即自動(dòng)被選中，高亮且居中放大。插件的開發(fā)有效減輕了設(shè)計(jì)人員工作量，縮短了管線綜合設(shè)計(jì)輪數(shù)與時(shí)間。

3.3 深化應(yīng)用

3.3.1 機(jī)電專業(yè)智能化與預(yù)制化設(shè)計(jì)

1）給排水自動(dòng)化管網(wǎng)建模

為優(yōu)化室外給排水管網(wǎng)建模流程，將EPANET 軟件與Revit 聯(lián)動(dòng)，得到更加精確和合理的管網(wǎng)路由與管網(wǎng)平差計(jì)算結(jié)果?；赗evit API進(jìn)行二次開發(fā)，自動(dòng)讀取節(jié)點(diǎn)參數(shù)等信息，即可在Revit 軟件中快速生成整套管網(wǎng)模型。提升了管網(wǎng)建模效率，生成的模型更加精細(xì)。

2）機(jī)電管線預(yù)制化深化設(shè)計(jì)

Revit 創(chuàng)建的模型無法達(dá)到預(yù)制加工的深度[7]，需要在Fabrication CADMEP 軟件中進(jìn)行延伸設(shè)計(jì)。得到反應(yīng)真實(shí)管段長度和管配件尺寸的精確模型，剖切得到精細(xì)化圖紙和工程量用于工廠生產(chǎn)和施工精準(zhǔn)采購，提升了項(xiàng)目的管線預(yù)制化設(shè)計(jì)水平。機(jī)電管線深化設(shè)計(jì)開料表見圖3。

圖3 機(jī)電管線深化設(shè)計(jì)開料表Fig.3 Opening sheet for detailed design of mechanical and electrical pipelines

3.3.2 建筑綠色設(shè)計(jì)

1）辦公樓消防疏散模擬仿真

本項(xiàng)目的辦公室為6 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積7 648 m2。建筑防火類別2 級(jí)，含3 部電梯、2 部樓梯、含控制室、UPS 間及消防控制室，面積約200 m2。通過分析，直接生成針對(duì)辦公樓特定房間的人員疏散與時(shí)間關(guān)系曲線，為設(shè)計(jì)優(yōu)化方案提供了量化結(jié)果與信息支撐。

同時(shí)，利用可視化技術(shù)，還從多維度、多視角預(yù)演了火災(zāi)時(shí)辦公樓內(nèi)人員疏散撤退的場景（圖4）。增強(qiáng)了項(xiàng)目參與各方對(duì)不同方案的感官差別，有利于最終方案比選時(shí)，獲得滿足各項(xiàng)指標(biāo)且更具人性化與適用感的設(shè)計(jì)方案和逃生路徑。對(duì)于項(xiàng)目建成后的現(xiàn)場應(yīng)急管理和安全運(yùn)營工作也具有實(shí)際意義。

圖4 疏散場景模擬Fig.4 Evacuation scene simulation

2）綠色節(jié)能設(shè)計(jì)初探

綠色港口是一種先進(jìn)的理念，也是港口未來發(fā)展的主要趨勢之一[8]。利用Revit 內(nèi)置的Insight 360，可以將創(chuàng)建的三維建筑模型快捷轉(zhuǎn)化為能量模型（圖5），并實(shí)時(shí)獲取建筑環(huán)境影響表現(xiàn)指標(biāo)。綜合考慮工程所在地的氣候條件，冬、夏季太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)環(huán)境等多方面因素，允許設(shè)計(jì)人員對(duì)不同建筑走向，不同飾面材料選擇與搭配，墻體與屋頂建造，窗墻比等細(xì)節(jié)進(jìn)行多方案對(duì)比分析，得到不同方案下的制冷能耗、用電能耗等，并與國際主流基準(zhǔn)能耗進(jìn)行對(duì)比。從而不斷優(yōu)化建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)，為暖通設(shè)計(jì)提供有力支撐。為設(shè)計(jì)決策和財(cái)務(wù)分析提供合理的能源成本預(yù)測，研究可再生能源利用潛能。

圖5 辦公樓綜合能量模型Fig.5 Comprehensive energy model of office building

4 收獲與體會(huì)

項(xiàng)目BIM 實(shí)施過程中的收獲與體會(huì)如下：

1） 方案策劃階段，應(yīng)參考現(xiàn)有的BIM 應(yīng)用成果，分析實(shí)際項(xiàng)目情況，預(yù)判可能出現(xiàn)的問題，對(duì)技術(shù)難點(diǎn)提前展開研究。不要局限于單一軟件平臺(tái)或理論體系。發(fā)散思維，以提升效率為目標(biāo)，結(jié)合二次開發(fā)等手段，不斷修正技術(shù)路線，完善技術(shù)細(xì)節(jié)，使BIM 在水運(yùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中更具有實(shí)用性。

2） 本項(xiàng)目經(jīng)過BIM 應(yīng)用實(shí)踐，切實(shí)加快了設(shè)計(jì)審批流程，提升了設(shè)計(jì)品質(zhì)。但現(xiàn)階段的應(yīng)用仍處于較淺階段，下一步應(yīng)著力于設(shè)計(jì)施工一體化和全港區(qū)散貨工藝系統(tǒng)仿真、運(yùn)維等方面的研究，推動(dòng)現(xiàn)有BIM 設(shè)計(jì)模型向施工、運(yùn)維乃至項(xiàng)目全周期模型演化，深挖BIM 信息模型的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

針對(duì)某大型專業(yè)化散貨碼頭項(xiàng)目專業(yè)協(xié)作要求高和構(gòu)件碰撞、沖突多等特點(diǎn)開展了相應(yīng)的BIM 應(yīng)用探究，并結(jié)合二次開發(fā)等手段優(yōu)化流程，對(duì)實(shí)操層面的問題提出了切實(shí)可行的解決方法，進(jìn)一步提升了工作效率和設(shè)計(jì)成果精確度。同時(shí)進(jìn)一步探究了機(jī)電深化設(shè)計(jì)與建筑綠色設(shè)計(jì)的應(yīng)用，為水運(yùn)設(shè)計(jì)行業(yè)智慧升級(jí)，推動(dòng)設(shè)計(jì)院的數(shù)字化轉(zhuǎn)型做出了有益嘗試。