BIM技術(shù)在碼頭項目應(yīng)用探討

李培良 青島市運輸事業(yè)發(fā)展中心（青島國際航運服務(wù)中心）

1.項目背景

1.1 項目概況

通過沿海某散貨碼頭2×3.5萬噸級泊位工程（#1泊位）的BIM應(yīng)用，探索BIM技術(shù)在水工項目中的應(yīng)用方法及價值。

該散貨碼頭2×3.5萬噸級通用泊位位于港區(qū)引堤內(nèi)側(cè)南段建設(shè)，前沿走向為NW-SE向，平行于引堤軸線。建設(shè)重力式沉箱碼頭泊位長度226m，引堤107m，以及裝卸工藝、港池疏浚、生產(chǎn)輔助建筑物、消防、環(huán)保、導(dǎo)助航等配套工程。

本次BIM 應(yīng)用為“后BIM 模式”，依據(jù)原CAD招標(biāo)圖進(jìn)行BIM建模。水運工程BIM設(shè)計是采用帶有工程信息的三維部件（包括族），按照模型協(xié)同為主的工作方式，進(jìn)行工程項目的專業(yè)協(xié)同設(shè)計工作，并將設(shè)計成果和建設(shè)意圖以符合工程標(biāo)準(zhǔn)的三維信息模型產(chǎn)品、二維設(shè)計圖紙、數(shù)據(jù)信息或多媒體數(shù)據(jù)形式傳遞給相關(guān)方或作為設(shè)計成果交付的工作方式和成套技術(shù)應(yīng)用。

1.2 BIM應(yīng)用環(huán)境

國內(nèi)水運工程BIM技術(shù)的應(yīng)用相對發(fā)達(dá)國家起步較晚，但是信息化手段在水運工程設(shè)計、施工、運維的過程中不斷地深入應(yīng)用，產(chǎn)生了很多傳統(tǒng)設(shè)計手段不具備的新技術(shù)、新理念，如3D、4D、5D，還有BIM理念和產(chǎn)品全生命周期的理念如何在設(shè)計前期使用三維技術(shù)的手段更好地優(yōu)化設(shè)計和交流溝通，提升設(shè)計品質(zhì)和質(zhì)量，已經(jīng)成為國內(nèi)水運設(shè)計行業(yè)關(guān)注的焦點。

2.應(yīng)用內(nèi)容

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

依據(jù)現(xiàn)有施工招標(biāo)圖，逐步探索建立專業(yè)化碼頭工程在設(shè)計階段的項目級BIM應(yīng)用體系，研究在專業(yè)化碼頭工程設(shè)計中利用BIM模型所含信息進(jìn)行協(xié)同工作，實現(xiàn)各專業(yè)、工程設(shè)計各階段的信息有效傳遞，實現(xiàn)可視化、協(xié)同設(shè)計和工程量統(tǒng)計的應(yīng)用目標(biāo)，并完成BIM成果。

2.2 技術(shù)路線

根據(jù)項目全生命周期劃分，一個項目的BIM技術(shù)應(yīng)用可以分為方案策劃、設(shè)計階段、施工階段、竣工交付階段及運維等階段。本項目的BIM應(yīng)用屬于設(shè)計階段中施工圖設(shè)計階段。

表1 BIM崗位職責(zé)

依據(jù)現(xiàn)有二維招標(biāo)圖，應(yīng)用Revit、Civil3D等建模，進(jìn)一步完成施工圖深化設(shè)計、施工過程模擬、裝卸工藝模擬及BIM設(shè)計質(zhì)量管理等工作。

2.3 項目BIM實施保障措施

本項目成立BIM小組，確定了BIM項目各崗位職責(zé)，根據(jù)崗位職責(zé)進(jìn)行BIM模型的創(chuàng)建工作，建立BIM系統(tǒng)運行詳細(xì)工作計劃及系統(tǒng)運行檢查機制。（見表1）

2.4 模型搭建

2.4.1 搭建流程

（1）建立定位模板。根據(jù)《BIM實施導(dǎo)則》的規(guī)定，將總平面布置導(dǎo)入Autodesk Revit形成本項目的定位模板。

基點、坐標(biāo)、標(biāo)高及單位、模型文件格式、系統(tǒng)拆分、構(gòu)件、零部件顏色分類、工作集規(guī)劃、構(gòu)件命名等依據(jù)《BIM實施導(dǎo)則》要求實施。

（2）族庫建立。由各專業(yè)對各模型情況進(jìn)行分析，確定需要建族的構(gòu)件并進(jìn)行構(gòu)建。在建族時，對可重復(fù)利用的族進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，保證在其他工程中通過修改參數(shù)即可使用，同時對構(gòu)件的材質(zhì)等非幾何信息進(jìn)行錄入、完善。

（3）模型搭建。各專業(yè)根據(jù)定位模板，建立各模型軸網(wǎng)及標(biāo)高，并開始搭建模型，在搭建過程中，可將平面、斷面、剖面及詳圖等CAD圖導(dǎo)入其中，便于模型中各構(gòu)件的定位。

（4）模型校審。模型初步搭建完畢后，由各專業(yè)校審人員進(jìn)行校審。審核后由模型搭建人根據(jù)校審意見進(jìn)行模型修改，并由校審人員確認(rèn)。最終模型按要求存檔于服務(wù)器中，并采用Navisworks導(dǎo)出輕量化模型。

（5）模型整合。將各專業(yè)模型采用原點對原點以鏈接的方式整合，形成總體模型，同時采用Navisworks將所有輕量化模型整合，形成輕量化整體模型。（見圖1）

2.4.2 搭建內(nèi)容

（1）水工。本工程水工結(jié)構(gòu)專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用點首先就是利用Revit軟件對地形模型的建立和開挖方量的統(tǒng)計。將測量單位提供準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，直接導(dǎo)入軟件生成三維原始地形。其次是利用Revit軟件對水工構(gòu)筑物族庫的搭建。Revit的水工構(gòu)筑物族庫非常稀少，我們首次進(jìn)行了創(chuàng)建水工族庫的嘗試。第三，利用協(xié)同設(shè)計平臺軟件Navisworks，將水工結(jié)構(gòu)與給排水、電氣，建筑等專業(yè)的模型整合，并進(jìn)行輕量化設(shè)計。

（2）工藝。本工程工藝專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用點首先就是利用Revit軟件對裝卸設(shè)備模型的建立。合理分解復(fù)雜模型的構(gòu)件并建立模型，并賦予相關(guān)幾何和非幾何參數(shù)形成族，最終進(jìn)行組合拼接，能夠滿足快速建模和參數(shù)化設(shè)計的需要。工藝族庫的搭建和積累，能夠有效提高同類項目工藝建模效率。其次，利用協(xié)同設(shè)計平臺軟件，可將工藝與其他專業(yè)模型進(jìn)行碰撞以及巡檢檢查，提前發(fā)現(xiàn)并解決施工或運營階段各隱蔽節(jié)點處可能出現(xiàn)的各類空間問題，減少了因變更或返工等情況造成的投資浪費以及工期延長。另外，可以充分利用Newisworks軟件的工程動畫模擬功能，將項目運營階段的機械裝卸操作、貨物運輸?shù)裙に嚵鞒讨庇^展示出來。

（3）土建。本工程土建專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用上的具體表現(xiàn)是，利用Revit軟件，建立廊道及轉(zhuǎn)運站三維模型，賦予模型幾何和非幾何信息，例如建筑物外形尺寸、材質(zhì)等。對于特殊構(gòu)件，例如廊道擋風(fēng)板、沉淀池等，利用Revit自帶的族功能，創(chuàng)建特殊構(gòu)件。

圖1 模型搭建流程圖

（4）給排水。本工程給排水專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用點是利用Revit軟件對給水管道及排水渠模型建立。合理的對復(fù)雜模型進(jìn)行構(gòu)件分解建立模型，并賦予相關(guān)幾何和非幾何參數(shù)形成族，最終進(jìn)行組合拼接，能夠滿足快速建模和參數(shù)化設(shè)計的需要。給排水族庫的搭建和積累，能夠有效提高同類項目建模效率。

（5）BIM電氣部分應(yīng)用總結(jié)。根據(jù)該碼頭2×3.5萬噸級泊位工程BIM實施導(dǎo)則策劃，電氣部分設(shè)計主要分為強電及弱電兩大部分，在BIM技術(shù)應(yīng)用過程中，電氣專業(yè)模型搭建主要利用Revit現(xiàn)有族庫，例如電纜橋架、線管等。同時由于工程自身特點，部分室外電氣、控制設(shè)備則需要進(jìn)行族庫搭建，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計并需要賦予非幾何參數(shù)信息。

3.實施經(jīng)驗總結(jié)

3.1 應(yīng)用成果及價值體現(xiàn)

3.1.1 族庫化BIM設(shè)計

本項目BIM設(shè)計共創(chuàng)建了112項專有族，這些族是將項目按專業(yè)、施工要求劃分的建筑信息模型，其中模型幾何形狀采用參數(shù)化設(shè)計并使參數(shù)可以調(diào)節(jié)，進(jìn)而驅(qū)動構(gòu)件形體發(fā)生改變，滿足設(shè)計的要求。在這些建筑信息模型中，除帶有幾何形狀以外還要賦予一些非幾何屬性，如材料的耐火等級、材料的傳熱系數(shù)、構(gòu)件的造價、采購信息、重量、受力狀況等（見圖2）。

采用族庫化BIM設(shè)計的優(yōu)勢顯著：族庫參數(shù)化設(shè)計衍生出構(gòu)件關(guān)聯(lián)性設(shè)計。建筑模型中所有構(gòu)件通過參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，使我們實現(xiàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計，修改設(shè)計時只需修改模型。族庫化BIM設(shè)計不僅提高了設(shè)計師的工作效率，而且解決了長期以來圖紙之間的錯、漏、缺問題。

3.1.2 可視化設(shè)計

在本次BIM應(yīng)用中，“可視化設(shè)計”的應(yīng)用貫穿了設(shè)計全過程，讓設(shè)計師能夠隨時運用三維思考方式進(jìn)行設(shè)計，并開展設(shè)計團(tuán)隊內(nèi)部、設(shè)計與業(yè)主等之間的高效交流。重點對以下部位進(jìn)行了可視化展示：研究整體鳥瞰與漫游、研究準(zhǔn)確的土方量開挖與回填、水工工程施工模擬、專業(yè)煤碼頭裝卸工藝模擬、生產(chǎn)過程中廊道巡檢模擬。

圖2 沉箱族成果圖

圖3 建設(shè)內(nèi)容可視化成果圖

通過可視化展示，在項目投標(biāo)、方案匯報等場合可以提升設(shè)計方案的展示效果；可為方案論證提供了形象、準(zhǔn)確的設(shè)計完成效果，便于決策；設(shè)計師能更好的開展設(shè)計，大幅提高設(shè)計內(nèi)部、設(shè)計與業(yè)主及相關(guān)方的溝通效率。

使用Autodesk Revit系列軟件，采用協(xié)同工作模式，為不同專業(yè)提供交流平臺，以便發(fā)現(xiàn)并解決問題，提交具備全專業(yè)成果的BIM總體整合模型及項目效果圖。（見圖3）

3.1.3 性能化分析

利用BIM技術(shù)，設(shè)計師在設(shè)計過程中創(chuàng)建的虛擬建筑模型已經(jīng)包含了大量的設(shè)計信息(幾何信息、材料性能、構(gòu)件屬性等)，只要將模型導(dǎo)入相關(guān)的性能化分析軟件，就可以得到相應(yīng)的分析結(jié)果，原本需要專業(yè)人士花費大量時間輸入大量專業(yè)數(shù)據(jù)的過程，如今可以自動完成，這大大降低了性能化分析的周期，提高了設(shè)計質(zhì)量，同時能夠為業(yè)主提供更專業(yè)的技能和服務(wù)。

本次BIM應(yīng)用中，受時間限制未能開展針對該水工工程的性能化分析研究，但建筑模型中已輸入相應(yīng)的設(shè)計信息，為后續(xù)相關(guān)性能化分析研究打下了堅實的基礎(chǔ)。（見圖4）

3.1.4 協(xié)同設(shè)計、管線綜合及碰撞檢查

（1）協(xié)同設(shè)計?，F(xiàn)有的協(xié)同設(shè)計主要是基于CAD平臺，并不能充分實現(xiàn)專業(yè)間的信息交流，無法加載附加信息，導(dǎo)致專業(yè)間的數(shù)據(jù)不具有關(guān)聯(lián)性。BIM的出現(xiàn)能同時在模型中以三維方式瀏覽其他專業(yè)的設(shè)計模型，實現(xiàn)模型的實時更新，以實時協(xié)同的方式代替過去階段式協(xié)同（每隔一段時間各專業(yè)相互對圖），極大的減少了對圖、改圖的工作量，減少了制圖中容易出現(xiàn)的低級錯誤，并能提前暴露大量實際施工中會遇到的各類問題，減少了施工與現(xiàn)場配合的難度，可在建筑的全生命周期中更好的控制施工進(jìn)度以及工程造價。（見圖5）

（2）管線綜合。管線綜合布置采取大管優(yōu)先，小管讓大管，有壓管讓無壓管，低壓管避讓高壓管，常溫管讓高溫、低溫管，可彎管線讓不可彎管線，分支管線讓主干管線，附件少的管線避讓附件多的管線的原則。本次BIM應(yīng)用將管溝內(nèi)的給水管線、中水管線按照上述原則綜合布管。強弱電沿廊道內(nèi)皮帶機一側(cè)電纜橋架布設(shè)。水管和電氣管線交叉時的間距按照規(guī)范要求敷設(shè)。（見圖6）

圖4 導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析軟件成果圖

圖5 各專業(yè)同一平臺設(shè)計圖

圖6 水電管線綜合整體圖

（3）碰撞檢查?；贐IM技術(shù)可將兩個不同專業(yè)的模型集成為兩個模型，通過軟件提供的空間沖突檢查功能查找兩個專業(yè)之間的空間沖突可疑點，軟件可以在發(fā)現(xiàn)可疑點時箱操作者報警，經(jīng)人工確認(rèn)該沖突然后修改模型。（見圖7）

碰撞檢查是指提前查找和報告在工程項目中不同部分之間的沖突。通常碰撞問題出現(xiàn)最多的是安裝工程中各專業(yè)設(shè)備管線之間的碰撞、管線與建筑結(jié)構(gòu)部分的碰撞以及建筑結(jié)構(gòu)本身的碰撞。在本項目的碰撞檢查功能中，需結(jié)合三維可視圖逐項對碰撞點進(jìn)行判斷、解讀與分析，來確認(rèn)是否是合理碰撞。針對碰撞點進(jìn)行討論分析后，排除部分合理碰撞（如扭王字塊之間的碰撞、基床和地形直接的碰撞、管道和管件之間的碰撞、管道在基礎(chǔ)中埋設(shè)引起的碰撞等），修改完善其他不合理的碰撞，達(dá)到在施工前預(yù)先解決問題、節(jié)省工時及避免不必要的變更與浪費的目的。

3.1.5 工程量統(tǒng)計

在CAD時代的工程量統(tǒng)計需要消耗大量的人工，并難免手工計算帶來的差錯，而且設(shè)計方案調(diào)整后也將導(dǎo)致工程量統(tǒng)計數(shù)據(jù)失效。而BIM是一個富含工程信息的數(shù)據(jù)庫，可以真實地提供造價管理需要的工程量信息，借助這些信息，計算機可以快速對各種構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計分析，大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯誤，非常容易實現(xiàn)工程量信息與設(shè)計方案的完全一致。

在本次BIM應(yīng)用中，利用三維圖形技術(shù)，各專業(yè)進(jìn)行工程量自動統(tǒng)計、扣減計算，并進(jìn)行報表統(tǒng)計，大幅提高算量工作的效率。一方面可以作為設(shè)計階段工程造價控制的基礎(chǔ)性資料，精確統(tǒng)計工程量可以更好的節(jié)約投資；另一方面，也可以作為施工期預(yù)算編制以及施工期BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)性資料。（見表2）

圖7 碰撞檢查修改實例圖

表2 工程量統(tǒng)計表

圖8 基于BIM技術(shù)生成的二維圖

3.1.6 施工模擬

我們也通過將BIM模型與施工工序計劃結(jié)合，初步研究了利用BIM設(shè)計成果進(jìn)行施工模擬的方法。通過將BIM與施工進(jìn)度計劃相鏈接，將空間與時間信息整合在一個可視的4D(3D+Time)模型中，可以直觀、精確地反映整個建筑的施工過程。直觀的將施工計劃與實際進(jìn)展進(jìn)行對比，同時進(jìn)行有效協(xié)同，施工方、監(jiān)理方、業(yè)主方都對工程項目的各種問題和情況了如指掌。設(shè)計單位通過簡潔的施工模擬動畫進(jìn)行交底可以大大提高施工方對設(shè)計意圖的理解，大大提高交底效率。

3.1.7 獲取二維圖紙

三維出圖是未來的發(fā)展趨勢，會在很大程度上代替純CAD繪圖的應(yīng)用。通過該項目使用BIM就能清晰感覺到，直接用三維模型無論是生成剖切面還是表達(dá)細(xì)部大樣，都變得快捷方便。理論上，基于唯一的BIM數(shù)據(jù)模型源，任何對工程設(shè)計的實質(zhì)性修改都將反映在BIM模型中，軟件可依據(jù)3D模型的修改信息自動更新所有與該修改相關(guān)的2D圖紙，由3D模型到2D圖紙的自動更新將為設(shè)計人員節(jié)省大量的圖紙修改時間。（見圖8）

3.2 應(yīng)用難點及體會

3.2.1 BIM應(yīng)用外部環(huán)境不完善

BIM技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)由多種軟件搭建而成，同時BIM技術(shù)應(yīng)用分為三類:工具、平臺和環(huán)境。盡管BIM技術(shù)應(yīng)用的前景好、價值大，但其在工程界的應(yīng)用尚未被廣泛接受和使用，通常一項工程有多方參與，不可能硬性規(guī)定所有參與單位均采用某種軟件，因此，合作環(huán)境難度高是其BIM技術(shù)應(yīng)用的一個難點。

此外，BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)規(guī)則實質(zhì)是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的定義和交換規(guī)則，即BIM語言。我國工程建設(shè)領(lǐng)域在該方面起步較慢，是影響B(tài)IM技術(shù)應(yīng)用的另一因素。發(fā)達(dá)國家的政府對工程信息化引導(dǎo)和支持作用主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)定制和政府投資項目的強制推行等方面。當(dāng)前，在我國缺失基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)階段，尤其是水工行業(yè)對BIM技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)制定尚處于研究階段，致使BIM技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展受到局限。

3.2.2 項目管理水平制約

BIM技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于對于信息的收集和分享，這正是項目管理者所關(guān)注的。在BIM模型出現(xiàn)前，項目管理對信息的集散管理主要圍繞文檔（紙質(zhì)或電子）這種介質(zhì)進(jìn)行，而現(xiàn)在可利用BIM模型進(jìn)行，不僅提高了傳遞信息的速度，更解決了因信息沖突而帶來的進(jìn)度滯后和成本上升等問題。尤其在解決復(fù)雜大型工程項目的管理問題上，原先的技術(shù)手段無法處理。

國際通用的工程項目管理規(guī)則、重視合同契約原則在我國尚未完全推行。技術(shù)和管理之間是相輔相成的，管理意識和管理水平制約著技術(shù)應(yīng)用效果，因此須從解決管理問題入手，這樣才能促進(jìn)BIM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

3.3 BIM應(yīng)用發(fā)展建議

3.3.1 組建以設(shè)計人員為主的BIM團(tuán)隊

建模是BIM的基礎(chǔ)工作，設(shè)計人員在BIM團(tuán)隊中是核心，其它的工作都基于BIM模型展開。但設(shè)計不是引領(lǐng)者，因為設(shè)計人員更關(guān)心BIM建模和設(shè)計類BIM消費部分。施工人員更關(guān)心具體的施工類BIM消費，對建模的前期介入缺少先機。理想的BIM團(tuán)隊?wèi)?yīng)該是項目管理人員牽頭，以設(shè)計人員為主，施工人員參與，涵蓋項目涉及的各設(shè)計、施工管理專業(yè)，利用全專業(yè)、整系統(tǒng)的做法，在BIM平臺上協(xié)作。讓BIM模型的應(yīng)用最大限度地發(fā)散，研究的成果才能絢麗多彩，有生命力。

3.3.2 建立明確的BIM團(tuán)隊標(biāo)準(zhǔn)

在BIM應(yīng)用過程中，每個BIM團(tuán)隊?wèi)?yīng)建立適合團(tuán)隊?wèi)?yīng)用的BIM標(biāo)準(zhǔn)，建筑業(yè)尤其需要項目團(tuán)隊之間更好的集成、合作和協(xié)同，才能提高效率。BIM團(tuán)隊內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)包括業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)(招投標(biāo)標(biāo)書模板、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、人員配置標(biāo)準(zhǔn)等)、軟件應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)(軟件的類型、版本等)和信息模型的標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn)設(shè)定、模型深度標(biāo)準(zhǔn)、扣減標(biāo)準(zhǔn)、屬性設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)、族的選用標(biāo)準(zhǔn)等)，甚至細(xì)化到各類管線顏色的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定有利于BIM團(tuán)隊業(yè)務(wù)形成成熟的標(biāo)準(zhǔn)化流程，增強BIM團(tuán)隊的核心競爭力。

3.3.3 建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?nèi)部審核機制

每個項目都是一個團(tuán)隊合作完成的，在BIM實踐過程中會遇到協(xié)作過程中出現(xiàn)問題，導(dǎo)致整體模型的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，無法在后期中合理地應(yīng)用。為解決信息模型質(zhì)量問題，提高模型的質(zhì)量，應(yīng)在團(tuán)隊中建立內(nèi)部審核機制，保證所出的模型質(zhì)量滿足要求。