集裝箱碼頭裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)及應(yīng)用探討

吳邵強(qiáng)，劉 敬，梁 浩

（1.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；2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

引言

在專業(yè)化集裝箱碼頭工程BIM 設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，裝卸工藝設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)是將工程中與裝卸工藝系統(tǒng)相關(guān)的各種對(duì)象模型化，將攜帶信息屬性的對(duì)象模型在不同應(yīng)用軟件平臺(tái)上進(jìn)行裝卸工藝系統(tǒng)總裝，利用協(xié)同設(shè)計(jì)理念，完成包括互提中間資料、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)等在內(nèi)的基本工程設(shè)計(jì)任務(wù)和以碰撞檢測(cè)及施工模擬、輕量化模型全景展示、物流仿真等為代表的多種BIM 拓展應(yīng)用任務(wù)。總體上看，裝卸工藝系統(tǒng)BIM 設(shè)計(jì)具有以下兩大特點(diǎn)：

1)在基本模型層面，需模型化的對(duì)象類別繁多，包含多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非標(biāo)成套裝卸設(shè)備、多種構(gòu)造簡(jiǎn)單的地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線、集裝箱及箱堆模型等，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)建模對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)適當(dāng)?shù)剡x取合適的軟件建模，涉及的建模軟件種類較多；

2)在模型總裝、工程設(shè)計(jì)和拓展應(yīng)用層面，基本模型需適應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境較多，不同總裝軟件對(duì)基本模型的處理要求和接口文件均不相同。

本文將采用以Autodesk 系列軟件為主的多種BIM 設(shè)計(jì)軟件，對(duì)專業(yè)化集裝箱碼頭工程裝卸工藝的BIM 設(shè)計(jì)及多環(huán)境應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述，對(duì)不同軟件平臺(tái)的接口文件要求和模型處理方法進(jìn)行梳理，總結(jié)一套適用于專業(yè)化集裝箱碼頭工程裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)和應(yīng)用的技術(shù)路線，為同類碼頭工程項(xiàng)目的裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)提供參考。

1 裝卸工藝系統(tǒng)模型精度要求

在碼頭工程BIM 設(shè)計(jì)及應(yīng)用過(guò)程中，裝卸工藝的設(shè)計(jì)工作相對(duì)比較特殊，特別之處在于BIM 設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中裝卸工藝的設(shè)計(jì)內(nèi)容存在較大的差異。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，裝卸工藝的設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)在于裝卸工藝方案制定、裝卸工藝流程設(shè)計(jì)、裝卸設(shè)備配置和選型等；BIM 設(shè)計(jì)中，裝卸工藝設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)在于將裝卸工藝系統(tǒng)中所涉及的裝卸設(shè)備和其他輔助設(shè)施模型化和信息化。BIM 設(shè)計(jì)中對(duì)于裝卸工藝相關(guān)的模型的精細(xì)度要求各不相同。

1)非標(biāo)成套裝卸設(shè)備

就大型成套裝卸設(shè)備，傳統(tǒng)裝卸設(shè)計(jì)解決的是如何確定裝卸設(shè)備型號(hào)規(guī)格和使用裝卸設(shè)備的問(wèn)題，BIM 設(shè)計(jì)解決的是如何構(gòu)建設(shè)備結(jié)構(gòu)模型和使用模型的問(wèn)題，兩者存在一定的差別。

在碼頭工程設(shè)計(jì)和建造項(xiàng)目中，成套裝卸設(shè)備設(shè)計(jì)和制造屬于成套設(shè)備供應(yīng)商的職責(zé)范圍。通常在設(shè)備招投標(biāo)前或設(shè)備設(shè)計(jì)未完成時(shí)，碼頭設(shè)計(jì)院是無(wú)法獲得成套裝卸設(shè)備的詳細(xì)設(shè)計(jì)資料(包括設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸資料等)的。在碼頭工程設(shè)計(jì)全壽命周期中，成套設(shè)備模型搭建可參考的輸入資料往往十分有限，能獲取的資源可能僅僅是裝卸設(shè)備總圖和少量實(shí)物照等，基礎(chǔ)資料的匱乏決定了非標(biāo)成套裝卸設(shè)備的模型搭建不可能做到精細(xì)。同時(shí)，成套裝卸設(shè)備模型自身的結(jié)構(gòu)精細(xì)度對(duì)裝卸工藝設(shè)備配置工程量的統(tǒng)計(jì)基本無(wú)影響，模型的功用決定了這類模型的搭建不需要做到過(guò)于精細(xì)。因此，非標(biāo)成套裝卸設(shè)備的建模精度應(yīng)視建?；A(chǔ)資料的完整性，達(dá)到LOD200 即可。需注意的是，設(shè)備結(jié)構(gòu)中與土建結(jié)構(gòu)相接的部分應(yīng)盡可能細(xì)化，以免造成設(shè)備與土建設(shè)施相關(guān)的設(shè)計(jì)接口條件失真，影響碼頭總體設(shè)計(jì)和土建設(shè)施設(shè)計(jì)。

2)港區(qū)地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線

專業(yè)化集裝箱碼頭工程標(biāo)識(shí)標(biāo)線系統(tǒng)通常包括各類交通劃線、交通導(dǎo)向箭頭、堆場(chǎng)箱位標(biāo)識(shí)等。這部分對(duì)象有構(gòu)造簡(jiǎn)單、尺寸數(shù)據(jù)明確的特點(diǎn)，具備精細(xì)化建模的可能性。另外，對(duì)于這部分對(duì)象，模型本身的精細(xì)度直接關(guān)系到工程量的計(jì)算。因此，地面表示標(biāo)線的建模精度應(yīng)達(dá)到LOD300 以上。

3)非設(shè)備實(shí)物

在專業(yè)化集裝箱碼頭BIM 設(shè)計(jì)中有部分在特定的拓展應(yīng)用中需要模型化的對(duì)象，如集裝箱和集裝箱堆，這部分對(duì)象與裝卸工藝設(shè)計(jì)之間存在一定的關(guān)聯(lián)，但其自身結(jié)構(gòu)的精細(xì)度對(duì)工程設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有影響，模型化后僅需保證總體尺寸正確和三維可視化效果，因此這部分對(duì)象的建模精度同樣達(dá)到LOD200 即可。

表1 集裝箱碼頭裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)中對(duì)象模型化精度需求表

2 裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)及拓展應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介

在港口工程BIM 設(shè)計(jì)中，不同的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)和模型總裝平臺(tái)往往依附著一系列功能不同的BIM 設(shè)計(jì)軟件，各軟件通過(guò)接口文件實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，盡量做到一模多用，實(shí)現(xiàn)完整的BIM 設(shè)計(jì)。本文所闡述的集裝箱碼頭裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)主要是依托于Autodesk 系列軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采用部分與Autodesk軟件具有接口條件的其他類三維設(shè)計(jì)軟件作為輔助工具。不同應(yīng)用場(chǎng)合下所采用的主要設(shè)計(jì)軟件如表2 所示。

表2 集裝箱碼頭裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件選擇

2.2 工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1)基本模型搭建

裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)基本模型搭建軟件應(yīng)圍繞模型總裝和設(shè)計(jì)成果輸出應(yīng)用平臺(tái)軟件的中間文件接口去選擇，按照擬模型化對(duì)象的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，分別采用合適的建模軟件來(lái)完成基本模型搭建。

對(duì)于非標(biāo)成套裝卸設(shè)備這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象，若掌握了全部或部分裝卸設(shè)備有效結(jié)構(gòu)尺寸資料，為便于后期模型能根據(jù)設(shè)備詳細(xì)規(guī)格進(jìn)行可編輯性修改或調(diào)整，應(yīng)盡量考慮自行搭建模型。這類對(duì)象在建模過(guò)程中往往需要?jiǎng)?chuàng)建大量的非正交(點(diǎn)、線、面)參照，推薦采用具有豐富造型功能的、可快速創(chuàng)建多種非正交參照的專業(yè)化機(jī)械建模軟件[1]。充分利用機(jī)械建模軟件內(nèi)部各種造型功能和材質(zhì)渲染功能，搭建各類裝卸設(shè)備模型。設(shè)備模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)一般在機(jī)械建模軟件中進(jìn)行，建議采取“從部件到組件”的建模方式，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)功能搭建同類設(shè)備部件庫(kù)，遇到具體項(xiàng)目時(shí)可根據(jù)需要在部件庫(kù)中選擇所需的部件，組裝形成新型號(hào)規(guī)格的裝卸設(shè)備，達(dá)到同類型設(shè)備系列產(chǎn)品快速建模的目標(biāo)。由于裝卸工藝BIM 工程設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺(tái)采用的是Autodesk 系列軟件中的Revit，因此應(yīng)盡量選擇系列軟件中與之兼容性好的軟件來(lái)搭建模型。當(dāng)然，對(duì)于部分完全無(wú)法獲取有效的結(jié)構(gòu)尺寸資料裝卸設(shè)備或?qū)ο?，可利用各類三維模型網(wǎng)站或各設(shè)備制造商搜集可利用的共享設(shè)備模型，研究和利用其與Revit 間的中間文件，實(shí)現(xiàn)模型互導(dǎo)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，無(wú)論采用何種機(jī)械建模軟件，只要最終能輸出.adsk或.rfa 模型文件，均能很好地兼容到Revit 中。需要注意的是對(duì)基本模型的修改、調(diào)整或參數(shù)化設(shè)計(jì)等操作只能在原建模軟件中完成，導(dǎo)入到Revit 后的模型是一個(gè)整體，內(nèi)部不可編輯。

圖1 集裝箱碼頭典型成套裝卸機(jī)械設(shè)備基本模型

對(duì)于港區(qū)地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線這類構(gòu)造簡(jiǎn)單的對(duì)象，建模時(shí)參照單一且正交，為盡量與最終應(yīng)用平臺(tái)間的模型文件轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，推薦采用Revit 作為模型搭建軟件[2]，利用Revit 內(nèi)部的造型功能和材質(zhì)渲染功能，完成模型搭建工作，形成.rfa 模型文件。

圖2 港區(qū)地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線基本模型

除上述兩類基本模型創(chuàng)建方式外，還存在一類草圖設(shè)計(jì)軟件(如Sketchup、3d max)可用于部分模型的輔助建模。該軟件實(shí)體造型功能相對(duì)稍差，模型本身主要由線條和貼圖構(gòu)成，模型建成后體量一般比專業(yè)化機(jī)械建模軟件搭建的同設(shè)備模型小，且可視化效果較好，能較好地適應(yīng)部分裝卸工藝BIM拓展設(shè)計(jì)。

2)工程設(shè)計(jì)模型總裝

采用Revit 軟件作為裝卸工藝BIM 工程設(shè)計(jì)的總裝平臺(tái)，模型總裝應(yīng)遵循Revit 內(nèi)部的基本操作機(jī)制。工程設(shè)計(jì)模型總裝通常按以下兩個(gè)步驟進(jìn)行：

a)族文件創(chuàng)建。首先，利用基本模型搭建軟件與Revit 軟件的模型轉(zhuǎn)換接口，將模型轉(zhuǎn)換到Revit中，利用Revit 新建族模塊打開(kāi).adsk 或.rfa 基本模型，并完成基點(diǎn)、屬性參數(shù)、測(cè)量單位、詳細(xì)程度等基本模型屬性的定義或設(shè)置工作，最終輸出帶屬性的.rfa 族文件。

b)模型總裝設(shè)計(jì)。在Revit 中以鏈接有項(xiàng)目總圖的項(xiàng)目樣板文件(注：項(xiàng)目樣板為.rte 文件，該文件由項(xiàng)目組專人統(tǒng)一制作，此處不作贅述)為基礎(chǔ)，新建項(xiàng)目文件。在項(xiàng)目文件中載入已制作的帶屬性的族(.rfa)文件，利用軟件內(nèi)部的對(duì)齊、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等基本工具，按裝卸工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案完成裝卸工藝機(jī)械設(shè)備模型布置、地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線布置和其他相關(guān)實(shí)體模型的總裝布置設(shè)計(jì)，最終輸出.rvt 項(xiàng)目文件。

圖3 某專業(yè)化集裝箱碼頭裝卸機(jī)械設(shè)備總裝模型

3)工程設(shè)計(jì)成果輸出

裝卸工藝BIM 工程設(shè)計(jì)中，工程量、設(shè)計(jì)圖紙等主要工程設(shè)計(jì)成果可直接在Revit 項(xiàng)目文件中完成。利用“視圖-明細(xì)表”工具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取總裝模型各圖元的屬性參數(shù)，如所有設(shè)備的規(guī)格參數(shù)、所有地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線的面積等，經(jīng)過(guò)明細(xì)表編輯設(shè)置后輸出所需的工程量清單。利用“視圖”中“剖面”、“詳圖索引”等一系列基本視圖工具可創(chuàng)建多個(gè)圖紙視圖，采用軟件內(nèi)部“注釋”功能完成視圖的設(shè)計(jì)，最后按設(shè)計(jì)需要對(duì)視圖進(jìn)行分類組合，形成多張工程設(shè)計(jì)圖紙。

4)BIM 設(shè)計(jì)文件管理及協(xié)同設(shè)計(jì)

對(duì)于裝卸工藝BIM 工程設(shè)計(jì)來(lái)講，最終輸出的設(shè)計(jì)成果如工程量表、設(shè)計(jì)圖紙等都內(nèi)嵌在項(xiàng)目文件中，因此最終提交的電子版工程設(shè)計(jì)文件實(shí)際上就是帶有設(shè)計(jì)成果的.rvt 項(xiàng)目文件。將這些文件全部上傳至Vault 服務(wù)器中，并以之為中心實(shí)現(xiàn)與專業(yè)內(nèi)或?qū)I(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)[3](包括模型共享鏈接等)。

2.3 拓展設(shè)計(jì)及應(yīng)用

在港口工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，不同的應(yīng)用需求和場(chǎng)合對(duì)裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)的要求各不相同，當(dāng)然需要采用的配套拓展設(shè)計(jì)軟件和主要設(shè)計(jì)過(guò)程也大有不同。

1)碰撞檢測(cè)及施工模擬

利用Autodesk 系列軟件中Navisworks 作為模型總裝平臺(tái)，將項(xiàng)目的BIM 模型導(dǎo)入到Navisworks中完成二次總裝，并以此總裝模型為基礎(chǔ)完成項(xiàng)目管線綜合、機(jī)電安裝、土建工程等硬件設(shè)施的碰撞檢測(cè)和施工模擬。在這一項(xiàng)拓展應(yīng)用中，大部分裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)模型如裝卸機(jī)械設(shè)備布置模型和港區(qū)地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線布置模型等均可通過(guò)Navisworks內(nèi)部的“常用-附加”工具直接從Vault 服務(wù)器中以項(xiàng)目文件形式被鏈接和載入到總裝模型中。同時(shí)，通過(guò)服務(wù)器的協(xié)同機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)模型同步更新以應(yīng)對(duì)專業(yè)模型不定時(shí)的設(shè)計(jì)修改。

對(duì)于集裝箱堆場(chǎng)箱堆這類圖元數(shù)量龐大、視覺(jué)效果要求高的模型，推薦采用在Sketchup 軟件中利用不同類型集裝箱模型總裝完成箱堆的布置設(shè)計(jì)，使得箱堆模型以.skp 文件輸出。最后直接利用Navisworks“常用-附加”工具將其鏈接和載入到總裝模型中。

2)輕量化模型全景展示

利用Lumion 作為全景展示模型總裝平臺(tái)，將項(xiàng)目所有的BIM 模型導(dǎo)入到Lumion 中完成二次總裝，并以此總裝模型為基礎(chǔ)完成全景展示模型總裝。在這一項(xiàng)拓展應(yīng)用中，裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)模型幾乎全部位于碼頭上部，是展示應(yīng)用的重點(diǎn)。裝卸機(jī)械設(shè)備布置模型和港區(qū)地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線布置模型應(yīng)提前在Revit項(xiàng)目文件中利用其與Lumion的接口插件導(dǎo)出.dae 文件，集裝箱箱堆模型應(yīng)提前在Sketchup 總裝模型文件中直接導(dǎo)出.dae 文件。最終，所有的裝卸工藝三維模型文件均以.dae 形式被Lumion 鏈接和載入，并完成輕量化模型總裝。

3)物流仿真

利用Flexterm 或Flexsim 作為集裝箱碼頭港內(nèi)物流系統(tǒng)仿真平臺(tái)，模擬集裝箱在港區(qū)內(nèi)部裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)的各類流程，根據(jù)仿真結(jié)果分析裝卸設(shè)備作業(yè)的有效利用率、港內(nèi)道路交通量、堆場(chǎng)總體布置模式的優(yōu)缺點(diǎn)，以達(dá)到裝卸工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。在這一項(xiàng)拓展應(yīng)用中，大部分裝卸系統(tǒng)模型可利用仿真平臺(tái)內(nèi)部模塊搭建和總裝完成，少部分為增加可視化效果的模型(如港區(qū)地面標(biāo)識(shí)標(biāo)線系統(tǒng)模型、各類土建單體模型和其他附屬設(shè)施模型等)可通過(guò)BIM 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行補(bǔ)充。具體來(lái)講，對(duì)于采用Revit 輸出包括項(xiàng)目文件和基礎(chǔ)模型文件，均可轉(zhuǎn)換為.dae文件，再導(dǎo)入到Sketchup中形成.skp文件，與仿真軟件兼容。對(duì)于采用Sketchup 輸出的總裝和模型文件，均可以.skp 文件形式直接與仿真軟件兼容。

3 裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)技術(shù)路線

作為碼頭工程BIM 設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分，一套完整的集裝箱碼頭裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員了解多種軟件的基本特性，以實(shí)際的應(yīng)用需求為目標(biāo)導(dǎo)向，掌握不同軟件間的接口，以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的多樣性，做到“項(xiàng)目需要何種模型就能提供何種模型”。根據(jù)對(duì)各種應(yīng)用需求下集裝箱碼頭裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)過(guò)程的闡述，現(xiàn)以應(yīng)用軟件為節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)BIM 設(shè)計(jì)技術(shù)路線進(jìn)行總結(jié)，詳細(xì)技術(shù)路線如圖4 所示。

圖4 集裝箱碼頭裝卸工藝BIM 設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)路線圖

4 結(jié)語(yǔ)

集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)BIM 設(shè)計(jì)所涉及的三維模型軟件種類較多，各軟件使用的目標(biāo)和側(cè)重點(diǎn)都不相同，但并不要求專業(yè)設(shè)計(jì)人員深度掌握所有涉及到的軟件，設(shè)計(jì)過(guò)程中專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)以各軟件的應(yīng)用目標(biāo)為導(dǎo)向，分清主次，把握軟件的研究和學(xué)習(xí)深度。集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)BIM 設(shè)計(jì)及應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)做到：

1)重點(diǎn)掌握與集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用模型總裝及設(shè)計(jì)成果輸出平臺(tái)軟件Revit 和與之擁有良好兼容接口的三維機(jī)械建模軟件。特別地，應(yīng)熟練掌握Revit 內(nèi)部與裝卸工藝系統(tǒng)所涉及的實(shí)體模型的總裝功能、圖紙和工程量等主要設(shè)計(jì)成果的設(shè)計(jì)功能。對(duì)于拓展應(yīng)用，需充分了解相關(guān)應(yīng)用平臺(tái)對(duì)裝卸工藝系統(tǒng)模型的使用目標(biāo)，有針對(duì)性地提交合適的模型文件；

2)積極探尋各建模軟件和應(yīng)用平臺(tái)軟件間的轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)一模多用，提高模型應(yīng)用效率。