BIM 技術(shù)在港口設(shè)計中的應(yīng)用研究

唐 鑫，泉 金，陳正鵬

（1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，重慶 401121）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下簡稱“BIM 技術(shù)”）的本質(zhì)和核心是運用計算機技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)整合建筑業(yè)相關(guān)技術(shù)和流程。其目的是提高建筑業(yè)整體信息化管理水平，使建設(shè)全過程能夠參數(shù)化、可視化、集成化、精益化和智能化［1］。

BIM 技術(shù)基于工程三維數(shù)字模型，從工程項目的規(guī)劃、設(shè)計、施工，乃至運維階段，覆蓋工程項目全生命周期，整合工程項目各類信息，為各相關(guān)參與方提供集成化的信息交互環(huán)境和手段。

相比二維規(guī)劃和設(shè)計、紙質(zhì)藍圖施工、紙質(zhì)竣工資料歸檔等過程，BIM 技術(shù)的核心價值在于其利用信息化手段能夠使設(shè)計、施工、運維的信息全生命周期流動起來。BIM 模型數(shù)據(jù)從規(guī)劃設(shè)計，到施工運維，其模型信息不斷完善并始終保持一致性［2］。

2016 年 3 月，《交通運輸部關(guān)于印發(fā)〈交通運輸重大技術(shù)方向和技術(shù)政策〉的通知》（交科技發(fā)〔2015〕163 號）把 BIM 列為十大重大技術(shù)方向和技術(shù)政策之首。BIM 技術(shù)在國際工程界受到高度重視，是參與國際工程建設(shè)市場競爭必備的能力之一。

2017 年 1 月，《交通運輸部辦公廳關(guān)于印發(fā)<推進智慧交通發(fā)展行動計劃（2017－2020 年）的通知>（交辦規(guī)劃〔2017〕11 號），提出到 2020 年實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施智能化，推進建筑信息模型（BIM）技術(shù)在重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項目規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、施工、運營、檢測維護管理全生命周期應(yīng)用，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理水平大幅度提升。

2018 年 3 月，《交通運輸部辦公廳關(guān)于推進公路水運工程 BIM 技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》（交辦公路〔2017〕205 號）提出到 2020 年，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系初步建立，示范項目取得明顯成果，公路水運行業(yè) BIM 技術(shù)應(yīng)用深度、廣度明顯提升。行業(yè)主要設(shè)計單位具備運用 BIM 技術(shù)設(shè)計的能力。

2019 年 12 月，《交通運輸部關(guān)于印發(fā)〈推進綜合交通運輸大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要（2020－2025 年）〉的通知》（交科技發(fā)〔2019〕161 號），提出推動各類交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施、運載工具數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)，加快交通運輸各領(lǐng)域建筑信息模型（BIM）技術(shù)創(chuàng)新，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用產(chǎn)品。

上述政策說明了 BIM 應(yīng)用的必要性和交通行業(yè)推行 BIM 技術(shù)的決心。

基于方案階段的重要性和復(fù)雜性，以及 BIM 技術(shù)的特點和優(yōu)勢，本文從方案研究階段的需求和流程出發(fā)，實踐并總結(jié) BIM 技術(shù)應(yīng)用的流程，助力后續(xù)階段深入應(yīng)用 BIM 技術(shù)。

1 BIM 技術(shù)應(yīng)用的流程

對港口碼頭設(shè)計的項目，可按下列程序進行。一是工程環(huán)境現(xiàn)實重構(gòu)（Reality Modeling，或稱實景建模）；二是基于 BIM 技術(shù)的方案設(shè)計，其主要內(nèi)容包括港口場平設(shè)計、互通、引橋、碼頭 BIM 建模、工程量統(tǒng)計和二維出圖；三是利用渲染軟件對 BIM 模型進行方案可視化的展示與成果交互。

1.1 工程環(huán)境現(xiàn)實重構(gòu)

攝影測量學(xué)理論的發(fā)展實踐和無人機硬件以及建模軟件的逐步穩(wěn)定成熟，可將無人機傾斜航拍的照片生成三維實景模型，為地形和地物信息的采集提供了直觀高效的方法，作為 BIM 設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

傾斜攝影技術(shù)顛覆了以前正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在無人機搭載多臺相機，同時從垂直或 4 個傾斜角度采集影像，并由三維建模軟件處理，可基本實現(xiàn)全自動生成三維實景模型，使用戶可從多個角度逼真地觀察地形和地物，且具有可量測性、真實性、高精度等一系列優(yōu)勢［3］，從以往的工程案例中分析可得，其精度達到 1∶500 精度［4］。

如圖 1 所示，傾斜攝影實景三維建模過程包含航線規(guī)劃、傾斜航攝、像控點測量、影像處理、POS 解算、空三計算、紋理映射、模型優(yōu)化等多個技術(shù)環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵點是空三計算、實景三角網(wǎng)重建、紋理映射、模型優(yōu)化修飾［5］。

圖1 傾斜攝影實景建模一般流程

實景模型直接反映最新地形與建（構(gòu)）筑物情況，而方案階段的二維地形圖基本不能反映最新情況，如圖 2 所示，實景模型不僅可以獲取二維地形圖的信息，還可以三維方式查看，并進行坐標(biāo)、高程、尺度、體積測量。

圖2 二維 CAD 地形圖與實景模型

1.2 BIM 設(shè)計建模與應(yīng)用

1.2.1 碼頭整體規(guī)劃與實景結(jié)合設(shè)計

基于 Bentley 平臺，碼頭規(guī)劃設(shè)計可參考實景模型和 GIS 底圖，使設(shè)計人員可以“在現(xiàn)場”真實地設(shè)計［6］。如圖 3 所示，在碼頭方案研究中，無法獲取既有控制點精確的坐標(biāo)資料，為加速項目進度，可在高精度 GIS 地圖上選取規(guī)劃區(qū)域，實現(xiàn)碼頭的參數(shù)化建模，基于三維可視化設(shè)計，可直觀分析設(shè)計中對周邊建構(gòu)筑物的侵占情況以及驗證實施可行性，為方案決策提供重要支撐［7］。

圖3 GIS 環(huán)境下碼頭規(guī)劃設(shè)計

1.2.2 高樁碼頭參數(shù)化建模

在高樁碼頭三維建模中，可基于 OpenBuildings Designer 的功能對碼頭的結(jié)構(gòu)進行快速參數(shù)化建模，其中建立的三維模型與參數(shù)化模板可實現(xiàn)聯(lián)動更新，實現(xiàn)更改模板參數(shù)后三維模型自動更新，使得設(shè)計更加合理。如圖 4 所示，利用參數(shù)化模板實現(xiàn)模型聯(lián)動。

圖4 碼頭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計

1.2.3 碼頭互通參數(shù)化建模

如圖 5 所示，在碼頭規(guī)劃設(shè)計方案中，可基于實景模型，采用參數(shù)化設(shè)計建模方法，并基于設(shè)計指標(biāo)完成碼頭互通的路線平、豎曲線設(shè)計和橋位布置，并賦予橫斷面特征，實現(xiàn)互通方案 BIM 建模。如圖 6 所示，基于三維交互式的方法可分析方案與周邊環(huán)境平面位置和空間關(guān)系，以及對碼頭互通與既有路相接情況和實施可行性，縮短方案設(shè)計的優(yōu)化周期。

圖5 互通路線參數(shù)化設(shè)計

圖6 新建互通與原有路相接設(shè)計

1.2.4 引橋 BIM 參數(shù)化建模

Bentley OpenRoads 系列軟件具有橋梁參數(shù)化建模功能，其主要思路是分別建立墩臺、T 梁等構(gòu)筑物參數(shù)化模板，以路線為基線，實例化各參數(shù)化模板，并在此過程中，實施參數(shù)化約束，以構(gòu)建復(fù)雜的幾何形體［8］。

參數(shù)化模板和實例化后的 BIM 模型具有關(guān)聯(lián)特性，在參數(shù)修改后可自動更新模型，并且這種更新具有局部和全局控制屬性，在 BIM 設(shè)計建模過程中可靈活選擇，如圖 7 所示。

圖7 碼頭引橋參數(shù)化

1.2.5 設(shè)計成果輸出

如圖 8 所示，基于 BIM 參數(shù)化模板搭載的幾何信息和實例化后的三維模型幾何信息，可實現(xiàn)三維動態(tài)出圖以及工程量統(tǒng)計。

圖8 高樁碼頭出圖和工程量計算

基于 BIM 模型提取的成果，依然和模板保持動態(tài)關(guān)聯(lián)，即在參數(shù)發(fā)生修改后，出圖與工程量會自動更新。

1.3 方案可視化交付

三維可視化是 BIM 技術(shù)最直接的特征。如圖 9 所示，方案階段完成 BIM 建模后，直接導(dǎo)入 Bentley 渲染軟件 LumenRT，完成動畫和效果圖渲染，基于 BIM 模型還可生成交互式體驗包，并以第一視覺在 BIM 模型場景里實現(xiàn)飛行、漫游、步行，并可模擬時間和太陽角度，以及四季變化，實現(xiàn)實時渲染。

圖9 交互式體驗包與實時渲染

VR（Virtual Reality），沉浸式虛擬現(xiàn)實，如圖 10 所示，打開漫游包，戴上 VR 眼鏡，無須額外設(shè)置就可身臨其境地觀看BIM模型和周邊實景，有步行、飛行模式可選擇，還可通過手柄交互，目前 Bentley LumenRT 支持 Oculus Rift VR 和 HTC Vive VR 設(shè)備。實踐應(yīng)用表明，三維可視化能極大地加速方案優(yōu)化和交付進程。

圖10 VR 體驗

2 結(jié)論

本文基于 BIM 技術(shù)在港口設(shè)計中的應(yīng)用研究過程，得出下列結(jié)論。

1）分析國內(nèi)交通行業(yè) BIM 應(yīng)用的主要政策以及技術(shù)優(yōu)勢，提出了盡快出臺落地政策、自主研發(fā) BIM 軟件、強化施工及運維期應(yīng)用是具體實現(xiàn)水運工程全生命周期信息化應(yīng)用的方法。

2）通過 BIM 參數(shù)化設(shè)計建模方法，建立港口場平、互通、引橋、高樁碼頭 BIM 模型，并通過參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)方案的快速迭代優(yōu)化和傾斜攝影方法建立三維實景模型，實現(xiàn) BIM 技術(shù)融合實景模型的方法，分析碼頭規(guī)劃設(shè)計的合理性與周邊環(huán)境的空間關(guān)系，優(yōu)化方案布置。

3）通過 BIM 技術(shù)動態(tài)出圖與算量的方法，實現(xiàn)了二維出圖和工程量計算與 BIM 模型的動態(tài)關(guān)聯(lián)，并通過 BIM 三維可視化實時渲染技術(shù)實現(xiàn)了可視化方案交付。研究表明 BIM 技術(shù)可提高設(shè)計方案質(zhì)量，加速方案交付進程。Q