基于虛擬設(shè)計與施工技術(shù)的港口工程建設(shè)應(yīng)用研究

吳慶飛

（上海國際港務(wù)（集團）股份有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，全球建筑業(yè)生產(chǎn)力指數(shù)呈逐年下降趨勢[1]。港口工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、信息化水平低等影響了港口工程的快速發(fā)展。隨著綜合性港口的建立，港口工程復(fù)雜性增加，涉及專業(yè)多且雜，參與人員也成倍提升。建設(shè)項目生產(chǎn)效率低下、多學(xué)科多專業(yè)間合作較差，返工較多等問題亟待解決。以上問題的涌現(xiàn)，斯坦福大學(xué)綜合設(shè)施工程中心（CIFE）提出了虛擬設(shè)計與建造（Virtual design and construction，VDC）這一概念，其利用集成化的信息技術(shù)模型，對建設(shè)項目工程產(chǎn)生了積極的正向作用。

1 虛擬設(shè)計與建造

1.1 VDC的含義

VDC于2001年由斯坦福大學(xué)綜合設(shè)施工程中心（CIFE）首次提出，經(jīng)過多年實踐與修改后，將其定義為在工程建設(shè)過程中通過應(yīng)用多學(xué)科多專業(yè)集成化的信息技術(shù)模型，來準確反映和控制項目建設(shè)過程，使項目建設(shè)目標能更好地實現(xiàn)[2-3]。

1.2 POP框架

VDC技術(shù)的框架內(nèi)容可以用POP模型來概括，其POP模型包括產(chǎn)品模型（Product，P）、組織模型（Organization，O）、過程模型（Process，P）。

1）產(chǎn)品模型：組織按照一系列流程完成的項目成果，該成果既可以是最后的項目目標（如設(shè)施完善的碼頭），也可以是項目建設(shè)過程中的中間成果（如碼頭總平面設(shè)計圖）。

2）組織模型：項目建設(shè)過程中所涉及的個人或單位，如水工結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)計單位等。

3）過程模型：組織為完成項目或產(chǎn)品而產(chǎn)生的一系列流程或程序。

為了POP模型更好地實現(xiàn)，CIFE提出一套明確的方法論定義POP模型。該方法論將項目的產(chǎn)品模型、組織模型、過程模型進行相應(yīng)地拆分和細化，見圖1。其中，預(yù)期功能、形式架構(gòu)和預(yù)期行為又均可劃分為預(yù)測、觀察以及期望3個層面。

圖1 POP模型架構(gòu)圖Fig.1 POP model architecture diagram

基于VDC技術(shù)下的工程建設(shè)，利用POP模型將項目目標不斷拆分和細化，集成多學(xué)科、多專業(yè)的經(jīng)驗與成果，在項目建設(shè)過程中利用計算機軟硬件等進行預(yù)測、分析以及把控項目的實際進展情況及未來影響。同時，利用一系列指標等對項目建設(shè)過程進行衡量，對項目建設(shè)過程中產(chǎn)品模型、組織模型、過程模型涉及的成果、人員、方法等進行考核，促進項目目標更好地達成。

1.3 VDC技術(shù)的實施過程

VDC于2001年首次提出時，當(dāng)時計算機技術(shù)正在起步發(fā)展，計算機軟硬件的應(yīng)用也相對單一。隨著計算機技術(shù)的日益成熟，2D繪圖軟件、3D建模軟件、人工智能機器人、5G技術(shù)等在港口工程中已逐漸開始應(yīng)用甚至成熟。VDC技術(shù)可劃分為3個階段：虛擬可視化階段、集成化階段、自動化階段[2-3]。

1）虛擬可視化階段：利用計算機軟硬件將原來傳統(tǒng)的紙質(zhì)文件升級、轉(zhuǎn)化成數(shù)字化信息數(shù)據(jù)。例如，使用AutoCAD將傳統(tǒng)的手繪設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為電子圖紙，利用Office系列軟件將紙質(zhì)文件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)等。

2）集成化階段：利用POP模型以及其方法論等在項目建設(shè)過程中集成所涉及的專業(yè)。例如，IFC（Industry Foundation Class）標準促進了建筑行業(yè)不同階段、不同專業(yè)、不同軟件間的數(shù)據(jù)互通與共享，有效集成了在建設(shè)過程中所涉及的多參與方、多專業(yè)，促進多參與方、多專業(yè)的溝通，使得工作效率明顯提升。

3）自動化階段：利用自動化方法促進設(shè)計以及構(gòu)件生產(chǎn)自動化，提高生產(chǎn)效率。

2 虛擬設(shè)計與建造實踐應(yīng)用

自VDC這一概念提出后，VDC技術(shù)在國內(nèi)外工程中開始逐步應(yīng)用。上海天文館運用VDC技術(shù)，通過建立POP模型獲得建設(shè)項目過程中幾乎所有的數(shù)據(jù)和信息，并輔助可視化設(shè)計過程，極大地提高了設(shè)計效率[4]。洛杉磯迪士尼音樂廳在建設(shè)中應(yīng)用VDC技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)VDC有利于優(yōu)化進度安排、促進團隊交流等[2]。武漢國際展覽中心項目使用BIM+POP模型的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)進一步加強了項目施工期間的質(zhì)量管理[5]。

目前，虛擬設(shè)計與建造在港口工程中的應(yīng)用較少，但BIM、VR技術(shù)等卻在港口工程中逐漸應(yīng)用[6-8]。這些應(yīng)用只是單一技術(shù)或軟件等在港口工程的具體應(yīng)用，缺少方法或技術(shù)來集成各專業(yè)各技術(shù)服務(wù)于港口工程的全生命周期建設(shè)。另一方面，碼頭等構(gòu)筑物服役于海洋環(huán)境下，其施工受環(huán)境影響較大，施工難度大，設(shè)計人員對于港口工程的施工不能完全控制和掌握。國內(nèi)現(xiàn)行的傳統(tǒng)的DB和DBB招投標模式下，施工單位無法提前參與設(shè)計，因此對于設(shè)計圖紙中存在的施工風(fēng)險與問題無法盡可能規(guī)避，這往往會導(dǎo)致設(shè)計單位不斷進行返工，且這種返工絕大多數(shù)涉及多專業(yè)，造成嚴重的資源浪費。

在國內(nèi)傳統(tǒng)招投標模式下，對于此類問題，建設(shè)過程中開始引入咨詢單位，例如巖土全過程咨詢、BIM全過程咨詢等，其在方案、設(shè)計等階段給出專業(yè)性建議。目前，如何整合不同單位、不同專業(yè)的參與方，如何更好利用咨詢服務(wù)已成為亟待解決的問題。在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，VDC技術(shù)不僅增強團隊的合作與溝通，對于項目完成質(zhì)量、速率、效率均有所提升。

3 VDC技術(shù)在上海崇明島公共貨運碼頭工程中的應(yīng)用

3.1 上海崇明島貨運碼頭工程概況

上海長江隧橋禁止液化石油氣、油漆、乙炔等貨物運輸，水路運輸是目前崇明島該類貨物輸入的唯一方式。崇明島保障民生及城市運行所需貨物需求品種多，現(xiàn)狀能夠運輸該類貨物的碼頭規(guī)模小、布局散，且缺少綜合性專用碼頭，安全隱患突出，難以保障崇明島的生產(chǎn)生活需求。

短期來看，上海崇明客運輪船有限公司所屬船舶加油和管道氣，不能抵達的偏遠地區(qū)的居民生活用液化石油氣的滾裝運輸問題亟待解決；遠期來看，崇明島內(nèi)河相關(guān)貨物碼頭的整合和LNG船舶加注等問題也慢慢浮現(xiàn)。因此，崇明公關(guān)碼頭的建設(shè)是世界級生態(tài)島建設(shè)的重要支撐，是崇明島生產(chǎn)生活需求的重要保障，是保障民生及城市運行所需貨物運輸安全的重要手段，是解決崇明島現(xiàn)狀貨物運輸安全隱患的迫切需求。

上海崇明島公共貨運碼頭長594 m，寬15 m或20 m，碼頭與引橋之間設(shè)置連接平臺，連接平臺寬24 m。陸域總用地面積22 678 m2，陸域建設(shè)埋地柴油儲罐1 380 m3，LNG儲罐300 m3，預(yù)留1 000 m3。總建筑面積2 149.82 m2，容積率為0.095，綠地率為35%。碼頭工程涉及總圖、水工、土建、綠化、消防、給排水、概預(yù)算、船舶、安全等諸多專業(yè)。

3.2 POP模型

上海崇明島公共貨運碼頭工程龐大，涉及專業(yè)多且雜。對于水工工程師而言，暖通工程、船舶工程等專業(yè)技術(shù)難點、安全隱患預(yù)判、問題解決能力等欠缺，往往不能做出及時準確地判斷、設(shè)計，導(dǎo)致多專業(yè)多次的返修與復(fù)工。本項目采用POP模型，整合各專業(yè)工程師，前置問題，將問題細化，做出了有效的判斷，減少了不必要的返工。表1為項目建設(shè)過程中總平面圖環(huán)節(jié)POP模型表。

表1 POP模型表Table 1 POP model table

3.3 可視化3D模型

傳統(tǒng)的設(shè)計圖紙是二維的，不能清晰、立體地呈現(xiàn)出建筑物或構(gòu)筑物的形態(tài)，往往需要結(jié)合平面圖、剖面圖、立面圖等多張設(shè)計圖紙以及較長時間的轉(zhuǎn)換才能在腦中形成一定的立體形態(tài)，其準確度也有待考證。利用Revit等3D建模軟件，可以將二維平面圖紙有效轉(zhuǎn)換為3D模型，可以直觀觀察構(gòu)筑物、建筑物的形態(tài)以及位置等。圖2為上海崇明島貨運碼頭的可視化3D模型，通過旋轉(zhuǎn)視角、放大界面可以清晰仔細看到水工構(gòu)筑物以及陸域建筑的細節(jié)。

圖2 上海崇明島公共貨運碼頭3D模型Fig.2 3D model of Shanghai Chongming Island public cargo terminal

3.4 通航條件預(yù)測

通航水流條件包含了碼頭前沿水域潮位、流場、流速等[9-11]，是論證碼頭建設(shè)是否可行的重要因素。為明確本工程碼頭建設(shè)引起的通航水流條件和河床沖淤變化，基于經(jīng)濟化效益驗證碼頭選址以及建設(shè)方案的可行性，擬選最佳港址位置。通過建立長江口潮流動力模型，對碼頭工程附近海域潮流動力特征及碼頭建設(shè)對周邊洪潮動力的影響進行了計算分析，見圖3、圖4。

圖4 計算結(jié)果Fig.4 Calculation results

數(shù)模分析結(jié)果表明，該港址選址位置河段河床穩(wěn)定，河床沖淤變幅較小。工程建成后對于航道條件的影響程度局限在上下游一定區(qū)域，因此工程建設(shè)對于航道條件的影響處于可接受的范圍內(nèi)。由此可見，利用長江口潮流動力模型可以有效預(yù)測和分析現(xiàn)行港址位置、建設(shè)方案以及運營期間通航問題，幫助設(shè)計單位進行科學(xué)決策，規(guī)避碼頭建設(shè)后通航問題，不僅科學(xué)有效且節(jié)省設(shè)計時間，而且可以節(jié)約疏浚河道以及建設(shè)資金。

3.5 綜合管理平臺

上海崇明島公共貨運碼頭的建設(shè)需保障崇明島水上客運以及危險品進島運輸?shù)陌踩行?，消除客運船舶燃油加裝和危險品運輸存在的安全隱患，徹底解決崇明島危險品運輸?shù)膯栴}。因此在港口工程設(shè)計過程中，需要注意消防、強弱電、交通等各專業(yè)井然有序的作業(yè)。結(jié)合以上，上海崇明島貨運碼頭開發(fā)一套綜合管理平臺，包括弱電安防、火災(zāi)消防、吊機防碰撞系統(tǒng)、應(yīng)急輔助決策以及碼頭結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)模塊，見圖5。

圖5 上海崇明島公共貨運碼頭綜合管理平臺Fig.5 Integrated management platform of Shanghai Chongming Island public cargo terminal

以水文氣象為例，通過不同水文氣象數(shù)據(jù)，可以有效模擬不同船型在不同水文氣象下停泊情況，找出碼頭結(jié)構(gòu)最危險截面，加強結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免在運營期間重復(fù)修復(fù)碼頭構(gòu)件而造成資金、時間的浪費以及對碼頭正常運行造成影響。

4 結(jié)語

虛擬設(shè)計與建造（VDC）技術(shù)結(jié)合POP模型、可視化工具以及不同功能的軟硬件可以促進港口工程的信息化發(fā)展，對大型綜合性港口的建設(shè)有著不可或缺的作用。

1）結(jié)合可視化方法、不同功能軟硬件的VDC技術(shù)，可以對港口工程的建設(shè)進行有效地預(yù)測和控制，幫助參與方進行科學(xué)地決策，促進參與方間的溝通和協(xié)作效率，避免造成返工和變更。

2）VDC技術(shù)通過三維可視化和專業(yè)分析，可以有效進行施工現(xiàn)場的模擬，有助于化學(xué)品、液化天然氣等碼頭的安全施工。

3）目前，VDC技術(shù)仍在較少的港口工程中使用，對于業(yè)主、設(shè)計單位等參與方學(xué)習(xí)、使用VDC技術(shù)存在一定的時間成本，且目前國內(nèi)缺乏對于VDC技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)標準。