BIM 技術(shù)在某大型碼頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張宏銓，李家華，陳家悅，朱 峰

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，510000）

引言

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型作為一種創(chuàng)新的技術(shù)與生產(chǎn)方式，是信息化技術(shù)在工程行業(yè)中的直接應(yīng)用。自被提出以來已經(jīng)在歐美等發(fā)達(dá)國家大規(guī)模的推廣及應(yīng)用，引發(fā)了工程行業(yè)的巨大變革。何清華等[1]提出BIM 作為一種全新的理念和技術(shù)，各種類型的工程項(xiàng)目都可以找到自己亟待解決問題的方法。BIM 技術(shù)在水運(yùn)行業(yè)的發(fā)展起步較晚，最早也是從建筑行業(yè)中引入，包括所使用的軟件，最初也都是針對(duì)建筑行業(yè)的使用習(xí)慣及編碼規(guī)則而開發(fā)的。胡令[2]指出2010 年以來，BIM 技術(shù)在水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用與日俱增。作為未來發(fā)展的大趨勢(shì)，柴國威[3]提出BIM 技術(shù)在水運(yùn)行業(yè)受到了更廣泛的關(guān)注。

經(jīng)過近年的快速發(fā)展和技術(shù)積累，港口項(xiàng)目BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用日漸成熟，并逐步呈現(xiàn)出水運(yùn)特色，許多企業(yè)結(jié)合項(xiàng)目的數(shù)字化應(yīng)用開展了BIM 技術(shù)的研究工作[4-5]。王珺[6]指出港口工程涉及專業(yè)多，構(gòu)筑物之間的關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)技術(shù)模式下，存在信息表述復(fù)雜、協(xié)同設(shè)計(jì)困難、數(shù)據(jù)傳輸能力差等問題。BIM 技術(shù)應(yīng)用于港口工程項(xiàng)目當(dāng)中有著許多優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)階段通過BIM 技術(shù)開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作，鄒艷春等[8]通過使用BIM技術(shù)提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，并使枯燥的設(shè)計(jì)過程變成了真實(shí)、生動(dòng)的視覺體驗(yàn)，在三維模型場(chǎng)景基礎(chǔ)上對(duì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化及碰撞檢測(cè)，有效規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。武婕等[7]提出BIM 技術(shù)的全面應(yīng)用必將對(duì)水運(yùn)行業(yè)的進(jìn)步產(chǎn)生無可估量的影響。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于廣州港南沙港區(qū)規(guī)劃的中部挖入式港池，項(xiàng)目建設(shè)16 個(gè)集裝箱泊位，4 個(gè)工作船泊位，主體碼頭結(jié)構(gòu)采用鋼管板樁組合結(jié)構(gòu)。結(jié)合BIM 技術(shù)的應(yīng)用，旨在提高碼頭建設(shè)過程的信息化、數(shù)字化水平，努力打造集物聯(lián)網(wǎng)感知，人工智能和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)為一體的新一代全自動(dòng)化集裝箱碼頭。

2 BIM 應(yīng)用目標(biāo)

2.1 總體目標(biāo)

針對(duì)本項(xiàng)目業(yè)主方對(duì)設(shè)計(jì)及施工階段BIM 協(xié)同提出的要求，對(duì)BIM 設(shè)計(jì)軟件中的部分功能進(jìn)行二次開發(fā)，建立一套設(shè)計(jì)與施工協(xié)同的BIM+解決方案，將項(xiàng)目實(shí)施過程中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)工程建設(shè)項(xiàng)目管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、集約化和智能化發(fā)展。

2.2 實(shí)施內(nèi)容

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施目標(biāo)、需求和特點(diǎn)，充分利用業(yè)界最新的BIM 技術(shù)及成果[9-12]，結(jié)合BIM 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)項(xiàng)目BIM 應(yīng)用的實(shí)施內(nèi)容進(jìn)行整體規(guī)劃，在項(xiàng)目開展前期明確BIM 技術(shù)應(yīng)用路線及參與方角色與權(quán)限。通過編制建立BIM 應(yīng)用流程、規(guī)范實(shí)施中的資源、行為和交付等內(nèi)容，強(qiáng)化系統(tǒng)性和規(guī)范性[13-16]，保障BIM 工作順利開展、實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。在項(xiàng)目開展過程中，為響應(yīng)施工階段BIM 應(yīng)用的需求，結(jié)合軟件API 進(jìn)行定制化開發(fā)，提高項(xiàng)目全生命周期的信息完整性和聯(lián)通性。主要實(shí)施規(guī)劃如圖1 所示。

圖1 BIM 實(shí)施規(guī)劃

3 BIM 技術(shù)應(yīng)用

3.1 協(xié)同設(shè)計(jì)

項(xiàng)目BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，通過搭建云端協(xié)同平臺(tái)，組建專業(yè)齊全、人員經(jīng)驗(yàn)豐富的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，基于協(xié)同平臺(tái)與公司BIM 標(biāo)準(zhǔn)，開展協(xié)同設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2 所示。設(shè)計(jì)人員通過唯一的賬號(hào)密碼及結(jié)合自身相應(yīng)的角色和權(quán)限，將需要編輯的某個(gè)文件進(jìn)行檢出/獲取，協(xié)同平臺(tái)將會(huì)生成一 個(gè)副本文件在用戶的本地文件里，用戶可以進(jìn)行相應(yīng)地操作，完成后所做的修改通過文件檢入保存到服務(wù)器上，生成一個(gè)新的文件版本。協(xié)同平臺(tái)支持項(xiàng)目過程中文檔管理，結(jié)合賬戶與權(quán)限手段保證數(shù)據(jù)安全性與可追溯性。

圖2 云端協(xié)同設(shè)計(jì)

3.2 方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

BIM 是三維可視化的所有工程信息載體，因此是溝通的最好介質(zhì)。設(shè)計(jì)過程中，在可視化的三維場(chǎng)景中，各設(shè)計(jì)專業(yè)負(fù)責(zé)展開方案論證，直觀查看三維方案，對(duì)方案中出現(xiàn)的不合理設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，項(xiàng)目細(xì)節(jié)優(yōu)化效果前后對(duì)比如圖3 所示。利用BIM模型參數(shù)化特點(diǎn)，多方案比對(duì)，快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減少了施工過程中可能存在的延誤和危險(xiǎn)。本項(xiàng)目為大型室外場(chǎng)地工程，建筑單體達(dá)三十余項(xiàng)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，通過BIM 可視化手段對(duì)各主要單體的建筑外立面和樣式進(jìn)行了多次會(huì)議討論，在三維場(chǎng)景中討論方案的細(xì)節(jié)，起到了良好的溝通作用，最終在提交報(bào)建方案時(shí)也是以三維模型為主，對(duì)項(xiàng)目的審批起到了促進(jìn)作用。

圖3 方案優(yōu)化前后效果對(duì)比

3.3 碰撞檢測(cè)

BIM 技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)轫?xiàng)目設(shè)計(jì)帶來顯著的設(shè)計(jì)質(zhì)量提高，特別是碰撞分析能在設(shè)計(jì)過程中消除許多不協(xié)調(diào)問題，大幅減少施工過程中的設(shè)計(jì)變更。本項(xiàng)目是大型綜合類碼頭項(xiàng)目，各專業(yè)間的交叉嚴(yán)重，尤其是堆場(chǎng)區(qū)室外管線部分，經(jīng)初步碰撞檢測(cè)分析后共發(fā)現(xiàn)218 處影響較大的碰撞點(diǎn)，如圖4 碰撞檢測(cè)記錄所示。通過在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行各專業(yè)間的碰撞檢測(cè)，有效地解決錯(cuò)漏碰撞問題，防止施工階段的設(shè)計(jì)反復(fù)，提高設(shè)計(jì)和施工效率。

圖4 碰撞檢測(cè)記錄界面

3.4 BIM 拓展應(yīng)用

在項(xiàng)目BIM 開展過程中，業(yè)主要求BIM 應(yīng)用在設(shè)計(jì)及施工階段應(yīng)具有統(tǒng)一性及連續(xù)性。為滿足項(xiàng)目各階段和各專業(yè)信息模型的數(shù)據(jù)流通以及各BIM 軟件之間的信息模型格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工程全生命周期數(shù)據(jù)共享與傳遞，使BIM 技術(shù)創(chuàng)造最大的價(jià)值，在BIM 設(shè)計(jì)階段通過二次開發(fā)等手段對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了深入的BIM 拓展應(yīng)用，確保項(xiàng)目達(dá)到建設(shè)單位BIM 應(yīng)用要求和目標(biāo)。

1）批量建立樁基模型

本項(xiàng)目全泊位樁基結(jié)構(gòu)，樁基數(shù)量多達(dá)上萬根，建模壓力大，BIM 模型更新難度高，包含多種樁基類型，鋼管樁，鋼板樁，PHC 樁，還有地基處理的水泥攪拌樁，地質(zhì)不均導(dǎo)致樁底設(shè)計(jì)高程不統(tǒng)一，無法快速陣列復(fù)制，BIM 模型創(chuàng)建難度大。為節(jié)省重復(fù)性建模時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能批量建模，方便后期調(diào)整，利用BIM 設(shè)計(jì)軟件中自帶的可視化編程工具進(jìn)行編程，調(diào)用子模塊執(zhí)行程序編譯，讀取碼頭中樁基的設(shè)計(jì)參數(shù)，如樁長(zhǎng)、樁徑等，一鍵生成不同類型的樁基模型，如圖5 所示。通過該方法，可在BIM 軟件中自動(dòng)創(chuàng)建多類型樁基模型，提升效率與精確性。

圖5 自動(dòng)讀取樁基設(shè)計(jì)參數(shù)界面

2）樁長(zhǎng)實(shí)時(shí)同步

在BIM 應(yīng)用過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建的三維模型是基于固定設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建的，但在實(shí)際施工中，常因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)復(fù)雜性等原因，樁基入土深度會(huì)與設(shè)計(jì)情況有所調(diào)整，導(dǎo)致樁基長(zhǎng)度變化，設(shè)計(jì)模型與施工階段模型不一致。通過軟件自帶的可視化編程工具進(jìn)行編程，可對(duì)外部表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和同步，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樁基實(shí)際入土深度數(shù)據(jù)反向驅(qū)動(dòng)樁長(zhǎng)模型的變化，碼頭模型自動(dòng)更新。開發(fā)完成后只需將樁基現(xiàn)場(chǎng)沉樁信息按規(guī)定要求做成表格，導(dǎo)入到設(shè)計(jì)模型中，與預(yù)留好的信息字段一一匹配。對(duì)于樁長(zhǎng)發(fā)生變化的構(gòu)件，模型會(huì)自動(dòng)識(shí)別并調(diào)整構(gòu)件樁長(zhǎng)，如圖6 所示，避免了施工階段重復(fù)建模和信息斷層，有利于提升施工數(shù)字化管理水平，推動(dòng)設(shè)計(jì)BIM 向施工BIM 的延續(xù)。

圖6 樁長(zhǎng)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)界面

3）構(gòu)件屬性附加

根據(jù)施工單位對(duì)設(shè)計(jì)階段BIM 模型的要求，部分模型構(gòu)件需預(yù)留施工階段構(gòu)件的信息字段，如水工專業(yè)對(duì)模型構(gòu)件（主要是鋼管樁、PHC 樁、板樁）擴(kuò)展補(bǔ)充屬性信息，需擴(kuò)展屬性信息字段（可編輯）如圖7。同時(shí)根據(jù)施工單位BIM 應(yīng)用要求，每根樁均需根據(jù)泊位、樁型及里程進(jìn)行編號(hào)，樁型簡(jiǎn)寫板樁BC、PHC 樁PHC，序列號(hào)根據(jù)里程從小到大遞增編號(hào)以此類推。如海輪1#泊位鋼管樁按里程從小到大的第一根樁編號(hào)為HL1#GZ0001。結(jié)合BIM 軟件自帶的可視化編程工具進(jìn)行編程，批量的對(duì)選擇的構(gòu)件進(jìn)行屬性的添加，在增加的過程中還可以根據(jù)需要對(duì)構(gòu)件按規(guī)則進(jìn)行編號(hào)。本項(xiàng)目樁基數(shù)量較多，通過該工具的使用，可滿足施工階段的屬性及編號(hào)需求，加強(qiáng)了BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)階段及施工階段的關(guān)聯(lián)性，提高效率，減少工作量。

圖7 模型屬性附加界面

4）構(gòu)件編號(hào)編碼

根據(jù)本項(xiàng)目合同要求，項(xiàng)目在建設(shè)實(shí)施過程中，水運(yùn)工程部分模型(包括室外管線、綜合管溝、地基處理等室外模型)需參照水運(yùn)編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼。通過研究英美等國建筑信息分類編碼工具，基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水運(yùn)工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTS/T 198-1-2019）對(duì)BIM 設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，水運(yùn)工程的編碼標(biāo)準(zhǔn)與BIM 軟件自帶的編碼體系具有明顯的不同，因此需要針對(duì)BIM 軟件提供的API（Application Programming Interface）在C#環(huán)境下進(jìn)行二次開發(fā)，制作模型編碼插件工具，將水運(yùn)編碼標(biāo)準(zhǔn)中“水運(yùn)工程構(gòu)件與設(shè)備”分類表的編碼添加到BIM 模型中。該插件的運(yùn)行機(jī)理如下：在BIM軟件中選擇要添加編碼的模型對(duì)象，運(yùn)行插件，首先后臺(tái)獲取族對(duì)象，然后計(jì)算出該族對(duì)象的族類別，插件通過族類別在編碼數(shù)據(jù)庫中查找出該族類別下的所有族類型對(duì)應(yīng)的編碼，此時(shí)選擇相應(yīng)的對(duì)象編碼，將編碼賦值到模型對(duì)象的屬性參數(shù)中，編碼效果如圖8 所示。利用此工具對(duì)本項(xiàng)目室外工程所有模型構(gòu)件進(jìn)行了編碼。

圖8 構(gòu)件編號(hào)編碼界面

4 結(jié)語

本文內(nèi)容以某大型碼頭項(xiàng)目BIM 設(shè)計(jì)應(yīng)用為案例，搭建了云端協(xié)同平臺(tái)開展各專業(yè)的BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)，基于項(xiàng)目三維可視化的場(chǎng)景，利用BIM 技術(shù)對(duì)項(xiàng)目方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，快速調(diào)整方案構(gòu)造，并研究其可行性，極大提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。在BIM 設(shè)計(jì)過程中，基于現(xiàn)有BIM 軟件功能的不足，對(duì)BIM 軟件進(jìn)行了部分二次開發(fā)，采用軟件自帶的可視化編程工具，開發(fā)了批量建樁、樁長(zhǎng)實(shí)時(shí)同步、屬性快速附加、構(gòu)件編碼等實(shí)用模塊，對(duì)現(xiàn)有BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用，尤其是水運(yùn)行業(yè)的BIM 技術(shù)應(yīng)用給予了極大的補(bǔ)充和完善，有效地提高了設(shè)計(jì)效率，減少了重復(fù)工作量，提高了BIM 模型在項(xiàng)目全生命周期當(dāng)中的使用率，將工程實(shí)施過程中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，打通了項(xiàng)目各階段和各專業(yè)信息模型的數(shù)據(jù)交換與共享。

BIM 技術(shù)的應(yīng)用不僅是創(chuàng)建模型進(jìn)行展示，更多的是通過模型來解決問題，未來的發(fā)展需要把BIM 的制度進(jìn)行更好的完善，包括人才的培養(yǎng)、自主軟件的開發(fā)、BIM 應(yīng)用的獎(jiǎng)懲等，結(jié)合不同項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行定制性的二次開發(fā)，從各個(gè)層面、各個(gè)參與方對(duì)BIM 進(jìn)行支持和推動(dòng)，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)工程建設(shè)項(xiàng)目管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、集約化和智能化發(fā)展。