BIM技術(shù)在智慧港口建設(shè)中的應(yīng)用

王有強(qiáng) 梁冰寒

摘要：本模型為BIM技術(shù)在智慧港口建設(shè)的創(chuàng)新應(yīng)用，BIM技術(shù)涉及工程項(xiàng)目全生命周期。在設(shè)計(jì)階段，通過三維設(shè)計(jì)展示、構(gòu)件編碼、正向出圖等可以優(yōu)化降低規(guī)劃設(shè)計(jì)成本提高設(shè)計(jì)效率;基于BIM的4D施工進(jìn)度模擬為現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度管理、項(xiàng)目建設(shè)工期的縮短等帶來了幫助;通過施工模擬以及對(duì)綜合管線進(jìn)行碰撞檢查提高施工質(zhì)量，降低施工成本;在運(yùn)維階段，BIM+IOT設(shè)備的連接使BIM模型數(shù)據(jù)交互性更高，實(shí)現(xiàn)港口建設(shè)和運(yùn)行的自動(dòng)化、智能化和現(xiàn)代化。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)智慧港口4D施工進(jìn)度模擬管線碰撞BIM+IOT

Application of BIM Technology in Smart Port Construction

WANG Youqiang*? LIANG Binghan

（Shanghai Branch of Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Shanghai， 200439 China）

Abstract： This model is an innovative application of BIM technology in smart port construction. BIM technology involves the entire life cycle of engineering projects. In the design stage， 3D design display， component coding， and forward drawing can be optimized to reduce planning and design costs and improve design efficiency; BIM-based 4D construction progress simulation has brought help to on-site construction progress management and shortening of project construction period; improve construction quality and reduce construction costs through construction simulation and collision inspection of integrated pipelines; the connection of BIM+IOT equipment in the operation and maintenance phase makes BIM model data more interactive， and realizes automation， intelligence and modernization of port construction and operation.

Key Words： BIM technology; Smart port; 4D construction progress simulation; Pipeline collision; BIM+IOT

水利工程通常是國(guó)家主導(dǎo)建設(shè)的大型項(xiàng)目，具有投資大、施工條件復(fù)雜、設(shè)計(jì)施工周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模型應(yīng)用到水利工程中顯得捉襟見肘，而BIM技術(shù)具備有效實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)和各領(lǐng)域的信息收集與整理的優(yōu)勢(shì)，并保證設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)單位在信息共享平臺(tái)上能夠及時(shí)地溝通與決策，提高整體規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工效率，大大節(jié)省時(shí)間成本，從而為各方帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

BIM技術(shù)在我國(guó)經(jīng)過多年的應(yīng)用與研究，已形成了相對(duì)成熟的理論體系以及應(yīng)用成果。李?yuàn)^華[2]研究了基于BIM+GIS技術(shù)的水閘管理運(yùn)行系統(tǒng)，詳細(xì)地闡述了BIM+GIS如何在水閘管理中應(yīng)用，為全面實(shí)現(xiàn)智慧水利打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);董浩[3]針對(duì)BIM技術(shù)在建筑智能化系統(tǒng)運(yùn)維中的作用進(jìn)行了研究與分析，論述了BIM技術(shù)應(yīng)用在建筑智能化中的優(yōu)勢(shì);王瑩[4]通過BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究，分析了BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用場(chǎng)景，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升了工作效率;羅凱[5]以Revit軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)，探索BIM技術(shù)在中小型水利工程中的應(yīng)用，研究了Revit中水閘樣板的設(shè)計(jì)方法，大大提高了水閘三維設(shè)計(jì)效率。

BIM技術(shù)在國(guó)外起步較早，已形成了相對(duì)成熟的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外BIM應(yīng)用者主要根據(jù)項(xiàng)目的需要，對(duì)BIM進(jìn)行二次開發(fā)以滿足使用要求。Fu等[6]通過對(duì)IFC查看器進(jìn)行二次開發(fā)使建筑信息標(biāo)準(zhǔn)化和格式化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化。Behzadan[7]等提出在裝配式建筑中將BIM與AR相結(jié)合以便于同時(shí)管控工程的質(zhì)量與進(jìn)度，提高管理效率。呂明昊[8]利用BIM技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，在對(duì)水利工程參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上與流域地形和樞紐區(qū)域地形相結(jié)合，表現(xiàn)出水利工程在信息化時(shí)代的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

目前，BIM技術(shù)在建筑行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用已比較成熟，而在水利行業(yè)尤其是在港口建設(shè)方面應(yīng)用案例較少，本文基于BIM技術(shù)在港口建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段全生命周期的應(yīng)用，為其在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用提供良好的理論支持。

1 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

BIM技術(shù)應(yīng)用于港口碼頭項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括碼頭、引橋、管線、建筑三維建模，施工場(chǎng)地、碼頭堆場(chǎng)的整體布置建模，工程量統(tǒng)計(jì)和二維施工圖等。首先確定三維設(shè)計(jì)工作流程，然后通過每周例會(huì)確定技術(shù)要求，根據(jù)編碼體系初步設(shè)計(jì)建立水工結(jié)構(gòu)、管線工程和上部建筑結(jié)構(gòu)三維建模，按照初步設(shè)計(jì)出圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三維初版圖紙后，發(fā)送各專業(yè)審核反饋;根據(jù)反饋意見對(duì)模型不斷地調(diào)整優(yōu)化后進(jìn)行施工圖三維設(shè)計(jì);最后根據(jù)施工圖出圖標(biāo)準(zhǔn)出二維施工圖紙。如圖1所示。

1.1 三維設(shè)計(jì)方案展示

BIM技術(shù)可視化的優(yōu)點(diǎn)可以直觀展示設(shè)計(jì)方案，及時(shí)找出設(shè)計(jì)中顯而易見的錯(cuò)誤，并對(duì)其進(jìn)行修改優(yōu)化。通過BIM技術(shù)可以對(duì)碼頭、引橋、建筑設(shè)計(jì)方案，以及施工場(chǎng)地與堆場(chǎng)的布置方式都有一個(gè)更明確的布置與規(guī)劃。

1.2 參數(shù)化族庫模型

建立參數(shù)化模板，根據(jù)參數(shù)模板建立參數(shù)化BIM模型，從族庫中直接調(diào)取所用的族構(gòu)件，直接在項(xiàng)目里面裝配搭建，這樣可以節(jié)約大量的人力，讓設(shè)計(jì)師從龐雜繁多的建模任務(wù)中解放出來。另外，根據(jù)行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，制定一套規(guī)則加進(jìn)族庫里面。這樣可以減少在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的不必要的錯(cuò)誤，以提高設(shè)計(jì)的規(guī)范程度。

1.3 構(gòu)件編碼

根據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)將BIM模型構(gòu)件進(jìn)行逐個(gè)編碼著色，在進(jìn)行編碼時(shí)，嚴(yán)格按照編碼要求，對(duì)每一個(gè)構(gòu)件賦予唯一編碼，并生成對(duì)應(yīng)表格，每一個(gè)構(gòu)件都有獨(dú)立的身份編碼，將模型上傳至運(yùn)維系統(tǒng)，通過編碼系統(tǒng)可以識(shí)別出構(gòu)件的信息，包括位置、工程量以及造價(jià)等。在施工運(yùn)維期間可以起到很好的信息交互作用，如圖2所示。

1.4 三維正向出圖

BIM正向設(shè)計(jì)出圖涵蓋建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)。圖紙除了最常見的平立剖外，還有各類軸測(cè)圖、透視圖、爆炸視圖、零件視圖等。BIM正向設(shè)計(jì)提前構(gòu)建了水工、建筑等構(gòu)件，基本可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)完成后就出清單量表，并且準(zhǔn)確率高。BIM的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)更符合設(shè)計(jì)師和工程師的工作習(xí)慣和邏輯思維。在一定程度上發(fā)展成熟的BIM正向設(shè)計(jì)比CAD設(shè)計(jì)成本更低，通過BIM模型直接創(chuàng)建二維設(shè)計(jì)圖紙，圖紙與模型相互關(guān)聯(lián)，解決了傳統(tǒng)二維反復(fù)修改圖紙的問題。

1.5三維管線

運(yùn)用BIM技術(shù)，能夠方便快捷地完成管路系統(tǒng)的相關(guān)建模，節(jié)省了大量的重復(fù)勞動(dòng);通過賦予系統(tǒng)類型屬性和新建并添加過濾器的方法，可以看到消火栓系統(tǒng)在場(chǎng)景中呈現(xiàn)出獨(dú)特的顏色，與其他模型直觀清楚地區(qū)分開來。

管線的布置錯(cuò)綜復(fù)雜，眾多管線交纏在一起難免會(huì)有安裝沖突的問題。運(yùn)用BIM的碰撞檢查技術(shù)，對(duì)各模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，生成碰撞檢測(cè)報(bào)告，進(jìn)行管線綜合排布，從而達(dá)到檢查錯(cuò)誤和方便施工的目的，如圖3所示。

2 BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

2.1 施工組織方案模擬

結(jié)合BIM模型及施工組織方案，通過三維可視化技術(shù)對(duì)施工組織方案進(jìn)行模擬展示，提高溝通效率，提前發(fā)現(xiàn)施工組織方案中不合理的地方，并加以解決。施工場(chǎng)地布置如圖4所示。

2.2 可視化技術(shù)交底

利用BIM技術(shù)對(duì)構(gòu)件尺寸、節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)能夠減少材料浪費(fèi)以及節(jié)省時(shí)間，同時(shí)可以為施工單位合理安排資源和勞動(dòng)力提供有力的支持，并降低施工風(fēng)險(xiǎn)，控制成本。樁帽施工模擬如圖5所示。

2.3 施工區(qū)域智能監(jiān)控

在場(chǎng)地平面布置階段利用BIM技術(shù)確定實(shí)時(shí)監(jiān)控點(diǎn)位及監(jiān)控角度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控畫面與智能系統(tǒng)相連接，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的用電量、用水量進(jìn)行監(jiān)控，后期對(duì)港口堆場(chǎng)集裝箱的分類與運(yùn)輸起到至關(guān)重要的作用，如圖6所示。

2.4 BIM4D施工進(jìn)度

BIM技術(shù)可以在三維立體視圖的基礎(chǔ)上添加時(shí)間維度，在BIM4D模型的管理中，可以對(duì)整個(gè)水利工程的周期起到監(jiān)督作用，施工人員也可以通過這個(gè)多維度的模型把握施工進(jìn)度，如圖7所示。

3 BIM技術(shù)在運(yùn)維階段的應(yīng)用

港口的運(yùn)行維護(hù)階段會(huì)產(chǎn)生大量的工程數(shù)據(jù)，另外前期規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工階段也留下了很多有效數(shù)據(jù)，這些為建立數(shù)據(jù)庫提供了豐富的數(shù)據(jù)資源，而最大的問題是缺少高效的處理平臺(tái)，故設(shè)立大數(shù)據(jù)中心不失為一個(gè)良好選擇。此外，港口的物流量很大，電路、管道等相關(guān)設(shè)備數(shù)量龐大，安全隱患以及緊急情況的監(jiān)控與排查更應(yīng)引起重視。傳統(tǒng)的依靠人力管理已經(jīng)沒有辦法滿足當(dāng)前的發(fā)展，因此本項(xiàng)目碼頭的運(yùn)行管理也要求采用更為先進(jìn)的管理方式，快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)安全隱患，減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

大數(shù)據(jù)中心以5G技術(shù)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互為基礎(chǔ)，結(jié)合視頻智能分析、GPS定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、3D等技術(shù)手段的應(yīng)用，從大數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中提取信息，以三維化的方式實(shí)時(shí)展示各部分的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)信息。

3.1 智慧分區(qū)

將堆場(chǎng)集裝箱堆場(chǎng)情況三維呈現(xiàn)，按照不同顏色區(qū)分堆存情況，以便工作人員及時(shí)掌握堆場(chǎng)情況及對(duì)堆場(chǎng)其進(jìn)行一個(gè)合理的調(diào)度和分配。

3.2 港口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

基于BIM模型與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的港口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖8所示。利用RFID技術(shù)，BIM+物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，通過碼頭面板下加裝重力傳感器，實(shí)時(shí)感知貨物的運(yùn)輸情況。通過二維碼識(shí)別技術(shù)進(jìn)行貨物的識(shí)別分類。另外，可在防波堤附近布置監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)控洋流的流速、溫度、鹽度、含砂率等參數(shù)，在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析，以便更好地掌握洋流的動(dòng)態(tài)情況。

3.3 港口構(gòu)件信息維護(hù)

通過運(yùn)維平臺(tái)可以隨時(shí)檢查構(gòu)件信息，便于港口構(gòu)件的維護(hù)與維修，如圖9所示。同時(shí)將模型和IoT設(shè)備相連，除了可以控制燈光外，還可以控制倉庫濕度、溫度等，達(dá)到智能化、科技化的目的。

3.4 設(shè)備安全監(jiān)測(cè)

將模型和監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的壓力情況，一旦出現(xiàn)問題，檢修人員立刻收到信息，問題立即解決，無需排查。如圖10所示，管件顯示紅色表示需要修復(fù)的，白色表示正常。

4結(jié)語

本文基于BIM技術(shù)在港口建設(shè)全生命周期應(yīng)用研究過程，得出下列結(jié)論。

（1）BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，通過三維設(shè)計(jì)方案展示、參數(shù)化建模、構(gòu)件編碼、正向出圖等，不僅可以提高設(shè)計(jì)效率，減少重復(fù)勞動(dòng)，而且還可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

（2）BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用，基于BIM的4D施工進(jìn)度模擬為施工進(jìn)度計(jì)劃的優(yōu)化與編制、現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度管理、項(xiàng)目建設(shè)工期的縮短等帶來了幫助;通過施工模擬、設(shè)計(jì)檢測(cè)以及對(duì)綜合管線進(jìn)行碰撞檢查，提高施工質(zhì)量，降低施工成本。

（3）BIM技術(shù)在運(yùn)維階段的應(yīng)用，通過數(shù)字孿生在虛擬環(huán)境中解決一部分問題，并讓虛擬信息與實(shí)體信息進(jìn)行完整交互，為智慧港口的建設(shè)提供有效的方案優(yōu)化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)港口建設(shè)和運(yùn)行的自動(dòng)化、智能化和現(xiàn)代化。

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