BIM技術(shù)在自動(dòng)化集裝箱碼頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李家華，楊 彪，許鴻貫，梁 慶

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)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，自提出以來(lái)已在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家大規(guī)模推廣及應(yīng)用，引發(fā)了工程行業(yè)的巨大變革。當(dāng)前，BIM 技術(shù)已不僅僅局限于建筑工程，而是在橋梁、鐵路、公路、電力設(shè)施、港口碼頭等工程中均有應(yīng)用[1]。作為一種全新的理念和技術(shù)，各種類型的工程項(xiàng)目都可以利用BIM找到解決問(wèn)題的方法[2]。BIM技術(shù)在碼頭項(xiàng)目中的應(yīng)用起步較晚，其軟件應(yīng)用方法、技術(shù)路線等最早均參照建筑工程的BIM應(yīng)用體系實(shí)施，這得益于建筑工程行業(yè)BIM技術(shù)發(fā)展較早，標(biāo)準(zhǔn)化程度也更高。隨著近年來(lái)數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)積累，港口類項(xiàng)目的BIM應(yīng)用案例逐漸增多，不同類型的港口項(xiàng)目也在尋找最適合自身特點(diǎn)的BIM技術(shù)應(yīng)用路線和解決方案，工程與BIM技術(shù)的結(jié)合愈發(fā)成熟。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(wú)可估量的影響。以BIM 模型為主要載體的信息表達(dá)方式將會(huì)發(fā)揮重要的信息傳遞和信息表達(dá)作用，并推動(dòng)水運(yùn)工程行業(yè)的數(shù)字化信息化發(fā)展[3]。

相較于常規(guī)的碼頭工程，自動(dòng)化集裝箱碼頭工程復(fù)雜程度更高，涉及總圖、水工、航道、自動(dòng)化裝卸工藝、路場(chǎng)、巖土、結(jié)構(gòu)、建筑、電氣、給排水等相關(guān)專業(yè)，對(duì)專業(yè)間的配合和協(xié)同要求較高。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)技術(shù)模式存在信息表述復(fù)雜、協(xié)同設(shè)計(jì)困難、數(shù)據(jù)傳輸能力差等問(wèn)題[4]，隨著“一帶一路”倡議走向世界的同時(shí)，凸顯了技術(shù)和管理水平的不足；且項(xiàng)目的復(fù)雜性不斷增加，對(duì)設(shè)計(jì)水平的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式的局限性不斷放大[5]。使用 BIM 技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，將枯燥的設(shè)計(jì)過(guò)程變?yōu)檎鎸?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[6]。本文針對(duì)欽州7#～10#泊位項(xiàng)目，結(jié)合集裝箱碼頭設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及業(yè)主方對(duì)BIM實(shí)施的要求，為提高項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)質(zhì)量和數(shù)字化成果價(jià)值轉(zhuǎn)換而引入BIM 技術(shù)，在項(xiàng)目的協(xié)同、優(yōu)化和創(chuàng)新上取得了顯著成果，建立一套基于設(shè)計(jì)階段自動(dòng)化集裝箱碼頭的BIM+解決方案，保證設(shè)計(jì)模型中需共享的數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)之間交換和應(yīng)用，并在協(xié)同工作平臺(tái)上協(xié)同工作、共享模型數(shù)據(jù)，將項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)工程建設(shè)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、集約化和智能化發(fā)展。

1 工程概況

欽州7#～10#泊位項(xiàng)目位于欽州港大欖坪港區(qū)大欖坪南作業(yè)區(qū)，建設(shè)4個(gè)自動(dòng)化集裝箱泊位，碼頭可?？?0萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船，建設(shè)內(nèi)容主要包括沉箱重力式碼頭、疏浚工程、水工建筑物、助導(dǎo)航工程等，項(xiàng)目模型見圖1。

圖1 項(xiàng)目BIM模型

2 BIM組織架構(gòu)及技術(shù)路線

2.1 BIM組織架構(gòu)

為確保BIM應(yīng)用的順利開展及與施工階段BIM應(yīng)用的整體銜接，根據(jù)實(shí)際情況建立了整體BIM應(yīng)用組織架構(gòu)，明確各方職責(zé)。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的專業(yè)劃分，建立了專業(yè)齊全、人員經(jīng)驗(yàn)豐富的BIM專業(yè)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)具體BIM工作實(shí)施。由主管總工負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)審核各項(xiàng)BIM工作的開展，明確實(shí)施方向。項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)BIM具體實(shí)施，落實(shí)BIM工作進(jìn)度。BIM團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)見圖2。

圖2 BIM團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)

2.2 BIM應(yīng)用技術(shù)路線

1)BIM實(shí)施前，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)施目標(biāo)、需求和特點(diǎn)，充分利用BIM技術(shù)及成果，結(jié)合類似項(xiàng)目的BIM應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)BIM應(yīng)用技術(shù)路線進(jìn)行了整體規(guī)劃，制定了項(xiàng)目的實(shí)施策略書，包括建立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，保障BIM工作順利開展、實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。各專業(yè)利用各自BIM軟件進(jìn)行模型建立和成果表達(dá)等設(shè)計(jì)工作，采用云協(xié)同平臺(tái)，各專業(yè)將設(shè)計(jì)成果無(wú)縫上傳到云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步共享，保證數(shù)據(jù)安全和協(xié)同數(shù)據(jù)鏈完整。

2)項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，為響應(yīng)施工階段BIM應(yīng)用的需求，確保設(shè)計(jì)階段BIM模型的信息在施工階段進(jìn)行有效傳遞，根據(jù)指定的BIM建模標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型進(jìn)行分區(qū)分塊分層，并按施工要求進(jìn)行編碼，整體技術(shù)路線見圖3。

圖3 BIM技術(shù)實(shí)施路線

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

基于協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同建模，通過(guò)軟件附加程序接口實(shí)現(xiàn)與總裝平臺(tái)的數(shù)據(jù)檢入和檢出，對(duì)協(xié)同平臺(tái)的模型文件管理及人員權(quán)限進(jìn)行設(shè)定，保證模型數(shù)據(jù)的安全性。多專業(yè)多人員同時(shí)在平臺(tái)上進(jìn)行操作，通過(guò)專業(yè)間模型的匯總，實(shí)時(shí)鏈接反饋，查看模型進(jìn)度及完成情況，并可在總裝模型中標(biāo)注、反饋問(wèn)題，提高協(xié)作效率，增加專業(yè)溝通。利用總裝軟件直接從協(xié)同平臺(tái)參照模型文件進(jìn)行總裝，保證各專業(yè)模型與總裝模型的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性，模型同步更新。支持版本追蹤，可以查看、打開或者鏈接不同版本的模型，保障數(shù)據(jù)的可追溯性。

3.2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

BIM是工程三維數(shù)字化的有效信息載體，也是各參與方之間溝通交流的橋梁。通過(guò)多專業(yè)的模型整合，有效規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，減少施工過(guò)程中的相關(guān)變更，快速獲知不同變更方案對(duì)成本的影響，提高變更決策效率。在BIM設(shè)計(jì)的過(guò)程中，各專業(yè)之間可以在三維可視化場(chǎng)景中進(jìn)行多專業(yè)討論，所有交叉專業(yè)均可鏈接至同地場(chǎng)景，自由剖切漫游，多角度查看設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，利用BIM模型參數(shù)化特點(diǎn)還可以快速調(diào)整方案，實(shí)時(shí)刷新成果，進(jìn)行多方案比對(duì)，對(duì)不合理處直接進(jìn)行標(biāo)記和調(diào)整，形成會(huì)議紀(jì)要，方便后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化方案，極大減少施工過(guò)程中潛在的延誤和危險(xiǎn)，明確設(shè)計(jì)責(zé)任，有效提升溝通效率和決策質(zhì)量。智能導(dǎo)引運(yùn)輸車(IGV)維修車間方案優(yōu)化見圖4。

圖4 IGV維修車間方案優(yōu)化

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(lái)顯著的質(zhì)量提升，特別是在自動(dòng)化集裝箱碼頭設(shè)計(jì)中，為了不影響地面流動(dòng)裝卸設(shè)備作業(yè)，室外管線通常采用埋地敷設(shè)的方式，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，且集裝箱碼頭工程中的構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式較多，構(gòu)筑物基礎(chǔ)容易與管線相碰。通過(guò)對(duì)室外管線模型以及結(jié)構(gòu)物模型進(jìn)行總裝碰撞檢測(cè)，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中消除不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，大幅減少施工過(guò)程中的設(shè)計(jì)變更。基于協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同關(guān)聯(lián)，各專業(yè)互相參照鏈接，所有專業(yè)模型可實(shí)時(shí)匯總，在總裝軟件中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，查看交叉情況，減少碰撞的可能性，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后進(jìn)行高亮標(biāo)注，召集專業(yè)協(xié)調(diào)，極大程度降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保障項(xiàng)目的安全。自動(dòng)化集裝箱碼頭項(xiàng)目各專業(yè)間交叉嚴(yán)重，尤其是堆場(chǎng)區(qū)室外管線部分，部分區(qū)域需考慮自動(dòng)化小車定位設(shè)備的埋設(shè)，經(jīng)初步碰撞檢測(cè)分析后共發(fā)現(xiàn)324處影響較大的碰撞點(diǎn)，碰撞檢測(cè)見圖5。通過(guò)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行各專業(yè)間的碰撞檢測(cè)，可有效解決錯(cuò)漏碰問(wèn)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5 各專業(yè)碰撞檢測(cè)

3.4 BIM設(shè)計(jì)施工一體化應(yīng)用

BIM全過(guò)程應(yīng)用包括設(shè)計(jì)和施工2個(gè)階段，但是兩者往往各自完成相應(yīng)的BIM應(yīng)用，2條線并行，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方提供的BIM模型對(duì)于施工方?jīng)]有使用價(jià)值或使用價(jià)值較低，無(wú)法滿足施工方的使用需求。為實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)與施工階段的一體化應(yīng)用，打通不同階段模型構(gòu)件間的數(shù)據(jù)聯(lián)通，在設(shè)計(jì)階段提前考慮了施工方對(duì)BIM模型的需求，特別是在模型構(gòu)件編碼、模型屬性信息及模型顆粒度方面。結(jié)合施工單位的編碼和分段規(guī)定，在設(shè)計(jì)階段對(duì)BIM模型進(jìn)行了合理的編碼、分段和屬性附加，如現(xiàn)澆胸墻編碼為XQ-XX-1#-01，分別代表了胸墻所在位置及分項(xiàng)工程編號(hào)，方便施工單位進(jìn)行統(tǒng)一管理和工程量統(tǒng)計(jì)，同時(shí)也方便施工單位基于模型的最小劃分單元開展施工進(jìn)度、費(fèi)用管控等施工階段的BIM延伸應(yīng)用，提高了模型在施工階段的數(shù)據(jù)利用率，消除了設(shè)計(jì)、施工脫節(jié)的狀況。BIM設(shè)計(jì)施工一體化應(yīng)用見圖6。

圖6 BIM設(shè)計(jì)施工一體化應(yīng)用

3.5 自動(dòng)化裝卸工藝虛擬現(xiàn)實(shí)仿真

該U形自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案的特點(diǎn)是交通分離、交互簡(jiǎn)潔、直進(jìn)直出，技術(shù)領(lǐng)先。針對(duì)碼頭裝卸工藝及平面布置的特點(diǎn)，基于BIM模型成果，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、輕量化圖形技術(shù)及游戲開發(fā)引擎技術(shù)等對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭的整體裝卸工藝進(jìn)行數(shù)字化還原，設(shè)計(jì)模塊包括自動(dòng)化集裝箱碼頭自由漫游、自動(dòng)化雙小車岸邊起重機(jī)裝卸船、堆場(chǎng)區(qū)裝卸工藝及進(jìn)出閘口模擬，實(shí)現(xiàn)了虛擬化場(chǎng)景中自動(dòng)化裝卸工藝的沉浸式體驗(yàn)，不僅能夠在虛擬的自動(dòng)化港口中自如穿梭，還可以動(dòng)態(tài)查看從船舶靠岸到集裝箱出運(yùn)的完整自動(dòng)化裝卸工藝流程，充分展示碼頭自動(dòng)化、無(wú)人化、智慧化的特點(diǎn)，見圖7。

圖7 自動(dòng)化裝卸工藝虛擬現(xiàn)實(shí)仿真

3.6 快速編程應(yīng)用

鑒于BIM軟件應(yīng)用過(guò)程中存在工程量導(dǎo)出格式的問(wèn)題，結(jié)合快速編程軟件對(duì)軟件進(jìn)行定制化開發(fā)，見圖8。自動(dòng)分析待提取工程量的三維模型的體積、名稱和數(shù)量，為該模型創(chuàng)建序號(hào)，對(duì)提取出的數(shù)據(jù)排序、處理并加上相應(yīng)的表頭，最后將整理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到指定的Excel表格中。該方法可實(shí)現(xiàn)工程量標(biāo)準(zhǔn)格式的快速提取和分析，減少二次修改的工作量，提升了BIM軟件應(yīng)用過(guò)程中的便利性和可行性。

圖8 快速編程應(yīng)用

4 結(jié)語(yǔ)

1)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)是提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要工具，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)搭建云端協(xié)同平臺(tái)可以將各專業(yè)的設(shè)計(jì)三維成果進(jìn)行匯總查看，基于可視化環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)碰撞分析發(fā)現(xiàn)錯(cuò)漏碰等問(wèn)題，及時(shí)解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，也可以減少施工過(guò)程中因設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問(wèn)題。

2)在項(xiàng)目實(shí)施前，應(yīng)組建相關(guān)的BIM組織架構(gòu)，明確各方職責(zé)，確定BIM技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)施工銜接方法，確定模型的精細(xì)化，制定項(xiàng)目BIM實(shí)施技術(shù)路線，包括人才的培養(yǎng)、制度的建立等，提前做好充足準(zhǔn)備，確保項(xiàng)目的有效推動(dòng)。

3)利用BIM技術(shù)的延伸性和拓展性，積極開展數(shù)字化應(yīng)用。BIM代表的不僅是單純的三維模型，其潛在價(jià)值還在于三維模型的延伸應(yīng)用。常規(guī)工程項(xiàng)目無(wú)法針對(duì)項(xiàng)目本身開展深入的應(yīng)用，而BIM的出現(xiàn)可以有效提升項(xiàng)目的價(jià)值。利用BIM成果開展多項(xiàng)拓展應(yīng)用，在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目?jī)r(jià)值的提升，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。