BIM 技術在港口設計中的應用研究

唐 鑫，泉 金，陳正鵬

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

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下簡稱“BIM 技術”）的本質和核心是運用計算機技術、信息技術和網絡技術整合建筑業相關技術和流程。其目的是提高建筑業整體信息化管理水平，使建設全過程能夠參數化、可視化、集成化、精益化和智能化［1］。

BIM 技術基于工程三維數字模型，從工程項目的規劃、設計、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，為各相關參與方提供集成化的信息交互環境和手段。

相比二維規劃和設計、紙質藍圖施工、紙質竣工資料歸檔等過程，BIM 技術的核心價值在于其利用信息化手段能夠使設計、施工、運維的信息全生命周期流動起來。BIM 模型數據從規劃設計，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，《交通運輸部關于印發〈交通運輸重大技術方向和技術政策〉的通知》（交科技發〔2015〕163 號）把 BIM 列為十大重大技術方向和技術政策之首。BIM 技術在國際工程界受到高度重視，是參與國際工程建設市場競爭必備的能力之一。

2017 年 1 月，《交通運輸部辦公廳關于印發<推進智慧交通發展行動計劃（2017－2020 年）的通知>（交辦規劃〔2017〕11 號），提出到 2020 年實現基礎設施智能化，推進建筑信息模型（BIM）技術在重大交通基礎設施項目規劃、設計、建設、施工、運營、檢測維護管理全生命周期應用，基礎設施建設和管理水平大幅度提升。

2018 年 3 月，《交通運輸部辦公廳關于推進公路水運工程 BIM 技術應用的指導意見》（交辦公路〔2017〕205 號）提出到 2020 年，相關標準體系初步建立，示范項目取得明顯成果，公路水運行業 BIM 技術應用深度、廣度明顯提升。行業主要設計單位具備運用 BIM 技術設計的能力。

2019 年 12 月，《交通運輸部關于印發〈推進綜合交通運輸大數據發展行動綱要（2020－2025 年）〉的通知》（交科技發〔2019〕161 號），提出推動各類交通運輸基礎設施、運載工具數字孿生技術研發，加快交通運輸各領域建筑信息模型（BIM）技術創新，形成具有自主知識產權的應用產品。

上述政策說明了 BIM 應用的必要性和交通行業推行 BIM 技術的決心。

基于方案階段的重要性和復雜性，以及 BIM 技術的特點和優勢，本文從方案研究階段的需求和流程出發，實踐并總結 BIM 技術應用的流程，助力后續階段深入應用 BIM 技術。

1 BIM 技術應用的流程

對港口碼頭設計的項目，可按下列程序進行。一是工程環境現實重構（Reality Modeling，或稱實景建模）；二是基于 BIM 技術的方案設計，其主要內容包括港口場平設計、互通、引橋、碼頭 BIM 建模、工程量統計和二維出圖；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 工程環境現實重構

攝影測量學理論的發展實踐和無人機硬件以及建模軟件的逐步穩定成熟，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 設計的重要基礎。

傾斜攝影技術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、模型優化等多個技術環節，其關鍵點是空三計算、實景三角網重建、紋理映射、模型優化修飾［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）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、高程、尺度、體積測量。

圖2 二維 CAD 地形圖與實景模型

1.2 BIM 設計建模與應用

1.2.1 碼頭整體規劃與實景結合設計

基于 Bentley 平臺，碼頭規劃設計可參考實景模型和 GIS 底圖，使設計人員可以“在現場”真實地設計［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資料，為加速項目進度，可在高精度 GIS 地圖上選取規劃區域，實現碼頭的參數化建模，基于三維可視化設計，可直觀分析設計中對周邊建構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 環境下碼頭規劃設計

1.2.2 高樁碼頭參數化建模

在高樁碼頭三維建模中，可基于 OpenBuildings Designer 的功能對碼頭的結構進行快速參數化建模，其中建立的三維模型與參數化模板可實現聯動更新，實現更改模板參數后三維模型自動更新，使得設計更加合理。如圖 4 所示，利用參數化模板實現模型聯動。

圖4 碼頭結構參數化設計

1.2.3 碼頭互通參數化建模

如圖 5 所示，在碼頭規劃設計方案中，可基于實景模型，采用參數化設計建模方法，并基于設計指標完成碼頭互通的路線平、豎曲線設計和橋位布置，并賦予橫斷面特征，實現互通方案 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境平面位置和空間關系，以及對碼頭互通與既有路相接情況和實施可行性，縮短方案設計的優化周期。

圖5 互通路線參數化設計

圖6 新建互通與原有路相接設計

1.2.4 引橋 BIM 參數化建模

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

參數化模板和實例化后的 BIM 模型具有關聯特性，在參數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 設計建模過程中可靈活選擇，如圖 7 所示。

圖7 碼頭引橋參數化

1.2.5 設計成果輸出

如圖 8 所示，基于 BIM 參數化模板搭載的幾何信息和實例化后的三維模型幾何信息，可實現三維動態出圖以及工程量統計。

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關聯，即在參數發生修改后，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 技術最直接的特征。如圖 9 所示，方案階段完成 BIM 建模后，直接導入 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），沉浸式虛擬現實，如圖 10 所示，打開漫游包，戴上 VR 眼鏡，無須額外設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 設備。實踐應用表明，三維可視化能極大地加速方案優化和交付進程。

圖10 VR 體驗

2 結論

本文基于 BIM 技術在港口設計中的應用研究過程，得出下列結論。

1）分析國內交通行業 BIM 應用的主要政策以及技術優勢，提出了盡快出臺落地政策、自主研發 BIM 軟件、強化施工及運維期應用是具體實現水運工程全生命周期信息化應用的方法。

2）通過 BIM 參數化設計建模方法，建立港口場平、互通、引橋、高樁碼頭 BIM 模型，并通過參數調整實現方案的快速迭代優化和傾斜攝影方法建立三維實景模型，實現 BIM 技術融合實景模型的方法，分析碼頭規劃設計的合理性與周邊環境的空間關系，優化方案布置。

3）通過 BIM 技術動態出圖與算量的方法，實現了二維出圖和工程量計算與 BIM 模型的動態關聯，并通過 BIM 三維可視化實時渲染技術實現了可視化方案交付。研究表明 BIM 技術可提高設計方案質量，加速方案交付進程。Q