集裝箱碼頭設計施工一體化BIM應用

蘆志強，蘇東升，崔峰

（中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007）

1 研究背景

交通運輸部“十三五”科技規劃將BIM技術推廣列入重點工作之一。目前，各省市對BIM技術應用開展了相應探索，如上海中心大廈、深中通道、深圳前海、北京城市副中心、北京中國尊等項目應用[1-5]。2016年，交通運輸部將某港區集裝箱碼頭6—10號泊位項目列入標準化示范項目。借此契機，建設單位對此項目6號及7號泊位開展BIM綜合應用探索，實現BIM技術在設計施工一體化管理中的特有價值。

該項目擬新建2個20萬噸級和3個15萬噸級專業化集裝箱泊位（碼頭水工結構兼顧20萬噸級），碼頭岸線總長2 150 m，通過6座引橋與堆場相連，設計年通過能力430萬TEU，工程總投資79億元。本次BIM技術應用的工程范圍為6號、7號泊位（第1至第13結構段）碼頭平臺、7—8號引橋，內容包括水工結構、工藝設備、地質、電氣、給排水以及水上建構筑物等。

2 應用目標

2.1 總體目標

通過BIM技術在本項目設計與施工過程中的一體化應用，滿足業主方和項目管理團隊進行動態項目管理的需求，實現項目數字化管理、提升項目建造品質，為碼頭數字化運營創建應用平臺、提供數據基礎、預留擴展接口，打造全生命期BIM在水運工程應用的示范工程。

2.2 主要內容

實施內容分為四部分，建立BIM設計模型、搭建BIM應用平臺、實施施工過程BIM管理、提煉標準規范。

1）設計建模及優化，形成設計模型：建立工程范圍內各專業設計BIM模型，通過優化和深化設計，預判實施風險。

2）平臺開發和標準制定，形成協同工作機制：開發數字化移交平臺，實現施工階段的“讀、寫、查、批”等管理功能；制定各階段工作規則，統一數據交換格式，實現各應用階段內的橫向協同以及兩個階段之間的縱向協同。

3）施工配合及過程管理，形成竣工模型：施工單位在設計模型的基礎上，利用數字化移交平臺，不斷深化和應用BIM模型，在進度、質量和費用管理等方面開展探索性應用，提高工程建設品質。

4）實施效果評估，形成項目或企業規范：BIM技術是一套社會技術體系，需要各參與者遵循一定規則，充分發揮潛在價值。通過應用效果分析，對實施過程中有益做法進行總結，提煉升華技術成果。

3 研究成果及實施效果

3.1 設計建模與應用

1）各專業模型

設計階段分別建立地質、結構、電氣、給排水、裝卸工藝的分裝模型，實現了各專業設計成果和地質條件的三維可視化。特別是創建了水工結構配筋模型，對樁、樁帽、節點、縱橫梁等進行三維配筋，配筋結構直觀可見，鋼筋量統計方便快捷，深化了三維設計成果。

2）整合模型

為了實施各專業碰撞檢查，提前發現工程實施風險，需要將各專業設計模型組裝為一個整體，分別對各專業間的互提條件和空間布置進行檢查復核。模型組裝如圖1所示。

圖1 組裝模型Fig.1 Assembly model

3）模型應用

利用整合模型，在設計階段開展了整合檢查、沖突檢測與管線綜合、工程量復核、二維出圖等應用，為消除實施風險、提高設計質量發揮了一定的作用。

通過剖切整合模型，生成平面、立面、剖面等二維圖形，核對建筑和結構的構件在平面、立面、剖面位置是否一致，以消除設計中不統一的錯誤。

實施了基樁碰撞檢查、沉樁碰船檢查和管線孔洞支撐檢查，見圖2。

圖2 碼頭基樁碰撞檢查Fig.2 Collision inspection of wharf pile foundation

通過BIM模型提取相應部位工程量，采用C#語言編寫程序，對BIM模型進行工程量統計和復核，工程量清單復核表，為計劃和計量提供輔助參考，見圖3。

圖3 工程量統計Fig.3 Quantity statistics

在建立完成的三維模型基礎上抽取二維圖紙。將建立好的BIM進行輕量化導出，將幾何模型和屬性數據進行分離，同時將模型轉換為可以在控件上展示的模型。

3.2 施工交底與配合

可視化設計成果在施工技術交底中的價值非常明顯，在交流和處理技術問題時，大幅提高溝通效率和精準度。

另外，針對高樁碼頭沉樁施工的設計配合過程，本項目開發了樁基與地質的聯動模型，該模型能夠直觀查詢樁基在各個土層中的入土深度，實現了樁基承載力自動計算，通過與設計樁力自動比對，輸出比對結果和相關參數的取值，內置于BIM工作平臺中，為設計代表決策沉樁停錘提供參考數據，可用于沉樁的施工配合全過程。具體應用為：

1）顯示或查詢每根基樁內力設計值。

2）剖切基樁和地質的組合模型任意斷面，顯示各土層層位信息和側摩阻、端阻力數據、基樁位置信息。

3）計算已沉基樁實際承載力，程序自動與樁力設計值比對，給出檢驗結果，為設計代表提供決策支持。

4）對任意基樁的任意入土深度，程序自動計算承載力設計值。為設計代表解決異常沉樁情況提供快速數據支持。

3.3 平臺功能設計與開發

數字化移交平臺是將設計模型無損傳遞到施工階段并實施過程管理的重要載體。該平臺針對BIM開發了“讀”、“寫”、“查”、“批”等功能，集成BIM模型、進度、質量、圖紙、人員等信息，通過權限和流程設置，實現施工過程中的進度、質量、費用的過程管理。

該系統采用前后臺分離的架構編寫，有效簡化了系統邏輯關系，提升了開發效率。系統前臺圖形界面基于Untiy3d平臺構建，采用異步加載技術，有效解決了大容量的模型文件讀取過程中造成的使用卡頓問題。同時，應用多線程技術，使后臺運行于單獨的線程上，集中處理比較耗時的文件讀取工作和前臺提交的異步請求，充分發揮了現代多核心CPU的效能。此外，后臺采用面向接口編程技術，提升了系統的可擴展性，使系統通過少量的開發工作，即可較快地切換多種數據源。

本數字化平臺取Bentley平臺[6]及Unity3D[7]各家技術之長，將模型與應用的深度融合，實現的系統功能包括工程概況、綜合查詢、進度管理、費用管理、質量管理和系統維護。主界面如圖4所示。

圖4 數字化移交平臺主界面Fig.4 Digital transfer platform main interface

1）綜合查詢

針對模型可實現整體模型查詢、專業模型查詢、典型構件和典型節點查詢，通過選擇時間節點和查詢條件，將查詢結果顯示在模型和數據框中，相應信息也可下載打印。

2）進度管理

通過交互4個時間參數：計劃開始時間、計劃完成時間、實際開始時間及實際完成時間，將BIM設計模型與施工進度掛接，進行施工進度分析和管理。

3）質量管理

本項目質量管理包括沉樁偏差管理、構件安裝偏差管理、碼頭水工建筑物的變形觀測以及樁基檢測管理。質量偏差以報警彈窗與高亮模型方式顯示，實現項目質量信息集成。

4）費用管理

通過錄入構件信息，可查詢施工作業模型中已完成構件工程量信息，并自動統計工程量清單，形成報表。同時，將滿足合同約定的計量、計價規范要求的價格測算分攤至各施工構件，利用工程量統計的結果，自動統計不同時期進度款參考值，為進度款支付提供決策支持。

3.4 相應標準制定

在本項目的實踐過程中，從過程管理與成果控制等方面，衍生出諸多值得記錄及借鑒的書面材料。經過多輪歸納、總結、篩選后，形成了BIM實踐不同階段的相應標準，包括《設計階段BIM實施導則》、《BIM建模標準》、《BIM成果交付標準》等，從頂層構建了適應自身發展的BIM體系架構。

4 收獲與體會

4.1 選擇適宜的軟件

搭建軟硬件環境是實現BIM應用目標的基本條件。目前軟件技術和工程管理體制下，短期內很難實現全生命期BIM應用。本項目設計建模選用Bentley系列產品，能夠實現軟件間數據無損傳遞和輕量化應用，達到復核二維設計成果、輔助深化設計方案、提前發現并解決復雜技術問題的目的。

4.2 制定實用的規則

本項目制定了工作流程、模型層級、文件命名、建模標準等行為規則，復用性較強的元件創建規則，跨階段應用的模型唯一ID編碼規則，提高了模型創建效率，為模型應用和傳遞奠定了溝通基礎，為施工過程管理和后續數據應用創造了一致性的規范條件。

4.3 開展針對性開發

目前水運工程BIM應用尚處于起步探索階段，本項目二次開發的指導思想是“有所為、有所不為”，針對建模效率、數據傳遞等問題，開展了構件快速布置、樁基承載力計算、移交平臺開發方面的探索，突出問題導向，效果顯著。

5 結語

該項目的BIM應用是BIM在水運行業的一次新突破。

1）建模規范，應用點多。對設計模型的層級劃分、ProjectWise協同平臺的運用、元件庫的建立及構件編碼等方面進行了研究，實現了模型整合、碰撞檢測、設計二維抽圖、三維地質建模、三維配筋建模及工程量復核等方面的應用。

2）二次開發應用深入。結合實際需要開發了快速放置構件、樁基承載力自動計算等程序，開發了數字化移交平臺。

3）總體實施效果良好。從實施效果來看，穩定提升了設計成果質量，提高工作效率15%以上，施工管理的可視化、信息集成度、響應及時性大幅提升。

目前，BIM在水運行業應用還處于起步階段，隨著BIM在水運行業的普及范圍逐步擴大，如何降低建設和運維成本，實現全生命期BIM應用，將成為發展新階段需要重點考慮的問題。