BIM技術在重力式方塊碼頭工程設計施工中的應用

田會靜，韓 彤，郭 松，李光裕，李章超

(1.中交(天津)生態環保設計研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技術企業重點實驗室，天津 300457)

水運工程由于自身的行業特點和發展規模限制,比其他土建工程復雜得多[1-2]。港口工程具有水陸聯運設備和條件，是水陸運輸的鏈接點[3]。港口工程設計不僅要考慮地形、地質、水文等條件，還要考慮水工建筑物的形狀、結構及尺寸等因素，定型設計難度大[4]。特別是地質條件復雜的港口工程建設項目，傳統三維建模技術無法進行地質模型的精細化處理，導致后續設計工作面臨巨大的挑戰。

BIM(building information modeling，建筑信息模型)技術的出現很好地解決了傳統三維建模技術無法實現地質模型精細化處理的問題，利用三維模型實現可視化地質圖生成，將復雜的地質條件展示出來，實現三維地質模型的精細化處理，在設計工作中起到了關鍵性作用[5-6]。

三維地質、地表模型一直是港口工程設計中最關鍵的步驟之一，后續所有的設計工作均在三維地質、地表模型的基礎上完成。BIM技術雖然能解決傳統三維建模技術所面臨的問題[7-8]，但國內BIM技術在水運工程上的應用研究較少，相關的規范、規則未完善。本文基于北方某重力式方塊碼頭工程，對BIM技術在港口工程設計施工中的應用進行總結，形成一整套重力式方塊碼頭BIM技術應用體系，對BIM技術在水運工程上的應用具有指導意義。

1 工程概況

該工程總平面呈U形布置(圖1)，碼頭位于西側岸線，長度為472 m，南端與護岸銜接，北端為70 m直立岸壁，通過30 m翼墻與北側海岸線整治修復項目銜接。港池及錨地水域北側區域為漁船維修區，口門兩側呈八字形建設擋沙堤，外側連接漁港航道。

圖1 工程總平面布置(單位： m)

2 BIM模型的創建

該工程建模要素包括：三維地表、三維地質、港區開挖、場地回填、基礎及水工結構、水、電模型。

2.1 三維地表模型

基于該工程測繪數據建立三維地表模型，通過圖紙分析將高程點、等高(深)線、特征線依次導入曲面要素，構建一個完整的三維地形曲面，即三維地表模型。與實際地形地貌進行對比，利用添加特征線、排查誤差較大的錯誤高程點等方式，進行精細化處理。圖2所示為該工程精細化處理前后的三維地表模型，優化后的三維地表模型可以準確地反映溝、坎、塘、河道等地形地貌特征，更加合理且符合實際情況。

2.2 三維地質模型

利用勘察報告中的鉆孔數據建立多個地質層曲面，進而拉伸為實體，并通過添加特征集的方式把地質信息錄入相應的地質層中，形成地質屬性完整的三維地質模型。圖3為三維地質模型，可準確直觀地反映各土層位置以及其地質屬性。

圖3 三維地質模型

2.3 港區開挖模型

港區開挖模型，是指經過開挖平整后的地表、地質模型，是在三維地表、地質模型的基礎上建立的。根據施工開挖順序，對每個單體在上一工序單體工后地形的基礎上進行放坡操作，逐步形成工后開挖地形。為了提高效率，較少數據冗余，將無關聯的開挖部分進行分區建模，再將分區模型整合到三維地表模型中，隨后創建區域間的銜接單體開挖模型，最終形成開挖地形曲面。將最終的開挖地形曲面拉伸為實體，并與三維地質模型進行布爾運算，形成地質開挖模型(圖4)。

圖4 港區開挖模型

該工程可以分為南北兩個部分同步建模，各部分均包含護岸及擋沙堤處的基槽開挖及場地平整，建模完畢后將兩側模型粘貼至三維地表模型中，隨后進行南北岸銜接處的碼頭基槽與港池疏浚的開挖。

2.4 場地回填模型

場地回填模型，是在港區地形開挖模型的基礎上，對碼頭及護岸進行土方、石料回填的模型，也包括廠區后方的道路模型。為了項目模型的完整性，利用“放坡+特征線”相結合的方法，按體量對非本次施工區域的南北護岸部分以及二標段的擋沙堤工程建立概要模型，無須突出具體分層結構。

而對于施工區域即碼頭和附近的南護岸，則采用 “道路+裝配+部件編輯器”的方式，對碼頭后方回填分層結構以及護岸分層結構進行準確建模，實現結構斷面變化處以及拐角位置的準確過渡(圖5)。

圖5 場地回填模型

2.5 基礎及水工結構模型

在Revit中，針對不同專業，選擇適合的族樣板進行模型創建，建立相關基礎、水工結構的參數化族文件，進而構建基礎及水工結構模型(圖6、7)，主要包括碎石樁、排水板、止水帷幕、碼頭(包括碼頭主體、直立岸壁和翼墻)3次澆筑的方塊形式，以及護輪坎、系船柱、橡膠護舷等細部構件。

圖6 基礎及水工結構模型

圖7 水工結構模型細節

2.6 水、電模型

建立給排水及消防、電氣專業工作集，根據項目要求建立相關載入族，最后結合水、電、管道及附件設計圖紙，將各個結構裝配成水、電模型(圖8)。

給水及消防模型主要包括給水、消防及排水系統。其中：給水和消防系統共用1條市政供水管道，主要包括不同規格的給水管道、管件、管道附件、上水栓、室外消防栓、泄水井和水表井等；排水系統主要為DN500鋼筋混凝土管等。

電氣模型主要包括碼頭岸電箱、組合燈、手孔井、預埋玻璃鋼管和熱鍍鋅鋼管、預埋鋼板、接地鍍鋅扁鋼等。建模思路是基于水工中心文件建立電氣專業工作集，根據需求建立若干載入族，最后結合系統管線，將各個模塊裝配成電氣模型。

圖8 水、電整體模型

2.7 模型整合

將三維地表模型、三維地質模型、港區開挖模型、場地回填模型、基礎模型、水工結構模型、給排水及消防模型與水電模型，通過連接的方式整合到Revit文件中，并在Navisworks軟件中進行整體展示和施工應用(圖9)。

圖9 整合后的整體模型

3 工程應用

3.1 碰撞檢查

在傳統的工程設計過程中，專業之間因協調不足出現設計上的碰撞問題是最為常見的。BIM技術為工程設計的專業協調提供2種途徑:1)在設計過程中通過有效的、適時的專業間協同工作避免產生大量的專業沖突問題，即協同設計；2)通過對3D模型的沖突進行檢查，查找并修改，即碰撞檢查(圖10)。

圖10 模型碰撞檢查

在該工程中，將每個專業的所有構件分別設置成為不同的工作集，并應用Navisworks進行專業內和專業間的碰撞檢查，發現并解決了26個碰撞問題。在施工前發現這些碰撞問題可降低返工風險。

3.2 工程算量

傳統方法的工程量計算是十分繁瑣和復雜的，由于BIM模型中的每一個構件都與現實中的實物一一對應，所以基于BIM模型可直接計算工程量。該工程BIM模型同時包含Revit和Civil 3D模型，須采用Navisworks軟件，通過設置算量特性、項目目錄和項目映射規則進行工程量計算(圖11)。

圖11 模型精細化算量

基于BIM模型的工程算量更為直觀，所見即所得，具有完整性、快捷性。在統計大型工程細部構件時(螺栓、螺帽、橡膠護弦、系船柱等)，可避免人工統計出錯的問題。根據實際施工進度情況自定義參與算量的部分模型，可以得知某一時間段內各分項工程的工程量完成情況，對進度款的申請、物資進場計劃具有一定幫助。

3.3 進度管理

基于BIM模型，將施工進度信息與相關模型構件進行關聯，形成4D模型進行進度管理，其應用主要體現在施工進度計劃推演、實際與計劃進度對比分析兩個方面。

通過應用BIM技術對施工進度計劃進行可視化預演，可預先判斷計劃的結果與風險，核查其可行性，輔助施工技術人員對施工方案進行優化。尤其在編排計劃方面，傳統方法往往依賴人腦的空間想象，到具體施工時容易出現未預想到的情況，面對眾多的流水線式作業，BIM可視化可以較為輕松地進行精細化計劃編排，從而進一步優化方案(圖12)。

圖12 港區開挖進度管理

在4D模型的基礎上，將實際進度信息關聯到模型上，將實際與計劃進度進行可視化對比。通過不同的顏色得到提前和延后的信息反饋，快速定位到問題區段，輔助技術人員進行相關技術管控，保障工程項目按時保質完工(圖13)。

圖13 實際與計劃進度的可視化對比

3.4 可視化工藝技術交底

針對該工程復雜的施工工藝、關鍵施工節點以及重要技術難點，基于工程BIM模型與工藝模型，以動畫仿真的形式進行施工工藝模擬，在施工前對相關工作人員進行指導培訓與技術交底，更加直觀、方便、規范、經濟，效果顯著。

4 結論

1)BIM技術可視化降低了溝通成本，為工程精細化管理提供了技術手段，但地質、地形的精細化程度，除了無人機傾斜攝影可以大幅提高地形精細程度外，更多的還是取決于傳統勘測的精細程度。

2)利用BIM技術可以解決不同專業間構件碰撞的問題，在施工前發現并予以解決，降低施工時的返工風險，節約施工成本，提升施工效率。

3)基于BIM模型進行工程算量，能夠完整快捷地對工程量進行統計，可避免人工統計帶來的不確定性。

4)利用BIM技術對施工進度計劃進行可視化預演，可預先判斷計劃的結果與風險，核查其可行性，輔助施工技術人員對施工方案進行優化。