BIM 技術(shù)在大型散貨碼頭設(shè)計中的應(yīng)用實踐

陳家悅，黃黎明，李家華

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

BIM 技術(shù)在水運行業(yè)整體應(yīng)用起步較晚，但經(jīng)過近年的快速發(fā)展和技術(shù)積累，港工設(shè)計階段的應(yīng)用已日漸成熟。劉松等研發(fā)了水運工程BIM協(xié)同設(shè)計云平臺，實現(xiàn)了基于云的全流程BIM 協(xié)同設(shè)計[1]。蘆志強等根據(jù)大型集裝箱碼頭工程的特點，提出了一套完整的BIM 設(shè)計技術(shù)路線和解決方法，提升了設(shè)計精度和深度[2]。鄒艷春等在液化天然氣碼頭工程中，探索了BIM 在設(shè)計和施工階段的相關(guān)應(yīng)用點，取得了較好的工程效果[3]；黃慶和王曉琨應(yīng)用BIM 技術(shù)對港口散貨裝卸工藝進行設(shè)計，應(yīng)用兩種BIM 協(xié)同設(shè)計方式，體現(xiàn)出BIM 技術(shù)在港口工程設(shè)計中的應(yīng)用價值[4]。前人的工作多以提出BIM 技術(shù)在水運工程項目實施中的技術(shù)路線和總體應(yīng)用效果為主，較少探討諸如碰撞檢測及之后的糾偏、多專業(yè)協(xié)同在設(shè)計中尤其是工藝流程高度復(fù)雜的大型散貨碼頭設(shè)計過程的具體實施問題。

本文以華南某大型散貨碼頭項目設(shè)計任務(wù)為契機，開展了BIM 應(yīng)用研究與實踐，在協(xié)同設(shè)計和碰撞檢測等方面探究切實可行的實施方法，并進行了機電智能化和預(yù)制化設(shè)計、建筑綠色設(shè)計等深化應(yīng)用探索，對類似項目的BIM 應(yīng)用具有實際參考價值。

1 工程概況

本工程擬建設(shè)海輪通用碼頭泊位（結(jié)構(gòu)按10萬噸級）和集裝箱駁船泊位共計15 個，陸域總面積33.45 萬m2。碼頭前沿后方布置件雜貨堆場、2座散裝糧食倉庫和1 組糧食筒倉。堆場、平倉和筒倉間布置多座轉(zhuǎn)運站、棧橋和裝車樓等，以實現(xiàn)糧食接卸、進出倉和轉(zhuǎn)運裝車等多項工藝流程。生產(chǎn)輔助建筑物區(qū)布置有辦公樓（含候工樓）、給水加壓泵站、小車停車場、港口發(fā)展用地等，總建筑面積達88 082.75 m2。

2 BIM 應(yīng)用目標(biāo)

2.1 總體目標(biāo)

形成切實可行的散貨碼頭項目BIM 實施技術(shù)方案，以實現(xiàn)設(shè)計品質(zhì)提升，為類似項目的BIM應(yīng)用積累經(jīng)驗，推動設(shè)計院數(shù)字化轉(zhuǎn)型與發(fā)展。

2.2 研究內(nèi)容

主要包括3 部分：協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化、碰撞檢測與糾錯、深化應(yīng)用探究。

1）協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化：各專業(yè)模型設(shè)計過程需相互參照，針對鏈接協(xié)同和工作集協(xié)同2 種模式的應(yīng)用局限性，創(chuàng)新協(xié)作方式，以實現(xiàn)效率最優(yōu)。

2）碰撞檢測與糾錯：開展模型整合和碰撞檢測，優(yōu)化查找與糾錯過程，提升設(shè)計效率。

3）深化應(yīng)用探究：基于模型開展機電深化設(shè)計、建筑綠色設(shè)計等BIM 深度應(yīng)用，為智慧化設(shè)計升級打下基礎(chǔ)。

3 研究成果與實施效果

3.1 協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化

本項目室外工程協(xié)同采用鏈接方式，室內(nèi)工程協(xié)同采用工作集方式。由于工藝流程運轉(zhuǎn)和設(shè)備布置需多個單體支撐，單體間相對位置、開洞高程等需互相協(xié)調(diào)，以保證棧橋能準(zhǔn)確連接。因此需建筑、結(jié)構(gòu)和工藝等專業(yè)相互參照，反復(fù)調(diào)整。采用工作集協(xié)同時，可保證單體間相對位置、室內(nèi)開洞設(shè)計等準(zhǔn)確無誤，但由于項目工序眾多，單體設(shè)計復(fù)雜，中心文件出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過大，軟件加載和操作速度明顯降低等問題。另外，模型整裝時需將中心文件導(dǎo)出后，鏈接進入Navisworks軟件手動定位，耗時較多。當(dāng)出現(xiàn)碰撞問題需調(diào)整方案時，又要回到中心文件中修改后再重新導(dǎo)出，再次鏈接，嚴(yán)重影響工作效率。

針對這一問題，本項目引入Reference Point插件。該插件可提取總平面布置圖中的建筑單體的坐標(biāo)信息，并賦予相應(yīng)的Revit 模型。基于此，項目組將中心文件進行了拆分，按單體功能和區(qū)位劃分成若干較小的中心文件，比如平倉區(qū)（單體關(guān)系見圖1）、筒倉區(qū)、生產(chǎn)輔助區(qū)等。拆分后的中心文件對硬件要求降低，且易于管理和共享。每一個中心文件內(nèi)部保持了相關(guān)建筑單體之間的相對位置關(guān)系。之后分別導(dǎo)入到Navisworks 中進行拼裝。利用Reference Point 插件 ，每個中心文件可基于1 棟典型單體獲得真實世界坐標(biāo)，總裝時即可實現(xiàn)全碼頭模型自動對位正確。當(dāng)單體設(shè)計方案調(diào)整或糾錯時也可快速回到Revit 中編輯，再重新導(dǎo)出、鏈接。該插件的引入大幅提升了港口項目中單體與室外工程專業(yè)間的信息流動效率和模型協(xié)調(diào)性，為類似項目提供了一種靈活且可操性強的協(xié)同工作新方法。

圖1 整合后的平倉區(qū)模型Fig.1 Integrated models of warehouse operation area

3.2 碰撞檢測與糾錯

借助BIM 的碰撞檢測功能和可視化技術(shù)，可實現(xiàn)圖紙范圍內(nèi)各種管線布設(shè)與建筑、結(jié)構(gòu)平面布置和豎向高程相協(xié)調(diào)的三維協(xié)同設(shè)計，以避免空間沖突，盡可能減少碰撞，避免設(shè)計錯誤傳遞到施工階段[5]。

3.2.1 實施過程

將各個專業(yè)的初步模型文件整合到Navisworks中，按照兩兩模型碰撞的原則，車輪式進行檢測。經(jīng)過初輪碰撞，發(fā)現(xiàn)場地內(nèi)管線與管線間沖突點600 余處（圖2），管線與建筑單體基礎(chǔ)間沖突90余處。

圖2 碰撞點示意Fig.2 Sketch of collision point

為高效解決碰撞問題，采用了以下工作流程：

1）碰撞協(xié)調(diào)會前預(yù)處理：BIM 協(xié)調(diào)人員對碰撞點首先進行預(yù)處理，利用Navisworks 分組處理功能，按“功能分區(qū)”、“構(gòu)件類別”、“涉及專業(yè)”等原則進行碰撞點的合并與分組，對碰撞問題進行歸類總結(jié)，形成協(xié)調(diào)說明文檔。

2）召開協(xié)調(diào)會：對照三維模型和說明文檔，逐項確定責(zé)任專業(yè)，討論下達整改要求，記錄整理并將信息匹配錄入“已分配給”和“注釋”等字段，記錄責(zé)任人和修改意見，實現(xiàn)協(xié)調(diào)信息與碰撞點的關(guān)聯(lián)，并包含在生成的碰撞檢測報告中。

3）會后糾錯：各專業(yè)人員基于碰撞檢測報告調(diào)整或修正設(shè)計方案。對升版方案重復(fù)上述碰撞檢測過程，直至解決全部碰撞問題。

3.2.2 二次開發(fā)提升效率

糾錯過程中，設(shè)計人員需參照碰撞報告，到相應(yīng)的設(shè)計軟件中逐個查找碰撞位置，修改模型。對于Revit 軟件創(chuàng)建的構(gòu)件，可通過報告中的元素ID 信息在軟件中實現(xiàn)碰撞構(gòu)件的自動定位。而對于Civil 3D 軟件創(chuàng)建的重力流管線模型元素，報告中給出的句柄信息無法直接應(yīng)用。另外，本項目場地大，管線繁雜且碰撞涉及管道、管道部件、雨水井、消防栓等多種圖元，查找工作耗時且效率低下。因此基于.NET 語言進行了二次開發(fā)，通過匹配句柄信息在Civil 3D 軟件中自動定位到碰撞構(gòu)件，并將其放大顯示到窗口中心。

開發(fā)通過Civil 3D 提供的.NET API 接口進行[6]，基礎(chǔ)為AutoCAD 二次開發(fā)框架。目標(biāo)是實現(xiàn)從碰撞報告中提取實體句柄，之后映射實體ID，定位到對應(yīng)的實體構(gòu)件再居中放大。

給排水等專業(yè)人員將插件加載到Civil 3D 軟件中，運行后按提示輸入報告中相應(yīng)碰撞圖元的實體句柄信息，相應(yīng)構(gòu)件即自動被選中，高亮且居中放大。插件的開發(fā)有效減輕了設(shè)計人員工作量，縮短了管線綜合設(shè)計輪數(shù)與時間。

3.3 深化應(yīng)用

3.3.1 機電專業(yè)智能化與預(yù)制化設(shè)計

1）給排水自動化管網(wǎng)建模

為優(yōu)化室外給排水管網(wǎng)建模流程，將EPANET 軟件與Revit 聯(lián)動，得到更加精確和合理的管網(wǎng)路由與管網(wǎng)平差計算結(jié)果。基于Revit API進行二次開發(fā)，自動讀取節(jié)點參數(shù)等信息，即可在Revit 軟件中快速生成整套管網(wǎng)模型。提升了管網(wǎng)建模效率，生成的模型更加精細(xì)。

2）機電管線預(yù)制化深化設(shè)計

Revit 創(chuàng)建的模型無法達到預(yù)制加工的深度[7]，需要在Fabrication CADMEP 軟件中進行延伸設(shè)計。得到反應(yīng)真實管段長度和管配件尺寸的精確模型，剖切得到精細(xì)化圖紙和工程量用于工廠生產(chǎn)和施工精準(zhǔn)采購，提升了項目的管線預(yù)制化設(shè)計水平。機電管線深化設(shè)計開料表見圖3。

圖3 機電管線深化設(shè)計開料表Fig.3 Opening sheet for detailed design of mechanical and electrical pipelines

3.3.2 建筑綠色設(shè)計

1）辦公樓消防疏散模擬仿真

本項目的辦公室為6 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積7 648 m2。建筑防火類別2 級，含3 部電梯、2 部樓梯、含控制室、UPS 間及消防控制室，面積約200 m2。通過分析，直接生成針對辦公樓特定房間的人員疏散與時間關(guān)系曲線，為設(shè)計優(yōu)化方案提供了量化結(jié)果與信息支撐。

同時，利用可視化技術(shù)，還從多維度、多視角預(yù)演了火災(zāi)時辦公樓內(nèi)人員疏散撤退的場景（圖4）。增強了項目參與各方對不同方案的感官差別，有利于最終方案比選時，獲得滿足各項指標(biāo)且更具人性化與適用感的設(shè)計方案和逃生路徑。對于項目建成后的現(xiàn)場應(yīng)急管理和安全運營工作也具有實際意義。

圖4 疏散場景模擬Fig.4 Evacuation scene simulation

2）綠色節(jié)能設(shè)計初探

綠色港口是一種先進的理念，也是港口未來發(fā)展的主要趨勢之一[8]。利用Revit 內(nèi)置的Insight 360，可以將創(chuàng)建的三維建筑模型快捷轉(zhuǎn)化為能量模型（圖5），并實時獲取建筑環(huán)境影響表現(xiàn)指標(biāo)。綜合考慮工程所在地的氣候條件，冬、夏季太陽輻射強度、風(fēng)環(huán)境等多方面因素，允許設(shè)計人員對不同建筑走向，不同飾面材料選擇與搭配，墻體與屋頂建造，窗墻比等細(xì)節(jié)進行多方案對比分析，得到不同方案下的制冷能耗、用電能耗等，并與國際主流基準(zhǔn)能耗進行對比。從而不斷優(yōu)化建筑規(guī)劃設(shè)計，為暖通設(shè)計提供有力支撐。為設(shè)計決策和財務(wù)分析提供合理的能源成本預(yù)測，研究可再生能源利用潛能。

圖5 辦公樓綜合能量模型Fig.5 Comprehensive energy model of office building

4 收獲與體會

項目BIM 實施過程中的收獲與體會如下：

1） 方案策劃階段，應(yīng)參考現(xiàn)有的BIM 應(yīng)用成果，分析實際項目情況，預(yù)判可能出現(xiàn)的問題，對技術(shù)難點提前展開研究。不要局限于單一軟件平臺或理論體系。發(fā)散思維，以提升效率為目標(biāo)，結(jié)合二次開發(fā)等手段，不斷修正技術(shù)路線，完善技術(shù)細(xì)節(jié)，使BIM 在水運項目設(shè)計中更具有實用性。

2） 本項目經(jīng)過BIM 應(yīng)用實踐，切實加快了設(shè)計審批流程，提升了設(shè)計品質(zhì)。但現(xiàn)階段的應(yīng)用仍處于較淺階段，下一步應(yīng)著力于設(shè)計施工一體化和全港區(qū)散貨工藝系統(tǒng)仿真、運維等方面的研究，推動現(xiàn)有BIM 設(shè)計模型向施工、運維乃至項目全周期模型演化，深挖BIM 信息模型的應(yīng)用價值。

5 結(jié)語

針對某大型專業(yè)化散貨碼頭項目專業(yè)協(xié)作要求高和構(gòu)件碰撞、沖突多等特點開展了相應(yīng)的BIM 應(yīng)用探究，并結(jié)合二次開發(fā)等手段優(yōu)化流程，對實操層面的問題提出了切實可行的解決方法，進一步提升了工作效率和設(shè)計成果精確度。同時進一步探究了機電深化設(shè)計與建筑綠色設(shè)計的應(yīng)用，為水運設(shè)計行業(yè)智慧升級，推動設(shè)計院的數(shù)字化轉(zhuǎn)型做出了有益嘗試。