BIM 技術在某大型碼頭設計中的應用研究

張宏銓，李家華，陳家悅，朱 峰

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，510000）

引言

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型作為一種創新的技術與生產方式，是信息化技術在工程行業中的直接應用。自被提出以來已經在歐美等發達國家大規模的推廣及應用，引發了工程行業的巨大變革。何清華等[1]提出BIM 作為一種全新的理念和技術，各種類型的工程項目都可以找到自己亟待解決問題的方法。BIM 技術在水運行業的發展起步較晚，最早也是從建筑行業中引入，包括所使用的軟件，最初也都是針對建筑行業的使用習慣及編碼規則而開發的。胡令[2]指出2010 年以來，BIM 技術在水運基礎設施中的應用與日俱增。作為未來發展的大趨勢，柴國威[3]提出BIM 技術在水運行業受到了更廣泛的關注。

經過近年的快速發展和技術積累，港口項目BIM 技術在設計階段的應用日漸成熟，并逐步呈現出水運特色，許多企業結合項目的數字化應用開展了BIM 技術的研究工作[4-5]。王珺[6]指出港口工程涉及專業多，構筑物之間的關系復雜，傳統二維設計技術模式下，存在信息表述復雜、協同設計困難、數據傳輸能力差等問題。BIM 技術應用于港口工程項目當中有著許多優勢，在設計階段通過BIM 技術開展三維協同設計工作，鄒艷春等[8]通過使用BIM技術提高設計效率和質量，并使枯燥的設計過程變成了真實、生動的視覺體驗，在三維模型場景基礎上對方案進行設計優化及碰撞檢測，有效規避設計風險提高設計質量。武婕等[7]提出BIM 技術的全面應用必將對水運行業的進步產生無可估量的影響。

1 工程概況

本項目位于廣州港南沙港區規劃的中部挖入式港池，項目建設16 個集裝箱泊位，4 個工作船泊位，主體碼頭結構采用鋼管板樁組合結構。結合BIM 技術的應用，旨在提高碼頭建設過程的信息化、數字化水平，努力打造集物聯網感知，人工智能和大數據等先進技術為一體的新一代全自動化集裝箱碼頭。

2 BIM 應用目標

2.1 總體目標

針對本項目業主方對設計及施工階段BIM 協同提出的要求，對BIM 設計軟件中的部分功能進行二次開發，建立一套設計與施工協同的BIM+解決方案，將項目實施過程中的數據關聯起來，以數據為驅動，推進工程建設項目管理的標準化、精細化、集約化和智能化發展。

2.2 實施內容

根據項目實際實施目標、需求和特點，充分利用業界最新的BIM 技術及成果[9-12]，結合BIM 應用經驗，對項目BIM 應用的實施內容進行整體規劃，在項目開展前期明確BIM 技術應用路線及參與方角色與權限。通過編制建立BIM 應用流程、規范實施中的資源、行為和交付等內容，強化系統性和規范性[13-16]，保障BIM 工作順利開展、實現預期目標。在項目開展過程中，為響應施工階段BIM 應用的需求，結合軟件API 進行定制化開發，提高項目全生命周期的信息完整性和聯通性。主要實施規劃如圖1 所示。

圖1 BIM 實施規劃

3 BIM 技術應用

3.1 協同設計

項目BIM 協同設計過程中，通過搭建云端協同平臺，組建專業齊全、人員經驗豐富的項目團隊，基于協同平臺與公司BIM 標準，開展協同設計，協調設計架構如圖2 所示。設計人員通過唯一的賬號密碼及結合自身相應的角色和權限，將需要編輯的某個文件進行檢出/獲取，協同平臺將會生成一 個副本文件在用戶的本地文件里，用戶可以進行相應地操作，完成后所做的修改通過文件檢入保存到服務器上，生成一個新的文件版本。協同平臺支持項目過程中文檔管理，結合賬戶與權限手段保證數據安全性與可追溯性。

圖2 云端協同設計

3.2 方案設計優化

BIM 是三維可視化的所有工程信息載體，因此是溝通的最好介質。設計過程中，在可視化的三維場景中，各設計專業負責展開方案論證，直觀查看三維方案，對方案中出現的不合理設計進行討論，項目細節優化效果前后對比如圖3 所示。利用BIM模型參數化特點，多方案比對，快速優化設計方案，減少了施工過程中可能存在的延誤和危險。本項目為大型室外場地工程，建筑單體達三十余項，在項目設計過程中，通過BIM 可視化手段對各主要單體的建筑外立面和樣式進行了多次會議討論，在三維場景中討論方案的細節，起到了良好的溝通作用，最終在提交報建方案時也是以三維模型為主，對項目的審批起到了促進作用。

圖3 方案優化前后效果對比

3.3 碰撞檢測

BIM 技術的應用能夠為項目設計帶來顯著的設計質量提高，特別是碰撞分析能在設計過程中消除許多不協調問題，大幅減少施工過程中的設計變更。本項目是大型綜合類碼頭項目，各專業間的交叉嚴重，尤其是堆場區室外管線部分，經初步碰撞檢測分析后共發現218 處影響較大的碰撞點，如圖4 碰撞檢測記錄所示。通過在設計階段進行各專業間的碰撞檢測，有效地解決錯漏碰撞問題，防止施工階段的設計反復，提高設計和施工效率。

圖4 碰撞檢測記錄界面

3.4 BIM 拓展應用

在項目BIM 開展過程中，業主要求BIM 應用在設計及施工階段應具有統一性及連續性。為滿足項目各階段和各專業信息模型的數據流通以及各BIM 軟件之間的信息模型格式轉換，實現工程全生命周期數據共享與傳遞，使BIM 技術創造最大的價值，在BIM 設計階段通過二次開發等手段對項目進行了深入的BIM 拓展應用，確保項目達到建設單位BIM 應用要求和目標。

1）批量建立樁基模型

本項目全泊位樁基結構，樁基數量多達上萬根，建模壓力大，BIM 模型更新難度高，包含多種樁基類型，鋼管樁，鋼板樁，PHC 樁，還有地基處理的水泥攪拌樁，地質不均導致樁底設計高程不統一，無法快速陣列復制，BIM 模型創建難度大。為節省重復性建模時間，實現智能批量建模，方便后期調整，利用BIM 設計軟件中自帶的可視化編程工具進行編程，調用子模塊執行程序編譯，讀取碼頭中樁基的設計參數，如樁長、樁徑等，一鍵生成不同類型的樁基模型，如圖5 所示。通過該方法，可在BIM 軟件中自動創建多類型樁基模型，提升效率與精確性。

圖5 自動讀取樁基設計參數界面

2）樁長實時同步

在BIM 應用過程當中，設計階段創建的三維模型是基于固定設計參數進行創建的，但在實際施工中，常因為現場地質復雜性等原因，樁基入土深度會與設計情況有所調整，導致樁基長度變化，設計模型與施工階段模型不一致。通過軟件自帶的可視化編程工具進行編程，可對外部表格中的數據進行讀取和同步，實現了根據現場樁基實際入土深度數據反向驅動樁長模型的變化，碼頭模型自動更新。開發完成后只需將樁基現場沉樁信息按規定要求做成表格，導入到設計模型中，與預留好的信息字段一一匹配。對于樁長發生變化的構件，模型會自動識別并調整構件樁長，如圖6 所示，避免了施工階段重復建模和信息斷層，有利于提升施工數字化管理水平，推動設計BIM 向施工BIM 的延續。

圖6 樁長實時驅動界面

3）構件屬性附加

根據施工單位對設計階段BIM 模型的要求，部分模型構件需預留施工階段構件的信息字段，如水工專業對模型構件（主要是鋼管樁、PHC 樁、板樁）擴展補充屬性信息，需擴展屬性信息字段（可編輯）如圖7。同時根據施工單位BIM 應用要求，每根樁均需根據泊位、樁型及里程進行編號，樁型簡寫板樁BC、PHC 樁PHC，序列號根據里程從小到大遞增編號以此類推。如海輪1#泊位鋼管樁按里程從小到大的第一根樁編號為HL1#GZ0001。結合BIM 軟件自帶的可視化編程工具進行編程，批量的對選擇的構件進行屬性的添加，在增加的過程中還可以根據需要對構件按規則進行編號。本項目樁基數量較多，通過該工具的使用，可滿足施工階段的屬性及編號需求，加強了BIM 技術在設計階段及施工階段的關聯性，提高效率，減少工作量。

圖7 模型屬性附加界面

4）構件編號編碼

根據本項目合同要求，項目在建設實施過程中，水運工程部分模型(包括室外管線、綜合管溝、地基處理等室外模型)需參照水運編碼標準進行編碼。通過研究英美等國建筑信息分類編碼工具，基于行業標準《水運工程信息模型應用統一標準》（JTS/T 198-1-2019）對BIM 設計軟件進行二次開發，水運工程的編碼標準與BIM 軟件自帶的編碼體系具有明顯的不同，因此需要針對BIM 軟件提供的API（Application Programming Interface）在C#環境下進行二次開發，制作模型編碼插件工具，將水運編碼標準中“水運工程構件與設備”分類表的編碼添加到BIM 模型中。該插件的運行機理如下：在BIM軟件中選擇要添加編碼的模型對象，運行插件，首先后臺獲取族對象，然后計算出該族對象的族類別，插件通過族類別在編碼數據庫中查找出該族類別下的所有族類型對應的編碼，此時選擇相應的對象編碼，將編碼賦值到模型對象的屬性參數中，編碼效果如圖8 所示。利用此工具對本項目室外工程所有模型構件進行了編碼。

圖8 構件編號編碼界面

4 結語

本文內容以某大型碼頭項目BIM 設計應用為案例，搭建了云端協同平臺開展各專業的BIM 協同設計，基于項目三維可視化的場景，利用BIM 技術對項目方案進行了設計優化，快速調整方案構造，并研究其可行性，極大提高了設計的準確性。在BIM 設計過程中，基于現有BIM 軟件功能的不足，對BIM 軟件進行了部分二次開發，采用軟件自帶的可視化編程工具，開發了批量建樁、樁長實時同步、屬性快速附加、構件編碼等實用模塊，對現有BIM設計應用，尤其是水運行業的BIM 技術應用給予了極大的補充和完善，有效地提高了設計效率，減少了重復工作量，提高了BIM 模型在項目全生命周期當中的使用率，將工程實施過程中的數據關聯起來，打通了項目各階段和各專業信息模型的數據交換與共享。

BIM 技術的應用不僅是創建模型進行展示，更多的是通過模型來解決問題，未來的發展需要把BIM 的制度進行更好的完善，包括人才的培養、自主軟件的開發、BIM 應用的獎懲等，結合不同項目特點進行定制性的二次開發，從各個層面、各個參與方對BIM 進行支持和推動，以數據為驅動，推進工程建設項目管理的標準化、精細化、集約化和智能化發展。