桶式基礎防波堤結構設計與施工BIM應用

陸晶晶，徐傳超

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032)

桶式基礎結構是水運工程防波堤的一種新型裝配式結構[1]，主要適用于淤泥質海岸，技術難度大、科技含量高，目前已成功應用于連云港徐圩港區4區圍堤工程，正在舟山綠色石化基地等工程進行前期推廣。桶式結構具有預制裝配程度高、施工精度要求高的特點，具備基于BIM的數字化全生命周期應用的優勢。

BIM是融合了信息技術與工程技術的建筑信息模型技術[2]，國家從“十三五”以來開始在工程建設行業大力推廣BIM數字化技術的應用，目前已在城市、橋隧、公路、水運等多個行業積累了一定的應用成果。“十四五”開局之年，國務院各部委、地方也陸續發起了一系列關于“數字化轉型伙伴行動”的倡議。

在工程建設行業全面數字化轉型的背景下，按照“科研為工程服務”的宗旨和“工程實踐—理論研究—再工程實踐”的理念[3]，本文以連云港徐圩港區4區圍堤工程為試點，通過BIM數字化技術在桶式基礎結構設計、施工中應用的研究，將BIM技術與新型桶式基礎結構設計施工相結合，實現了BIM數字化技術在桶式基礎結構設計、施工全生命周期應用的貫穿，為新型裝配式桶式基礎結構的推廣提供了數字化技術支持。

1 工程背景

4區圍堤工程位于連云港徐圩港區六港池東側港區陸域，圍堤總長4 997 m，所圍區域近期為納泥區，遠期規劃為液體散貨泊位陸域，平面布置見圖1。

圖1 連云港4區圍堤工程平面布置

項目所在區域淤泥覆蓋層從9.5 m到18.75 m不等，周邊已有建設完成的徐圩防波堤結構，盛虹煉化一體化碼頭項目同步實施，1#正堤與徐圩港區液體散貨區公共配套起步工程水域公共管廊橋部分局部正交，須統籌安排兩者施工順序。在石料緊缺、工期限制和施工作業面限制的現實情況下，本工程采用了新型裝配式桶式基礎結構，典型斷面見圖2。在項目建設過程中，將BIM技術與設計、施工進行深度結合，開展了一系列的研究與應用工作。

圖2 新型桶式基礎結構典型斷面(單位：m)

2 桶式結構設計BIM應用

與傳統二維設計方法相比，BIM技術具有可視化、一體化、參數化、多方協同等顯著優勢。既可以通過參數化的方式優化設計效率并提高設計質量，實現設計以及施工方案的直觀可視化；又可以將設計成果通過數字化、信息化的手段傳遞至施工、運維等工程環節，使項目參建方基于云端進行遠程實時、協同溝通。BIM技術的本質是信息化，桶式基礎防波堤結構屬于典型的預制裝配結構，具有模塊化、信息高度集成的特點。與傳統二維設計相比，采用基于BIM技術的桶式基礎結構設計方法有著巨大的優勢，本文針對BIM技術在桶式結構設計中的應用進行研究，主要包括BIM設計模型創建、設計模型擴展應用和桶式結構專用BIM設計軟件研發。

2.1 BIM設計模型創建

2.1.1三維地質基礎BIM模型創建

桶式基礎結構防波堤主要適用于淤泥質海岸，對基礎設計要求較高。采用BIM設計時應首先建立準確的基礎三維地形地質BIM模型，作為結構設計的依據。4區圍堤工程采用Civil 3D軟件，依據水深測圖和鉆孔數據，首先構建原始地形曲面，對斷層、褶皺等特殊構造進行處理；然后，建立地形曲面和地層曲面單元，自地表而下逐層建立三維地質體，整合生成最終的三維地質模型，見圖3。

圖3 桶式結構三維地形地質BIM設計

在Civil 3D內完成地質BIM模型創建之后，基于IFC標準將設計成果導入Revit平臺中，對三維地質體進行構件屬性完善，補充密度、內摩擦角等強度設計指標，供桶式基礎結構BIM設計使用。

2.1.2桶式結構BIM設計族庫創建

為了提高桶式結構BIM設計效率，在BIM設計模型創建之前，首先根據桶式結構的特點創建相應的族庫，桶式基礎結構BIM構件族庫的創建及應用是發揮BIM設計優勢的重點。4區圍堤工程桶式結構BIM構件基于Revit平臺創建，在對桶式結構各構件根據設計以及施工過程進行拆分之后，首先選擇常規模型作為族樣板，設置參照平面，定義原點與構件插入點，設置相應的幾何和非幾何參數，完成族文件創建后，根據項目族庫管理規定對創建的構件族進行入庫管理，見圖4。

2.1.3桶式結構BIM設計模型創建

圖4 桶式基礎結構BIM設計族庫

桶式結構屬于裝配式結構，對設計精度的要求較高，在桶式結構BIM設計的過程中應結合三維地質BIM成果進行聯動設計。桶式基礎結構BIM設計的過程主要采用搭積木的裝配理念，根據設計需要從族庫中調取構件、填寫參數，4區圍堤工程桶式結構防波堤BIM設計成果見圖5。

圖5 桶式結構防波堤BIM設計成果

為了確保桶式基礎結構全生命周期BIM信息的完整傳遞，桶式結構BIM設計過程中應補充并完善構件的形象編碼。依據桶式基礎結構的特點，BIM設計的構件編碼主要考慮項目名稱、構件特點、構件規格、空間定位等要素，以某下桶為例，構件編碼見圖6。

圖6 4區圍堤工程下桶ZD1001編碼

2.1.4BIM施工協調信息補充

桶式結構防波堤構件在現場實際安裝時受限于設備及自然條件等，往往會產生一定的施工偏差，施工偏差信息及引起的工程量變化情況難以反饋在BIM模型中。4區圍堤工程在設計階段基于Revit平臺對BIM設計交付成果進行分階段狀態設置，每個構件都包含設計與施工兩個狀態，施工狀態主要用于在施工階段對構件的施工安裝信息進行補充，記錄施工階段與設計階段桶身水平和垂向差異情況，見圖7。

2.2 BIM設計模型擴展應用

圖7 桶式結構BIM施工與設計階段差異分析(單位：mm)

2.2.1標準桶BIM配筋設計

桶式結構是一種特殊的異形水工結構，傳統的二維設計難以清楚地表達配筋設計方案，為充分發揮BIM可視化的優勢，4區圍堤工程對典型標準桶進行了BIM配筋設計。首先選取桶式基礎結構的典型標準桶，基于Revit軟件的結構鋼筋設計模塊進行BIM配筋設計，見圖8。針對異形復雜節點，采用多個剖面聯動的方式進行BIM鋼筋繪制。在曲面及漸變面處，利用Revit自動識別鋼筋保護層，自動對鋼筋形狀進行調整，達到最貼合桶式結構的形狀。在完成標準桶鋼筋BIM設計的基礎上，利用明細表自動統計功能，定制桶式結構鋼筋統計專用明細表(圖9)，對標準桶鋼筋工程量進行實時、自動、精確統計，有效提高了桶式結構配筋設計質量與效率。

圖8 4區圍堤工程標準桶BIM配筋

圖9 4區圍堤工程BIM構件明細

2.2.2BIM工程量統計

對于桶式基礎結構設計，不僅需要建立結構的BIM設計模型，還需要對桶式基礎結構各部分工程量進行詳細統計。4區圍堤工程采用BIM技術通過提取關鍵字對桶式結構各種需要的工程量進行了自動統計。

2.2.3BIM出圖

在完成桶式結構BIM設計的基礎上，4區圍堤工程采用BIM技術進行了自動出圖的研究，利用Revit圖框族的功能，根據制圖標準，制定專用圖框，建立相應的視圖，設置合適的比例，修改圖框屬性(編輯圖名、編號、比例、制圖人員等信息)，將視圖拖放至圖框內導出CAD二維圖紙，實現了基于BIM技術的4區圍堤工程整體施工圖繪制。

2.3 桶式結構BIM設計軟件研發

桶式基礎防波堤是一種新型的防波堤結構，筆者以BIM技術為依托，結合《水運工程桶式基礎結構應用技術規程》及相關行業配套規范，研發了桶式基礎防波堤專用BIM設計軟件。

軟件基于Revit平臺定制開發[4]，利用Revit API函數，實現了桶式基礎結構防波堤結構BIM快速設計。軟件分為設計建模與計算兩個模塊，主要功能包含鉆孔地質三維土層識別、標準桶設計與防波堤平面規劃、結構整體穩定和內力分析、統計表與報告書輸出、數據交互驗證等。功能框架見圖10。

圖10 桶式結構防波堤BIM設計軟件功能框架

桶式結構防波堤BIM設計軟件基于三維地層、標準桶、走道板、轉角桶等參數生成防波堤桶體BIM模型，通過平面關鍵角點坐標計算以及標準桶、銜接桶選型自動生成桶式基礎防波堤總體設計BIM模型，設計模型中可對單個桶的設計參數進行查閱及局部修改。完成BIM設計模型后，軟件將模型一鍵導入基于Revit格式的桶式結構專用空間計算模塊，設置荷載等計算條件，依據《桶式基礎結構設計規范》進行整體穩定及有限元內力分析，根據計算結果對結構進行設計調整，直至符合規范等設計要求，完成設計并導出桶式結構計算書，界面見圖11。

圖11 桶式結構防波堤BIM設計軟件界面

3 桶式結構施工BIM應用

在設計BIM成果的基礎上，4區圍堤工程結合BIM技術特有的可視化、信息化的優勢[5]以及桶式結構施工特點和需求，在施工階段開展了BIM專項應用研究，主要包括桶式結構防波防波堤工程BIM施工場布應用、施工可視化技術交底、施工進度信息管理、監測數據可視化動態關聯等，有效提高了桶式結構的施工安裝質量及效率。

3.1 BIM施工場布應用

4區圍堤工程共需完成226組桶式基礎結構的施工，工程規模大，工期緊，不同于常規的梁、板等預制構件，桶體結構外形特殊，個體體量較大，需要現場預制。4區圍堤工程預制廠分為預制構件生產區和輔助生產設施，包含綜合辦公樓、宿舍樓、砂石料堆場等輔助建筑物。4區圍堤工程施工階段首先根據桶式結構預制廠區的特點，在Revit軟件中進行可視化統籌布置、安排，使施工總平面布置能夠符合總體規劃，滿足現場生產的需要，保證桶式結構防波堤工程施工有序、安全開展。見圖12。

3.2 BIM施工進度模擬及管理

圖12 4區圍堤工程BIM施工場布應用

桶式基礎結構防波堤的施工進度分為預制廠生產進度和圓桶海上安裝進度，傳統的施工進度管理方法以二維甘特圖為主，難以滿足直觀可視化、數字化及信息化的管理要求，4區圍堤工程綜合考慮了桶式基礎結構施工現場預制、安裝各項實際情況，依托BIM技術對預制與安裝環節進行了可視化、信息化的進度管理。

3.2.1預制廠生產進度BIM管理

4區圍堤工程的桶體預制主要分為5次澆筑過程，在設計交付BIM成果的基礎上，對設計BIM模型進行施工階段的深化，通過編碼以及顏色，依據5次澆筑過程對模型進行細化和區分，從而依托模型對預制生產進度進行管理。首先根據預制流程對每個預制位、每種預制狀態編制對應的編碼，在Excel進度數據輸入端口給每個預制位上輸入該位置當天預制狀態所對應的編碼，基于Navisworks平臺導入BIM模型文件一一配對，即可顯示所有預制位上桶體的不同預制的狀態，見圖13。

圖13 預制進度BIM模型細化(單位：mm)

3.2.2海上安裝進度BIM管理

完成桶體結構預制后，在預制BIM深化模型的基礎上，采用擴充編碼的方式，對圓桶不同施工安裝階段的編碼進行進一步擴充，分為未施工、安裝、現澆、完工4個階段。通過記錄安裝位上不同的安裝狀態編碼和顏色，在Excel進度管理文件中對施工安裝狀態進行實時更新，數據導入Navisworks平臺，即可可視化展示并管理當前的實際施工安裝進度。

3.3 BIM可視化工藝模擬

桶式基礎結構的施工關鍵工藝節點主要有桶體預制工藝、圓桶出運工藝、圓桶海上安裝工藝，BIM可視化有助于更直觀地輔助桶式基礎結構施工。桶體預制的BIM工藝模擬重點展示桶式結構專業化預制技術和無底桶底模施工技術，模擬5次澆筑的分布；圓桶出運的BIM工藝模擬重點展示無底桶快速轉移技術和無底桶上船技術，表達桶體、臺座、半潛駁之間的相對運移關系，清晰展示在運輸過程中臺車及氣囊的運送場景；圓桶海上安裝的BIM工藝模擬重點展示桶體氣浮拖運、桶體負壓下沉技術，展示桶體由半潛駁出運至基槽、桶體沿基槽運至安裝位置、桶體在安裝位置下沉這3個關鍵過程中，半潛駁、起重船、定位駁、充氣船、工作平臺等船只設備間的相互配合狀態，見圖14。

圖14 4區圍堤工程BIM工藝模擬

3.4 監測數據可視化動態關聯

桶式基礎結構施工對桶體結構的安裝精度要求較高，4區圍堤工程在桶體結構的安裝過程中，將BIM技術與物聯網技術相結合，圓桶出運前在圓桶底部設立4個監測點，實時返回 GPS 坐標數據，將監測點的坐標數據與BIM構件關聯，收集安裝狀態數據，將監測數據反饋至模型，通過Navisworks平臺實現桶式基礎結構設計與實際安裝狀態的對比查看、偏差分析，見圖15。

圖15 BIM平臺對比查看安裝結果

4 結語

1)桶式基礎防波堤結構設計階段BIM應用主要包括模型創建以及基于BIM模型的擴展應用，其中BIM結構模型的創建應以三維地形地質BIM模型作為基礎，創建時應采用裝配式結構的設計理念，先建立或者完善桶式結構的設計族庫，再從庫中選取構件進行組裝。完成設計模型的創建之后，應補充并完善構件的形象編碼，并進行分階段狀態設置，便于施工階段補充施工協調信息。完成模型創建之后，可以基于BIM技術開展標準桶配筋設計、預制與現澆桶體構件的工程量統計、自動出圖等擴展應用。

2)桶式基礎防波堤結構BIM設計軟件的研發結合行業相關規范，包括建模與計算兩個模塊，實現桶體結構計算與設計一體化。

3)桶式基礎防波堤結構施工階段BIM應用結合桶式結構的施工特點與需求，基于BIM技術重點開展施工場布、施工進度信息管理、施工可視化工藝模擬、桶體安裝監測數據可視化動態關聯等方面的應用，有效提高桶式結構的施工安裝質量及效率。