建筑信息模型(BIM)在海洋工程結構設計中的應用研究

陶敬華 遠 方 賈 瑛

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072;2.天津市市政設計院，天津 300051)

建筑信息模型(BIM)在海洋工程結構設計中的應用研究

陶敬華 遠 方 賈 瑛

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072;2.天津市市政設計院，天津 300051)

根據目前我國海洋工程領域的信息化現狀，提出在設計、施工、運營維護階段應用BIM技術(建筑信息模型)實施BLM系統(建筑工程生命周期管理)的構想，從而更快地提高企業核心競爭力。并針對海洋油氣開發的特點和結構設計階段的問題，提出了由Revit(前處理)到SACS(結構設計計算)，再到Revit(后處理)的BIM技術具體實施方法，采用該方法可為企業帶來巨大的經濟效益，并為后期的施工、運營維護階段應用BIM技術定下了基調。

結構設計;建筑信息模型(BIM);建設工程生命周期管理(BLM);海洋工程

1 引言

中國海洋石油總公司在信息化建設規劃中提出:實施企業資源計劃(ERP)、決策支持(DDS)、客戶管理(CRM)、供應鏈管理(SCM)和產業鏈協同功能等在內的集成管理信息系統［1］。實施 ERP、CRM、SCM等系統固然重要，但是實施類似制造業產品生命周期管理PLM系統的建筑生命周期管理BLM系統，即實現海洋油氣田的規劃、設計、施工、運營、改造、廢棄全生命周期管理系統，更能提高公司的核心競爭優勢，更有利于公司降低成本、提高效率、保證質量［2］。實施BLM系統的關鍵技術是構建建筑信息模型技術，BIM技術既可以實現建筑信息模型的構建，又可以對BLM系統實施的方法和過程提供有效的保證［2-3］;實施BLM系統的關鍵階段在于海洋工程中的規劃設計階段，即在工程初始階段應用BIM技術，確保工程質量，降低工程成本，縮短工程周期［4-6］。

當前關于BIM技術和BLM理念在海洋工程結構設計中的應用，由于缺乏統一的思想支持，國內的相關公司和科研部門所進行的研究和實踐還處于局部應用階段。主要有在結構施工階段運用BIM技術進行沖突干涉檢查［7］;在結構設計階段的配管設計中運用BIM技術與機械專業的沖突干涉檢查［8-9］;并行工程思想在油氣開發中的應用［10-11］;構建三維數字化的平臺信息模型，實現生命周期管理的研究等［12-14］。

2 海洋平臺結構設計現狀分析

海洋油氣田開發流程一般為ODP編制、設計、結構施工、鉆井施工、安裝調試設備、投產運營6個階段。

2.1 海洋平臺結構設計中的特點

(1)ODP編制階段方案多

ODP編制階段又叫概念設計階段，即工程的規劃階段。在ODP編制階段，海洋工程的結構形式根據工藝、機械、電氣、儀表、鉆井、地質等其他專業的要求確定，主要影響因素有:平臺結構的功能(采油、鉆井、綜合)要求、海洋的氣候環境(海浪、風、海流、潮位、地震等)限制、工程地質狀況、施工場所布置、施工機具的能力等。設計出最優化的結構形式，來滿足平臺的生產需求、保證平臺安全、減少平臺的投資，需要在ODP編制階段科學的制定多套開發方案，進行經濟、施工等多指標的對比，確定最優開發方案。

(2)ODP編制和設計階段涉及專業多

結構專業與工程中的多數專業都有著密切的聯系，既要接受總圖、工藝、地質、機電儀、鉆井和環境等專業資料，又要向經濟專業提供資料，并向總圖專業、工藝、機電儀等專業反饋資料。在設計過程中與其他專業協作，避免專業間的沖突(如結構與配管、工藝、機械等專業)，是海洋工程設計中的一大難題。

(3)ODP編制和設計階段變更多

海洋工程結構設計可變性比較大，由于各種因素的影響，設計變更是經常的和不可避免的。主要有因水深變化增加導致平臺結構設計變更，因地質鉆孔資料導致樁基和導管架變更，因地震加速度變化增加導致結構變更，因上部布置和重量改變導致結構變更，因施工方案改變導致結構變更等。

2.2 海洋平臺結構設計中的問題

目前我國在海洋平臺設計中使用最多的軟件是Autodesk公司的AutoCAD，還處于傳統的二維的設計模式。CAD技術的普及大大提高了設計效率，降低了設計錯誤的發生，但是這種設計方式已經很難滿足迅猛發展的海洋工程的設計需求，主要表現在［14］:

(1)工作效率低

在現在的平臺設計過程中，設計人員必須將平臺的三維結構構思好，再用線條繪制表達二維圖形，加上各種尺寸標注，工作量大而且繁瑣，無法將精力完全集中在平臺結構的優化設計和創造性構思上。

(2)可視化差，交流困難

與業主交換平臺設計構想時無法形象化的反映平臺全貌，信息交流困難。

(3)設計差錯難免

海洋平臺的建造規模大，耗資大，在實際工程中必須要減少出錯的可能，但在實際建造中，由于工程復雜，會出現許多設計過程中預料不到的問題，常常會引起工程返工、延期，造成不必要的損失。

(4)設計變更修改困難

設計圖紙在送審、建造過程中，會發生變動和調整，需要對圖紙進行修改和補充，無數據庫支持的設計工作需要對圖形重新繪制，重新標注，大大降低了工作效率。

(5)資料信息管理困難

設計過程中需要的大量原始數據和規范等依靠手工查詢，對龐雜的工程數據管理方法也比較落后，沒有統一的管理系統，大量的電子圖紙和文檔散落在個別設計人員中，對它們有效的管理變得十分困難。這樣的方法雖然能滿足實際的工程應用，但使用效率很低，給設計人員增加了很多工作量，而且數據的出錯率大大增加，數據的一致性和設計質量得不到保證。

(6)版本控制困難

一項設計任務從設計到校對、審核、審定等要經過多個環節，工程圖紙、設計文檔等需要多次修改，會產生許多中間版本，并且每個設計人員的圖紙也時有版本混淆等問題，由于沒有輔助性的管理軟件，所以進行嚴格的版本控制比較困難。

3 BIM技術

3.1 BIM技術概述

BIM技術將建筑工程項目中的單一構件或物體作為基本元素，將描述基本元素的幾何數據、物理特性、施工要求、價格資料等相關信息有機地組織起來，形成一個數據化的建筑模型，作為整個建筑工程項目的數據資料庫。這些圍繞建筑物構件或物體組織起來的數據不僅只是簡單地反映了建筑元素的幾何特征、物理屬性等特性，相互之間還保持著作為建筑整體一部分的空間關系和邏輯關系，作為虛擬空間的數字化建筑物，形成了完整的、有層次的信息系統。

BIM具有承載各種信息的能力，整個建筑相關的信息和一整套設計文檔存儲在集成數據庫中，所有信息都已數字化，完全相互關聯，可以在BIM上構建各個專業協同工作的平臺。這不但消除了以前各個專業設計軟件互不兼容、溝通渠道不暢的現象，還實現了各專業的信息共享及有效管理。

在工程項目全生命周期中(決策、設計、施工、運營、管理、拆除后再利用等階段)，各個專業可以根據自己的需要在BIM中提取自己所需要的數據，來完成各自的決策、分析設計、管理等目的。同時從BIM中獲取信息時，也不斷地把本專業創建的信息加入到BIM中去，以提供給其它專業使用。如此使工程中各參與人員通過BIM緊密地聯系在一起，實現了協同工作的目的。

3.2 海洋平臺結構設計中需要BIM技術

將BIM技術引入海洋平臺結構設計，上述二維設計模式中所遇到的難題，如工作效率低、可視化差，交流困難、設計差錯難免、設計變更修改困難、資料信息管理困難、版本控制困難等可迎刃而解。同時考慮到海洋平臺結構設計的特點(諸如ODP編制階段方案多、ODP編制和設計階段涉及專業多、ODP編制和設計階段變更多)，應用BIM技術還可以更好地協調各專業，最大程度地避免施工階段的變更，真正做到降低成本，提高生產效率，縮短開發周期。

結構設計是工程設計的初始階段，在此引入BIM技術對于實施BLM具有重要意義。同時在施工階段、投產運營階段、維修評估階段利用信息并補充信息到信息模型中，實現平臺信息的創建、共享和交流，即實施BLM系統，將提高海洋油氣開發的效率和質量，降低工程成本，使企業充分利用信息化技術來提高企業競爭力。

4 BIM技術的實施

4.1 結構設計中實施BIM的技術方案

海洋平臺結構設計階段中引入BIM技術，主要是實現建筑信息模型的創建，但同時實現部分的信息共享和交流。具體的實施方案為:

應用Autodesk公司的基于BIM技術的軟件Revit，在(預)可行性研究和ODP編制、設計階段構建結構專業的建筑信息模型BIM，同時采用美國EDI公司的海洋平臺結構設計軟件SACS進行設計。由于SACS不支持IFC國際標準，因此采用微軟公司的Microsoft Visual Studio 2005中的VB.NET語言對Revit進行二次開發，完成兩者的兼容性。由此實現CAD到CAE的自動化，即Revit(前處理)——SACS(設計計算)——Revit(后處理)，這樣可以極大地發揮BIM的優勢，實現自動化設計。具體的實施方案如圖1。

圖1 BIM技術在海洋工程結構設計中的實施方案

圖2 BIM技術應用到工程生命周期的實施方案

4.2 在油氣開發工程中實施BLM方案

BIM技術應用在海洋石油平臺開發過程的各個階段，形成工程項目的全生命周期管理系統BLM，在(預)可行性研究和ODP編制、設計階段就開始構建建筑信息模型BIM，并與后期的施工、調試、運行相互共享信息。

應用Autodesk公司的協同管理軟件Autodesk Buzzsaw構建建筑信息模型BIM的信息交流和共享平臺，可以實現項目的協作管理，包括文檔管理、設計管理、圖層和參照管理、運營管理，如圖2。

5 實例演示

首先應用Revit設計軟件創建結構的BIM初步模型，然后將模型信息傳入海洋平臺結構設計軟件SACS中，通過計算分析確定各部分構件截面尺寸，并將分析結果傳回Revit系統，見圖3。Revit系統中的結構模型包含了結構各種物理幾何信息，可根據需要在設計的不同階段提供設計方案。圖4為ODP編制階段的工程圖，圖5為基本設計階段的工程圖，圖6為結構工程料單統計。Revit中生成的二維圖紙可以方便地以AutoCAD格式輸出。

6 結論與展望

信息技術革命正在猛烈地沖擊著社會的各個領域，給社會文明帶來飛速的發展。實施ERP、CRM、SCM等系統實現企業管理的信息化固然提高企業的競爭力，但是實施BLM系統實施海洋油氣開發工程全過程的生命周期管理更能提高企業的核心競爭優勢，更有利于企業降低成本、提高效率、保證質量。

圖3 結構在SACS(左)和Revit(右)中的三維可視化模型

在海洋工程中的設計階段應用BIM技術不僅可以解決目前二維設計模式中遇到的難題，而且針對海洋油氣開發中的特點，可以更好地協調各個專業，避免工程施工階段的變更，真正降低開發成本，縮短開發周期。

由于中國海洋工程領域的行業割據比工業與民用建筑業的要小，因此開發設計階段各個專業實施BIM技術的行業障礙比較小，同時在施工階段、運營維護階段實施BIM技術的難度比較低。

目前在海洋工程領域實施BIM技術還處在初級階段，本文通過在結構設計階段實施BIM技術，展示了實施BIM技術所帶來的巨大效益，希望能對在海洋油氣開發工程中BIM技術的推廣和實施提供參考。

圖6 結構工程料單統計

［1］www.cnooc.com.cn(中國海洋石油總公司).

［2］朱戰備.產品生命周期管理為企業創實效，www.amt.com.cn/upload/2007_06/07062512115464.doc.

［3］李永奎.建設工程生命周期信息管理(BLM)的理論與實現方法研究:［博士學位論文］，上海;同濟大學，2007.

［4］朱戰備.產品生命周期管理產生的背景，http://www.amteam.org/k/PLM/2003-9/470181.html.

［5］the Architectural/Engineering Productivity Committee of The Construction Users Roundtable(CURT)，Collaboration，Integrated Information and the Project Lifecycle in BuildingDesign，Construction and Operation.2004.

［6］NIBS National BIMStandard Project Committee，http://cic.vtt.fi/projects/vbe-net/data/BIM_Slide_Show.pdf，2006.

［7］倪紅雨.從二維到三維，機械制造，2007，515(45):73-76.

［8］張益公.AutoPLANT3D在海洋石油工程設計中的應用，工程設計CAD 與智能建筑，2001，5:23-26.

［9］張益公.三維CAD技術在海洋石油工程設計中的應用，中國造船，2003，44(2):96-99.

［10］向守安.平行工程與海洋石油平臺的設計和建造，中國海上油氣(工程)，1999，11(1):57-59.

［11］向守安.再論平行工程與海洋石油平臺的設計和建造，中國海上油氣(工程)，2002，14(2):48-50.

［12］楊樹耕，陳越等.海洋平臺工程數據庫與三維實體建模技術研究，船舶工程，2003，25(5):11-14.

［13］周愫承，奚立康等.船舶及海洋平臺三維實體造型數據庫的構筑，船舶工業技術經濟信息，2001，191(3):36-39.

［14］陳越.海洋平臺三維建模CAD系統的開發研究:［碩士學位論文］，天津;天津大學，2003.

The Study of the Application of BIMTechnology in the Structural Design of Marine Engineering

Tao Jinghua1，Yuan Fang1，Jia Ying2

(1.College of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China;
2.Tianjin Municipal Engineering Design of Research Institute，Tianjin300051，China)

According to the status of marine engineering's informatization in China，this paper puts forward application of BLM(Building Lifecycle Management)which can improve the core competitiveness of an enterprise by applying BIM(Building Information Modeling)in design，construction，operation maintenance phase of a project.In the light of the characteristics of marine oil and gas development and the problems of structural design phase，this paper puts forward a new automatic design approach that applying BIMtechnology to the structural design realize the Revit(Pre-treatment)-SACS(structural design and calculation)-Revit(after-treatment)process，which could bring huge economic benefits and set the tone for the implementation of BIMtechnology in the latter construction，operation maintenance phase.

Structural Design;Building Information Modeling(BIM);Building Lifecycle Management(BLM);Marine Engineering

P752;TU311.41

A

1674－7461(2011)01－0021－05

遠方(1963－)，男，副教授，主要從事結構工程計算機輔助設計教學和研究工作。E-mail:yyuanffang@126.com