BIM技術在某集裝箱碼頭設計中的應用

林陳安攀，陳良志，錢原銘

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

近年來，BIM（Building Information Modeling）一直是國內外工程建設領域的研究和應用熱點之一。BIM的概念自2002年由Autodesk公司推出Revit軟件引入中國以來，已逐漸被國內從業人員接受，并被較大范圍地運用到實際工程中[1]。

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[2]。通過使用BIM技術可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[3]。

建筑行業在BIM應用領域已經進入了成長期，水運建設行業要跟上時代發展的步伐，在BIM應用方面仍有大量工作要做[4]。本文通過在海外某新建集裝箱碼頭工程中的成功的實踐，探索出了從軟件選用、協同方法、設計流程、模型應用到數據交換等方面都行之有效的一整套港口工程BIM應用技術路線和解決方案。為港口工程的BIM設計提供借鑒。

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

海外某新建集裝箱碼頭工程總投資約2億美元，共建設2個7 000 TEU的集裝箱泊位和2個配套工作船泊位，采用高樁梁板式結構，岸線總長710 m；疏浚386萬m3，回填265萬m3，形成水域110 hm2、陸域27 hm2；建筑單體40余座，配套設施齊全。該碼頭設計吞吐能力為35萬TEU/年，建成后將是所在國第一座現代化集裝箱港口。總平面布置如圖1所示。

圖1 工程總平面布置

1.2 工程特點

1）本項目涉及總圖、裝卸工藝、水工、巖土、路場、電氣、給排水、控制、通導、儲運工藝、暖通、建筑、結構等十多個專業，設計過程中專業間提資、變更頻繁，因此對專業間的協同配合提出了很高的要求。而以點對點互傳文件為特征的傳統信息傳遞方式已無法滿足要求。

2）碼頭后方陸域場地面積大，建筑單體數量多，管線交織錯綜復雜。平面設計方法無法準確反應大場地各結構的相對空間關系，設計質量不易控制。傳統管綜模式工作量巨大，且錯漏碰缺的問題仍不可避免。

3）項目業主為法國公司，管理精細，有嚴格的審批流程，二維設計中平面、斷面的表達方式很難全面、清晰、直觀地將設計成果展示給業主，這將導致項目往復答疑次數增加，審批過程延長，嚴重影響設計進度。

因此，本項目采用BIM技術進行設計。

2 BIM設計技術路線

2.1 BIM軟件

目前，針對于不同行業、不同階段、不同用途的常用BIM軟件有數十甚至上百個之多，但大體可以分為兩大類：創建BIM模型的建模軟件和利用BIM模型的工具軟件[5]。模型作為BIM設計的主要成果和后續BIM應用的基礎，其創建方法和工具的選擇至關重要。現如今，主流的BIM軟件有歐特克（Autodesk）、奔特力（Bentley）和達索（Dassault）公司旗下的三大軟件系統，俗稱“ABC平臺”。達索的CATIA平臺源于機械設計制造領域，尚未完全順應工程建設行業特點，且軟件價格昂貴；奔特力的B平臺在工廠設計和基礎設施領域有一定的優勢，但同樣不菲的價格令很多公司望而卻步；歐特克的A平臺通過不斷地整合和發展，已實現了從最初的民用建筑到AEC全領域的覆蓋，并且憑借低廉的價格，占領了龐大的市場，成為了使用人數最多，覆蓋面最廣的系列軟件。本文選用Autodesk平臺，主要應用了Revit、Civil 3d、Vault、Navisworks、Infraworks、Inventor、Design Review等軟件。此外還輔助以Smart Plant 3d、Lumion、SketchUp等軟件進行特定模型的建模和效果展示。所應用的主要BIM軟件和用途如表1所示。

表1 本文所采用的BIM軟件

2.2 協同方法

1）協同模式

基于Autodesk平臺的BIM設計主要有工作集和模型鏈接2種協同模式[6]。工作集模式只有一個中心文件，通過借用編輯可實現雙向實時更新。但是該模式對硬件配置要求高，項目較大時，模型反應速度慢、穩定性差。此外，該模式只適用于Revit之間的協同。模型鏈接方式則相對簡單，適用范圍更廣。本項目規模大、專業廣、模型數量眾多、建模軟件多樣，為保證協同效率，采用動態鏈接的模式。

表2 協同模式對比

2）協同平臺

BIM協同設計需要一個公共數據環境（CDE）來實現數據信息在項目團隊成員之間的有效、及時傳遞和共享。Vault作為Autodesk系列軟件的數據管理平臺，與本項目選用的BIM建模軟件有良好的兼容性，特別是對Inventor和Civil 3d，可以實現模型零件級拆分共享，項目成員可以通過PC客戶端或內嵌在BIM和Office軟件中的接口程序直接訪問Vault服務器，方便數據的存取、鏈接。因此，本文選用Vault作為協同設計平臺，并將其部署在公有云服務器上，可實現跨區域協同。此外，本項目規定了具有各種權限的用戶角色，使得各專業權責界限明確，保證了數據在平臺中的安全、有序。Vault協同方式如圖2所示。

圖2 Vault協同

2.3 設計流程

本文的BIM設計與項目的設計同步推進，主要分為前期準備階段、基礎建模設計階段、模型應用階段和最終的交付等過程。如圖3所示。

在正式開始之前，BIM經理制定了清晰的BIM策略書，明確統一的BIM設計原則，作為各參與人員的基本操作準則。同時完成協同平臺的搭建，制作好項目樣板文件，統一項目的共享坐標，保證模型協同總裝的正確無誤。隨后，各專業利用BIM建模軟件，并通過與部分分析仿真計算軟件的聯動，完成BIM基礎建模設計，同時，開展定期的碰撞檢測完善設計。最后，各專業準確完整的設計模型經過總裝，呈現出項目的全貌，輔助設計交底和設計審查等。并對總裝模型進行全景漫游、施工模擬、VR展示等應用，豐富了BIM設計內容。

圖3 BIM設計流程

3 BIM設計

3.1 模型建立

1）Revit建模

我們先來看一個核心。 之所以要以季札觀周樂中對《唐風》的評價為核心，是因為第一，季札生活在春秋魯襄公的時代，對于《詩經》沒有隔膜。 第二，他是一位受過良好教育的貴族，具有極高文學藝術修養的人物。 第三，他對《詩經》全面的系統的評價，一直作為經典為歷代所學習、所接受。 因此，以其對《唐風》的評價為解讀的基點，就可以準確地把握晉國的傳統、特征以及人民的內心世界，而不至于走偏。

Revit是BIM體系中使用最廣泛的軟件之一，在建筑業領域有著無可爭辯的優勢。雖然軟件功能和設置主要迎合建筑設計，但其強大的族編輯功能仍能滿足港口工程中許多模型的創建。本文中的結構構件類模型例如碼頭結構、道路鋪面、建筑結構、碎石樁基礎、大部分管線等均選擇采用Revit進行BIM設計。主要設計流程如圖4所示。

圖4 Revit設計流程

Revit的設計過程較為程序化，創建好各構件族后，將其載入到項目中，以標高軸網作為定位參照，通過“搭積木”的方式便可完成模型的創建（以碼頭結構revit模型為例，如圖5所示）。隨后，從精確的模型中提取工程量、導出圖紙，很大程度上節省了統計和出圖的工作量。這其中的關鍵與核心是參數化族的創建，此為長期積累的工作，需要從公司而非某個項目的層面進行規劃和準備。該準備工作做得充足與否將直接決定著Revit建模的速度和精度（以本文的鋼管樁族為例，如圖6所示）。

圖5 碼頭結構Revit模型

圖6 鋼管樁族界面

2）Civil 3d建模

Civil 3d是一款面向基礎設施行業的BIM軟件，廣泛應用于勘察測繪、巖土工程、交通運輸、水利水電、市政給排水、城市規劃和總圖設計等眾多領域。此軟件除了具備AutoCAD的基本功能外，還提供了測量、三維地形處理、土方計算、場地規劃、道路和鐵路設計、地下管網設計等先進的專業設計工具。本文選用Civil 3d對與地形和土方相關的模型例如護岸、港池航道疏浚、陸域回填、三維地質、重力流管線等進行了BIM設計。主要設計應用流程如圖7所示。

圖7 Civil 3d設計流程

不同于Revit程序化的設計流程，不同的專業根據其需求通常只利用Civil 3d的部分功能，因而建模方法和步驟都各不相同。

勘察專業利用Civil 3d擴展應用地質巖土模塊Geotechnical Module創建三維地質[7]。將地質勘察軟件gINT導出的鉆孔信息制作成csv格式文件，并導入該模塊，便可自動生成帶有地理位置信息和地層信息的三維鉆孔柱狀圖，隨之生成地質曲面和實體，可用于創建地質剖面圖、分土質開挖算量等（如圖8所示）。

總圖專業的開挖回填主要通過Civil 3d的曲面、放坡等基本功能完成。

水工護岸為方便設計過程中的反復更改，選擇道路功能進行創建。創建之初，需根據護岸各層之間以及護岸與場地之間連接的邏輯關系，在SAC部件編輯器中完成橫斷面（如圖9所示），并導入Civil 3d中沿著路線和設計縱斷面生成護岸。

給排水專業的重力流管網選用Civil 3d的管網功能創建，該功能內置管道和結構零件族，并能實現與地形標高的關聯結合，通過管網平面，創建縱斷面圖，繼而可以非常方便地生成管網。

圖8 三維地質剖面

圖9 護岸斷面

3）其他建模

Revit和Civil 3d憑借其強大的功能，完成了本項目90%的建模工作。其余的模型由于有更專業和方便的建模軟件或者出于不同的用途，則選用其他工具。在港口工程中，輔建區的建筑單體和園林綠化設計通常在設計過程的后半段開展，而作為港區的“形象工程”，業主又經常希望盡早看到整體的效果，因此采用Sketch Up在前期進行快速的建筑外觀和綠化景觀設計。Smart Plant 3D在化工管道設計中有豐富的積累，因此本文的油工藝相關設備裝置采用該軟件完成。Inventor作為專注于機械設計的軟件，則適合本項目岸橋、RTG等港機設備的創建。

3.2 管線碰撞

港口工程既有建筑單體內的室內管線，也有室外地下預埋管線，管線眾多，管綜工作的好壞一直是決定設計質量高低的重要因素，而傳統的平面設計存在先天的缺陷，導致實際中碰撞現象不可避免。BIM技術可以把設計人員從繁瑣的碰撞檢查工作中解放出來，并且可以大大降低檢測時間、提高檢測精度。本文以精細準確的BIM模型為基礎，選用Navisworks開展專業內自檢、專業間共檢的兩級檢測以更有效地完成整個項目的管線綜合工作。在各自專業完成內部管線自檢零碰撞后，將所有管線總裝在一個模型中，進行專業間的檢查（如圖10所示）。通過選擇不同的碰撞類型和設定不同的公差，保證構件間距滿足設計要求。

圖10 碰撞檢查

3.3 模型應用

對于設計創建完成的BIM模型，可以進行很多的應用，使得BIM設計成果的效益最大化。由于三維可視化的特點，在設計交底和設計審查審批時可以用三維模型輔助展示，解除溝通障礙。本項目提交管線設計圖紙時，同時提交了以截圖和視頻展示的對應的管線節點，大大加快了圖紙審批的進程。利用Lumion進行模型渲染，采用手機端輕量化BIM技術應用，將項目的整體模型進行處理，形成云端輕量化VR模型，并制作二維碼，通過掃描二維碼的方式直接查看項目三維模型，起到了很好的宣傳展示效果（圖11）。此外利用Navisworks進行施工模擬，結合3d打印技術將虛擬模型直接打印成實體模型等，都極大豐富了BIM的應用。

圖11 項目BIM渲染效果

3.4 數據交換

不同于二維設計時代一款cad軟件可以解決絕大部分設計問題，每款BIM軟件都有其應用范圍和局限性，BIM設計工作需要多款軟件聯合開展。軟件的互導、模型的互用成為BIM應用中的一大問題。通過不斷的探索和研究，本文對項目中各軟件之間的數據交換進行了總結，如表3所示。

表3 數據交換格式

4 結 語

本工程的BIM設計探索出了從軟件選用、設計流程到數據交換等方面都行之有效的一整套BIM應用技術路線和解決方案。

1）選用以歐特克平臺為基礎的BIM軟件，很好地實現了BIM設計的各項功能：采用Revit創建結構構件類模型、Civil 3d創建與地形和土方相關的模型，并輔之于Inventor、Smart Plant 3D和Sketch Up完成項目所有模型的創建；采用Vault作為協同平臺、Navisworks作為碰撞檢測工具、Lumion作為效果表現軟件。

2）對BIM設計的整體流程以及采用的BIM軟件的建模流程進行了梳理：BIM設計一般包含前期準備階段、基礎建模設計階段、模型應用階段和最終的交付等過程；Revit建模流程較為程序化，而Civil 3d則根據功能和建模內容的不同各不相同。

3）對BIM設計過程中所涉及軟件之間的互導問題進行了探索、實踐。利用總結出的中間格式可成功實現了不同數據之間的交換。