深水航道BIM設計成果交付平臺研發與應用

駱 樂,王 飛,沈雪松，馬興華

(1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇 連云港 222042)

BIM(building information modeling)技術[1]由Autodesk公司在2002年率先提出，現已在全球范圍內得到業界廣泛認可，已從單一的繪圖工具，發展成為跨學科、多領域的綜合應用體系。BIM作為一種數字化的表達方式，不僅可以連接不同階段各個環節的數據，而且能對工程對象進行詳細完整的描述，所以被工程各參與體廣泛接受與應用[2]。

現階段，深水航道工程BIM技術應用主要體現在三維瀏覽、渲染動畫等視覺輔助領域，其延伸價值不足。創建模型方(一般指設計院)使用軟件各異，導致模型接收方(建設管理方)難以統一多源數據；各專業模型中附帶的關鍵信息難以被提取，更無法應用。通過無差別化的BIM平臺[3]可基本解決上述問題，既能高效整合BIM模型、提高溝通效率，又可通過數據流轉實現全流程應用。

目前，已有多家軟件廠商的BIM平臺上線并可供選購，但它們均偏重于成熟度較高的建筑行業，平臺技術與專業應用場景也更匹配建筑特征，無法適應深水航道及類似工程。該類工程屬基礎設施領域，具有典型的“大場景+小構件”特性，如：建模內容既包含長達數十公里的航道開挖場景，又有僅幾米高的航標、水文站等。懸殊的模型體量是該類工程的特點和難點。因此，需要建立一套體現深水航道專業特色的BIM設計成果交付平臺，以解決專業模型和信息等應用難點，推動深水航道專業BIM全流程應用。

1 深水航道BIM設計成果交付平臺的技術特點

現階段，BIM設計成果在交付中和交付后面臨3個問題。

1)難以查看。即查看BIM交付成果時必須使用專業軟件進行操作，這對接收方的專業技能要求較高。項目的負責人和建設方若未經過培訓，很難及時了解設計成果。

2)難以管理。即多專業模型過于分散造成的管理困難。多專業設計人員通常采用各自領域相對獨立的BIM軟件所生成的成果進行交付，而并未在前期進行模型格式統一的約定，因此會導致各子專業成果即使完成了所謂交付，接收者也很難將其做整體融合和把控。

3)難以使用。即BIM信息難以被深入挖掘和利用。BIM模型雖然一直強調其核心內容信息的重要性，但每個專業由于信息規則和應用場景各異，使專業信息利用低效，BIM模型難以發揮延伸作用。

針對上述問題而搭建的BIM設計成果交付平臺是有效的解決方案。平臺結合深水航道“多專業、大場景、小構件”等特點進行設計，使其不僅能夠統一多源BIM模型進行場景整合，又能針對各專業特性，提取、展示、應用相關數據信息，真正體現BIM數模的價值。也為今后基于模型的施工管控、運維監測監控打下必要的基礎。

2 平臺研發

2.1 研發內容

要建立一套深水航道領域BIM設計成果交付平臺(圖1)，需從以下幾方面開展工作：1)模型標準化，建立統一的建模和信息賦值編碼規范；2)模型輕量化，既是平臺能夠融合不同建模軟件數據的基礎，也是大體量模型自由加載的核心技術。3)平臺專業化，針對深水航道的特點，開發符合各專業特性的平臺。

圖1 平臺開發架構

2.2 BIM模型標準化

2.2.1幾何信息標準化

為不同來源的(如Autodesk、Bentley、CATIA等軟件)BIM模型設定統一的建模標準與建模精度要求，以便后期標準化導入交付平臺。以“模型精度等級(LOD-Level of Detail)”來定義BIM模型中建筑物或構件元素的精度高低。一般將工程各階段(如工可、初設、施工圖階段等)與LOD對應以規范模型細度,深水航道部分階段各專業BIM模型等級見表1。

表1 模型交付內容細度等級

同時，各專業在創建模型時應采用相同的長度單位，以統一模型尺寸；除此之外，還須統一地理坐標系統，如：84坐標系、2000坐標系等，以準確融合BIM模型與GIS地理信息。

2.2.2專業信息標準化

模型的屬性信息是三維模型外最有價值的部分，但各專業的信息類別迥異，因此須制定每個專業專有的信息化列表。深水航道工程主要包括航道、航標、疏浚、水文站等專業(表2)。

表2 航標專業標準化信息列表

2.2.3BIM編碼標準化

BIM編碼是模型互相傳遞的基礎，針對深水航道特性，各專業編碼將參考現行的GBT 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標準》[4]。

編碼結構包括表代碼、大類代碼、中類代碼、小類代碼、細類代碼和末類代碼，各級代碼應采用2位阿拉伯數字表示。編碼結構如圖2所示。

圖2 編碼結構

2.3 BIM模型輕量化

BIM模型輕量化一般通過刪除BIM模型中的大量參數化建模信息，提取并優化幾何與物理信息，以達到大幅壓縮原始BIM模型的目的。再利用基于HTMLWebGL技術對三維模型在網頁端進行還原和渲染，實現BIM模型輕量化Web瀏覽。用戶可直接通過瀏覽器查看模型，無須安裝軟件環境或插件。優秀的輕量化處理應具備支持數據格式多、轉換速度快、結果錯誤率低、信息保留完整等特征(圖3)。

圖3 BIM輕量化原理

輕量化處理不僅解決了模型創建方數據源不統一的問題，使用者也不必具備和學習過多的軟件操作技能，對硬件設備的需求大幅降低。

2.4 BIM平臺專業化

2.4.1基本要求

1)私有云服務器。私有云是為指定客戶單獨使用而構建，可提供對數據、安全性和服務質量的最有效控制。平臺以信息安全體系和BIM標準規范為依據，在企業網絡技術的安全體系下部署私有云服務器，可使設計成果安全地存儲和與外部交流。

2)輕量化引擎選型。輕量化引擎是平臺可視化部分的核心技術，用于在網頁端繪制輕量化處理后的BIM模型。其性能的優劣將直接影響平臺的運行效果，故最終的選型須滿足如下條件：①支持網頁端瀏覽且用戶無須安裝插件；②適應基礎設施大范圍模型體量的特性；③支持多種BIM數據格式；④可滿足私有云部署等。

3)數據庫選型及部署。根據數據類型和內容方式，選擇關系型數據對數據進行存儲，并制定定期的數據備份方案。

4)網絡及安全。根據項目體量選擇適合的服務器、防火墻、路由器、負載均衡等硬件保護措施。

2.4.2平臺架構

1)技術開發。采用3層技術框架與數據庫技術進行數據交互，即前端頁面顯示層、中間數據應用層以及數據存儲層，具備一定的靈活性與穩定性。平臺架構見圖4。

2)功能模塊設計。平臺主要由前端應用系統和后臺管理系統組成。前端應用主要包含為用戶使用而設計的各項功能模塊，如項目維護、BIM模型發布、成員管理、文件管理、權限管理、可視化展示、模型討論等；后臺主要進行多項目管理、用戶權限配置和維護的操作。

圖4 架構設計

3 工程應用

研發成果已應用于連云港港30萬噸級航道二期工程建設。該工程航道總長約77.8 km，其中外航道外段35.6 km、內段17.3 km、徐圩航道24.9 km，包含航標73個，鉆孔276個，錨地和傾倒區各7個。

3.1 BIM模型

按該項目中包含的航道、航標、地質等專業分別搭建了相應的BIM模型，并針對各專業特征做了功能定制。

航道與建筑工程不同，屬于基礎設施長線型工程。因此定制了符合長線型工程的平、縱、橫關聯功能，以供用戶更為便捷地動態一體化查詢，見圖5a)。例如，根據樁號查詢工程模型剖面，并在BIM模型中進行剖面定位的功能。

航標BIM模型中定制插入了專業信息，如顏色、性質、燈質等，見圖5b)。

地質鉆孔模型按照土質等級進行顏色分類，并插入頂高程、底高程等信息項，見圖5c)。

除了單獨展示各專業模型外，平臺還實現了多源數據融合(包括航道、航標、地質、GIS等相關專業)，將所有模型整合于一個場景，便于直觀查看與討論，見圖5d)。

圖5 BIM專業模型

3.2 交互討論

不論在成果交付之前還是交付過程中，討論是必要的環節。原則上沒有確認過的模型不可交付。平臺中的模型討論功能，不僅能發起討論，還能及時進行回復、提醒。討論內容會直接引用保存的視角以及展示討論筆記，為達到交付要求加快了速度(圖6)。

圖6 交互討論區界面

3.3 應用小結

該平臺在此工程項目中的應用，不僅能夠使建設方完整、快速地查看到設計方提交的BIM設計成果，更能從中充分獲取與深水航道各專業相關的數據信息，建設方還可基于此開展后續的航道施工管控及運維，體現了BIM技術的應用價值。

4 結論與展望

1)針對深水航道的“多專業、大場景、小構件”特征，從模型標準化、模型輕量化、平臺專業化3方面入手，開發對應的BIM設計成果交付平臺。

2)深水航道BIM設計成果交付平臺可統一各種模型數據源，定制化展示航道、航標、地質等各專業特征，并能完成多源數據融合。

3)本項目已應用于連云港港30萬噸級航道二期工程，并取得良好效果，對同類工程具有示范和參考意義。