BIM 在海外某港口疏浚工程中的應用

黃 智， 楊 彪

(1. 中國港灣工程有限責任公司， 北京100027；2. 中交第四航務工程勘察設計院有限公司， 廣東 廣州510230)

隨著“一帶一路” 倡議的不斷推進， 海外工程項目的競爭越來越激烈， 如何精細化地進行工程設計很大程度上決定了項目的競爭力。 應用BIM 技術可以提高工程設計的質量和效率， 有效控制成本和工期， 輔助項目管理和運維， 在工程建設的全生命周期內發揮關鍵作用[1]。

目前， 國內外BIM 發展水平不平衡， 歐美國家BIM 技術應用水平相對較高， 在2010 年前后，歐洲就有近半數的建筑師使用過BIM， 甚至達到專家水平[2]。 近年來， BIM 技術在中國制造業與建筑業的應用較為廣泛且成熟， 而在水運交通行業的應用相對落后， 但近幾年也得到了迅猛發展[3]。 隨著BIM 技術在水運行業應用的日漸普及，港口工程設計的精細化程度越來越高， 設計方案更加優化， 相關的工程量報價也更加準確， 大大提高了項目的競爭力。

港口疏浚工程屬于大型土方類工程項目，Civil 3D 軟件是Autodesk 公司推出的一款針對土木工程道路和土石方的BIM 解決方案[4-5]， 利用該軟件可以創建港口疏浚模型， 并快速生成施工圖紙，精確計算疏浚工程量[6]。 同時， 利用該軟件的地質模塊創建三維地質模型， 可以實現疏浚量按照土質分類進行精細化計算， 為施工設備選型和工程造價估算提供依據。 此外， 通過軟件圖形樣板的制定， 可以保證圖紙成果的標準化， 大大提高了出圖效率和圖紙表達的準確性。

1 項目概況

工程位于非洲某區域， 主要建設1 個7 萬噸級和1 個10 萬噸級集裝箱泊位， 碼頭總長715.5 m，采用重力式沉箱結構。 碼頭前沿設計底高程為-16.0 m， 港池和航道的設計高程為-15.5 m，回旋水域半徑為692 m， 航道寬度為200 m。 疏浚工程范圍主要包括停泊水域、 港池、 航道及碼頭基槽。 工程位置地質大致分為3 層， 自上而下依次為標貫0 ～15 擊的砂型黏土、 標貫15 ～50 擊的礫質黏土、 標貫50 ～300 擊的高風化片麻巖。圖1、 2分別為工程平面圖和碼頭典型斷面。

圖1 工程平面圖

圖2 碼頭典型斷面(高程: m； 尺寸: mm)

2 BIM 應用思路

Civil 3D 軟件強大的三維建模和地形處理功能可以實現疏浚工程的BIM 應用， 進而達到精細化設計的目的， 基于Civil 3D 的疏浚工程BIM 應用思路見圖3。 首先， 基于現場測量數據生成地形模型， 基于地勘鉆孔數據生成三維地質模型； 然后，基于地形模型和地質模型， 根據設計方案創建三維精細化疏浚模型； 最后， 由疏浚模型輸出設計成果， 包括施工圖紙、 工程量、 三維實體模型等。

圖3 基于Civil 3D 的疏浚工程BIM 應用思路

3 BIM 疏浚設計方法

3.1 創建三維地質模型

本工程疏浚區域包含28 個地勘鉆孔， 鉆孔平面分布范圍未能包含整體疏浚區域， 假設將鉆孔土層水平向外拓展生成虛擬鉆孔(15 個)， 以保證疏浚區域地質模型的完整性。 疏浚范圍土層分布連續， 結合各鉆孔的土層高程信息， 疏浚土體包含砂型黏土和礫質黏土2 類。

利用軟件地質模塊(geotechnical module)新建本工程地質模型數據庫， 導入地質鉆孔信息數據， 分別是Location Details 和Field Geological Descriptions 2 個csv 格式文件， 其中Location Details 文件中包含鉆孔編號、 類型、 坐標、 孔口高程及鉆孔深度，Field Geological Descriptions 文件中包含每個鉆孔的土層名稱及厚度信息[7]。

地勘數據導入后， 利用地層(strata)功能可快速生成每種土體的頂部和底部地層曲面， 檢查地層曲面間是否有交叉現象， 若有則須進一步處理。同時， 利用曲面間提取實體功能可以將每層土體提取三維實體模型， 增強地質模型的可視化效果，使顯示更加直觀， 見圖4。

圖4 三維地質模型

3.2 創建疏浚模型

本工程測量數據保存為包含坐標和高程信息的點文本格式， 在Civil 3D 軟件中新建三角網曲面， 導入測量點文件生成原始地形曲面模型。 精準的地形曲面是疏浚建模的基礎， 也是快速出圖和精確算量的基本保障， 故應仔細檢查曲面的準確性， 刪除測量數據中的錯誤高程點， 從而提高建模精度。 同時， 由于鉆孔間距較大， 三維地質模型頂部曲面精度遠小于由測量數據生成的地形曲面， 所以在疏浚建模時， 應使用地形曲面替代地質模型的頂面， 即砂型黏土層的頂部曲面。

根據設計方案確定疏浚邊界及高程， 并分析不同高程之間的過渡關系。 設計中的水域疏浚邊界通常是直線連接， 而考慮到實際地形的高程變化， 如原始地形低于設計高程， 則該位置并不需要進行疏浚， 此時應從地形曲面提取相應高程的等高線， 作為該處的設計邊界， 從而保證疏浚邊界的準確性。 從具有高程信息的疏浚邊界創建要素線， 利用軟件的放坡功能， 根據設計坡度向地形曲面作開挖放坡， 同時生成疏浚邊坡曲面。 對于要素線閉合范圍內的區域， 可以通過創建放坡填充功能直接生成放坡曲面。 疏浚曲面創建完成后， 可以與原始地形進行組合， 生成疏浚后的地形曲面， 同時可以對曲面進行高程分析， 增強可視化效果， 見圖5。

圖5 疏浚模型

3.3 生成疏浚施工圖

利用Civil 3D 軟件快速生成滿足施工標準的疏浚圖紙， 包括平面圖和斷面圖(圖6)。 通過疏浚模型快速獲取疏浚邊坡與原始地形的交線， 將該交線作為疏浚平面圖邊界范圍線。 與傳統方法繪制的平面圖相比， 具有更加真實準確的特點。 同時可以通過制定放坡樣式自動生成示坡線， 提高作圖效率。

圖6 疏浚斷面

基于疏浚模型可以在任意位置快速生成疏浚斷面圖， 且斷面圖與模型具有動態關聯的特點，模型更新則斷面圖自動更新。 在擬生成斷面圖的位置創建路線， 利用軟件的創建曲面縱斷面功能生成縱斷面圖， 并結合三維地質模型， 將地形曲面、 地層曲面及疏浚曲面同時反映在一個斷面圖中， 使斷面圖信息更加完整。

根據本項目出圖標準創建定制化的圖形樣板，使設計成果輸出格式標準化， 并大大提高了出圖效率。 通過制定縱斷面圖樣式可以自動生成圖名、橫縱軸信息以及地層斷面和開挖范圍的填充等，并可通過調整橫縱比例使斷面圖顯示更加美觀。同時， 可以利用標準化的縱斷面標簽對圖紙進行標注， 如坡度、 高程等信息。

3.4 計算疏浚工程量

根據疏浚土的類型， 應用BIM 技術進行精細化的工程量計算。 基于疏浚模型和三維地質模型，通過軟件的體積面板工具， 利用疏浚曲面和礫質黏土頂面計算出礫質黏土的疏浚量， 利用疏浚曲面和地形曲面計算出疏浚總量， 二者之差便是表層砂型黏土的疏浚量。

通過模型計算可知， 表層砂型黏土的疏浚量為165.80 萬m3， 礫質黏土的疏浚量為190.40 萬m3，總疏浚量為356.20 萬m3。 根據土體特性及疏浚工程量， 采用水下松動爆破和小抓斗清淤相結合的疏浚方式， 并合理編排施工工序及調遣施工設備，大大節省了工程造價。

此外， 利用曲面間提取實體的功能， 可以將疏浚土體按土質分別提取三維實體模型， 通過查詢實體體積也可得到精確的疏浚工程量， 同時三維實體使疏浚模型具有更好的可視化效果， 且可為疏浚工程施工模擬提供模型基礎。

對于超深超寬工程量， Civil 3D 軟件自帶功能無法通過設計方案模型直接計算， 須根據超深超寬設計值偏移疏浚設計邊界線， 采用本文的建模方法重新創建超深超寬疏浚模型， 再根據模型統計超深超寬工程量。

4 結語

1)通過創建三維地質模型， 使不同土質的分布情況顯示更加直觀， 利于輔助方案設計。

2)通過創建三維疏浚模型， 使疏浚設計更加精細化， 設計成果更加精準合理， 降低施工風險。

3)基于本項目自主定制的圖形樣板文件， 利用三維模型直接輸出疏浚施工圖， 保證了圖紙成果的標準化， 大大提高出圖效率和圖紙表達的準確性， 為疏浚施工提供準確依據。

4)基于三維地質和三維疏浚模型， 實現按土體種類精確計算疏浚工程量， 為施工設備選型和工程造價估算提供了有利支撐， 提高競爭力。