BIM技術在碼頭項目應用探討

李培良 青島市運輸事業發展中心（青島國際航運服務中心）

1.項目背景

1.1 項目概況

通過沿海某散貨碼頭2×3.5萬噸級泊位工程（#1泊位）的BIM應用，探索BIM技術在水工項目中的應用方法及價值。

該散貨碼頭2×3.5萬噸級通用泊位位于港區引堤內側南段建設，前沿走向為NW-SE向，平行于引堤軸線。建設重力式沉箱碼頭泊位長度226m，引堤107m，以及裝卸工藝、港池疏浚、生產輔助建筑物、消防、環保、導助航等配套工程。

本次BIM 應用為“后BIM 模式”，依據原CAD招標圖進行BIM建模。水運工程BIM設計是采用帶有工程信息的三維部件（包括族），按照模型協同為主的工作方式，進行工程項目的專業協同設計工作，并將設計成果和建設意圖以符合工程標準的三維信息模型產品、二維設計圖紙、數據信息或多媒體數據形式傳遞給相關方或作為設計成果交付的工作方式和成套技術應用。

1.2 BIM應用環境

國內水運工程BIM技術的應用相對發達國家起步較晚，但是信息化手段在水運工程設計、施工、運維的過程中不斷地深入應用，產生了很多傳統設計手段不具備的新技術、新理念，如3D、4D、5D，還有BIM理念和產品全生命周期的理念如何在設計前期使用三維技術的手段更好地優化設計和交流溝通，提升設計品質和質量，已經成為國內水運設計行業關注的焦點。

2.應用內容

2.1 BIM應用目標

依據現有施工招標圖，逐步探索建立專業化碼頭工程在設計階段的項目級BIM應用體系，研究在專業化碼頭工程設計中利用BIM模型所含信息進行協同工作，實現各專業、工程設計各階段的信息有效傳遞，實現可視化、協同設計和工程量統計的應用目標，并完成BIM成果。

2.2 技術路線

根據項目全生命周期劃分，一個項目的BIM技術應用可以分為方案策劃、設計階段、施工階段、竣工交付階段及運維等階段。本項目的BIM應用屬于設計階段中施工圖設計階段。

表1 BIM崗位職責

依據現有二維招標圖，應用Revit、Civil3D等建模，進一步完成施工圖深化設計、施工過程模擬、裝卸工藝模擬及BIM設計質量管理等工作。

2.3 項目BIM實施保障措施

本項目成立BIM小組，確定了BIM項目各崗位職責，根據崗位職責進行BIM模型的創建工作，建立BIM系統運行詳細工作計劃及系統運行檢查機制。（見表1）

2.4 模型搭建

2.4.1 搭建流程

（1）建立定位模板。根據《BIM實施導則》的規定，將總平面布置導入Autodesk Revit形成本項目的定位模板。

基點、坐標、標高及單位、模型文件格式、系統拆分、構件、零部件顏色分類、工作集規劃、構件命名等依據《BIM實施導則》要求實施。

（2）族庫建立。由各專業對各模型情況進行分析，確定需要建族的構件并進行構建。在建族時，對可重復利用的族進行參數化設計，保證在其他工程中通過修改參數即可使用，同時對構件的材質等非幾何信息進行錄入、完善。

（3）模型搭建。各專業根據定位模板，建立各模型軸網及標高，并開始搭建模型，在搭建過程中，可將平面、斷面、剖面及詳圖等CAD圖導入其中，便于模型中各構件的定位。

（4）模型校審。模型初步搭建完畢后，由各專業校審人員進行校審。審核后由模型搭建人根據校審意見進行模型修改，并由校審人員確認。最終模型按要求存檔于服務器中，并采用Navisworks導出輕量化模型。

（5）模型整合。將各專業模型采用原點對原點以鏈接的方式整合，形成總體模型，同時采用Navisworks將所有輕量化模型整合，形成輕量化整體模型。（見圖1）

2.4.2 搭建內容

（1）水工。本工程水工結構專業的BIM技術應用點首先就是利用Revit軟件對地形模型的建立和開挖方量的統計。將測量單位提供準確的地形數據，直接導入軟件生成三維原始地形。其次是利用Revit軟件對水工構筑物族庫的搭建。Revit的水工構筑物族庫非常稀少，我們首次進行了創建水工族庫的嘗試。第三，利用協同設計平臺軟件Navisworks，將水工結構與給排水、電氣，建筑等專業的模型整合，并進行輕量化設計。

（2）工藝。本工程工藝專業的BIM技術應用點首先就是利用Revit軟件對裝卸設備模型的建立。合理分解復雜模型的構件并建立模型，并賦予相關幾何和非幾何參數形成族，最終進行組合拼接，能夠滿足快速建模和參數化設計的需要。工藝族庫的搭建和積累，能夠有效提高同類項目工藝建模效率。其次，利用協同設計平臺軟件，可將工藝與其他專業模型進行碰撞以及巡檢檢查，提前發現并解決施工或運營階段各隱蔽節點處可能出現的各類空間問題，減少了因變更或返工等情況造成的投資浪費以及工期延長。另外，可以充分利用Newisworks軟件的工程動畫模擬功能，將項目運營階段的機械裝卸操作、貨物運輸等工藝流程直觀展示出來。

（3）土建。本工程土建專業的BIM技術應用上的具體表現是，利用Revit軟件，建立廊道及轉運站三維模型，賦予模型幾何和非幾何信息，例如建筑物外形尺寸、材質等。對于特殊構件，例如廊道擋風板、沉淀池等，利用Revit自帶的族功能，創建特殊構件。

圖1 模型搭建流程圖

（4）給排水。本工程給排水專業的BIM技術應用點是利用Revit軟件對給水管道及排水渠模型建立。合理的對復雜模型進行構件分解建立模型，并賦予相關幾何和非幾何參數形成族，最終進行組合拼接，能夠滿足快速建模和參數化設計的需要。給排水族庫的搭建和積累，能夠有效提高同類項目建模效率。

（5）BIM電氣部分應用總結。根據該碼頭2×3.5萬噸級泊位工程BIM實施導則策劃，電氣部分設計主要分為強電及弱電兩大部分，在BIM技術應用過程中，電氣專業模型搭建主要利用Revit現有族庫，例如電纜橋架、線管等。同時由于工程自身特點，部分室外電氣、控制設備則需要進行族庫搭建，進行參數化設計并需要賦予非幾何參數信息。

3.實施經驗總結

3.1 應用成果及價值體現

3.1.1 族庫化BIM設計

本項目BIM設計共創建了112項專有族，這些族是將項目按專業、施工要求劃分的建筑信息模型，其中模型幾何形狀采用參數化設計并使參數可以調節，進而驅動構件形體發生改變，滿足設計的要求。在這些建筑信息模型中，除帶有幾何形狀以外還要賦予一些非幾何屬性，如材料的耐火等級、材料的傳熱系數、構件的造價、采購信息、重量、受力狀況等（見圖2）。

采用族庫化BIM設計的優勢顯著：族庫參數化設計衍生出構件關聯性設計。建筑模型中所有構件通過參數相互關聯，使我們實現關聯性設計，修改設計時只需修改模型。族庫化BIM設計不僅提高了設計師的工作效率，而且解決了長期以來圖紙之間的錯、漏、缺問題。

3.1.2 可視化設計

在本次BIM應用中，“可視化設計”的應用貫穿了設計全過程，讓設計師能夠隨時運用三維思考方式進行設計，并開展設計團隊內部、設計與業主等之間的高效交流。重點對以下部位進行了可視化展示：研究整體鳥瞰與漫游、研究準確的土方量開挖與回填、水工工程施工模擬、專業煤碼頭裝卸工藝模擬、生產過程中廊道巡檢模擬。

圖2 沉箱族成果圖

圖3 建設內容可視化成果圖

通過可視化展示，在項目投標、方案匯報等場合可以提升設計方案的展示效果；可為方案論證提供了形象、準確的設計完成效果，便于決策；設計師能更好的開展設計，大幅提高設計內部、設計與業主及相關方的溝通效率。

使用Autodesk Revit系列軟件，采用協同工作模式，為不同專業提供交流平臺，以便發現并解決問題，提交具備全專業成果的BIM總體整合模型及項目效果圖。（見圖3）

3.1.3 性能化分析

利用BIM技術，設計師在設計過程中創建的虛擬建筑模型已經包含了大量的設計信息(幾何信息、材料性能、構件屬性等)，只要將模型導入相關的性能化分析軟件，就可以得到相應的分析結果，原本需要專業人士花費大量時間輸入大量專業數據的過程，如今可以自動完成，這大大降低了性能化分析的周期，提高了設計質量，同時能夠為業主提供更專業的技能和服務。

本次BIM應用中，受時間限制未能開展針對該水工工程的性能化分析研究，但建筑模型中已輸入相應的設計信息，為后續相關性能化分析研究打下了堅實的基礎。（見圖4）

3.1.4 協同設計、管線綜合及碰撞檢查

（1）協同設計。現有的協同設計主要是基于CAD平臺，并不能充分實現專業間的信息交流，無法加載附加信息，導致專業間的數據不具有關聯性。BIM的出現能同時在模型中以三維方式瀏覽其他專業的設計模型，實現模型的實時更新，以實時協同的方式代替過去階段式協同（每隔一段時間各專業相互對圖），極大的減少了對圖、改圖的工作量，減少了制圖中容易出現的低級錯誤，并能提前暴露大量實際施工中會遇到的各類問題，減少了施工與現場配合的難度，可在建筑的全生命周期中更好的控制施工進度以及工程造價。（見圖5）

（2）管線綜合。管線綜合布置采取大管優先，小管讓大管，有壓管讓無壓管，低壓管避讓高壓管，常溫管讓高溫、低溫管，可彎管線讓不可彎管線，分支管線讓主干管線，附件少的管線避讓附件多的管線的原則。本次BIM應用將管溝內的給水管線、中水管線按照上述原則綜合布管。強弱電沿廊道內皮帶機一側電纜橋架布設。水管和電氣管線交叉時的間距按照規范要求敷設。（見圖6）

圖4 導入結構分析軟件成果圖

圖5 各專業同一平臺設計圖

圖6 水電管線綜合整體圖

（3）碰撞檢查。基于BIM技術可將兩個不同專業的模型集成為兩個模型，通過軟件提供的空間沖突檢查功能查找兩個專業之間的空間沖突可疑點，軟件可以在發現可疑點時箱操作者報警，經人工確認該沖突然后修改模型。（見圖7）

碰撞檢查是指提前查找和報告在工程項目中不同部分之間的沖突。通常碰撞問題出現最多的是安裝工程中各專業設備管線之間的碰撞、管線與建筑結構部分的碰撞以及建筑結構本身的碰撞。在本項目的碰撞檢查功能中，需結合三維可視圖逐項對碰撞點進行判斷、解讀與分析，來確認是否是合理碰撞。針對碰撞點進行討論分析后，排除部分合理碰撞（如扭王字塊之間的碰撞、基床和地形直接的碰撞、管道和管件之間的碰撞、管道在基礎中埋設引起的碰撞等），修改完善其他不合理的碰撞，達到在施工前預先解決問題、節省工時及避免不必要的變更與浪費的目的。

3.1.5 工程量統計

在CAD時代的工程量統計需要消耗大量的人工，并難免手工計算帶來的差錯，而且設計方案調整后也將導致工程量統計數據失效。而BIM是一個富含工程信息的數據庫，可以真實地提供造價管理需要的工程量信息，借助這些信息，計算機可以快速對各種構件進行統計分析，大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯誤，非常容易實現工程量信息與設計方案的完全一致。

在本次BIM應用中，利用三維圖形技術，各專業進行工程量自動統計、扣減計算，并進行報表統計，大幅提高算量工作的效率。一方面可以作為設計階段工程造價控制的基礎性資料，精確統計工程量可以更好的節約投資；另一方面，也可以作為施工期預算編制以及施工期BIM應用的基礎性資料。（見表2）

圖7 碰撞檢查修改實例圖

表2 工程量統計表

圖8 基于BIM技術生成的二維圖

3.1.6 施工模擬

我們也通過將BIM模型與施工工序計劃結合，初步研究了利用BIM設計成果進行施工模擬的方法。通過將BIM與施工進度計劃相鏈接，將空間與時間信息整合在一個可視的4D(3D+Time)模型中，可以直觀、精確地反映整個建筑的施工過程。直觀的將施工計劃與實際進展進行對比，同時進行有效協同，施工方、監理方、業主方都對工程項目的各種問題和情況了如指掌。設計單位通過簡潔的施工模擬動畫進行交底可以大大提高施工方對設計意圖的理解，大大提高交底效率。

3.1.7 獲取二維圖紙

三維出圖是未來的發展趨勢，會在很大程度上代替純CAD繪圖的應用。通過該項目使用BIM就能清晰感覺到，直接用三維模型無論是生成剖切面還是表達細部大樣，都變得快捷方便。理論上，基于唯一的BIM數據模型源，任何對工程設計的實質性修改都將反映在BIM模型中，軟件可依據3D模型的修改信息自動更新所有與該修改相關的2D圖紙，由3D模型到2D圖紙的自動更新將為設計人員節省大量的圖紙修改時間。（見圖8）

3.2 應用難點及體會

3.2.1 BIM應用外部環境不完善

BIM技術應用系統由多種軟件搭建而成，同時BIM技術應用分為三類:工具、平臺和環境。盡管BIM技術應用的前景好、價值大，但其在工程界的應用尚未被廣泛接受和使用，通常一項工程有多方參與，不可能硬性規定所有參與單位均采用某種軟件，因此，合作環境難度高是其BIM技術應用的一個難點。

此外，BIM技術應用的基礎規則實質是基礎數據的定義和交換規則，即BIM語言。我國工程建設領域在該方面起步較慢，是影響BIM技術應用的另一因素。發達國家的政府對工程信息化引導和支持作用主要體現在標準定制和政府投資項目的強制推行等方面。當前，在我國缺失基礎標準和應用標準階段，尤其是水工行業對BIM技術應用的標準制定尚處于研究階段，致使BIM技術應用和發展受到局限。

3.2.2 項目管理水平制約

BIM技術應用的關鍵在于對于信息的收集和分享，這正是項目管理者所關注的。在BIM模型出現前，項目管理對信息的集散管理主要圍繞文檔（紙質或電子）這種介質進行，而現在可利用BIM模型進行，不僅提高了傳遞信息的速度，更解決了因信息沖突而帶來的進度滯后和成本上升等問題。尤其在解決復雜大型工程項目的管理問題上，原先的技術手段無法處理。

國際通用的工程項目管理規則、重視合同契約原則在我國尚未完全推行。技術和管理之間是相輔相成的，管理意識和管理水平制約著技術應用效果，因此須從解決管理問題入手，這樣才能促進BIM技術的應用和發展。

3.3 BIM應用發展建議

3.3.1 組建以設計人員為主的BIM團隊

建模是BIM的基礎工作，設計人員在BIM團隊中是核心，其它的工作都基于BIM模型展開。但設計不是引領者，因為設計人員更關心BIM建模和設計類BIM消費部分。施工人員更關心具體的施工類BIM消費，對建模的前期介入缺少先機。理想的BIM團隊應該是項目管理人員牽頭，以設計人員為主，施工人員參與，涵蓋項目涉及的各設計、施工管理專業，利用全專業、整系統的做法，在BIM平臺上協作。讓BIM模型的應用最大限度地發散，研究的成果才能絢麗多彩，有生命力。

3.3.2 建立明確的BIM團隊標準

在BIM應用過程中，每個BIM團隊應建立適合團隊應用的BIM標準，建筑業尤其需要項目團隊之間更好的集成、合作和協同，才能提高效率。BIM團隊內部的標準包括業務標準(招投標標書模板、服務標準、人員配置標準等)、軟件應用的標準(軟件的類型、版本等)和信息模型的標準(基準設定、模型深度標準、扣減標準、屬性設置標準、族的選用標準等)，甚至細化到各類管線顏色的設置標準，這些標準的設定有利于BIM團隊業務形成成熟的標準化流程，增強BIM團隊的核心競爭力。

3.3.3 建立嚴謹的內部審核機制

每個項目都是一個團隊合作完成的，在BIM實踐過程中會遇到協作過程中出現問題，導致整體模型的質量不達標，無法在后期中合理地應用。為解決信息模型質量問題，提高模型的質量，應在團隊中建立內部審核機制，保證所出的模型質量滿足要求。