BIM技術在港口基礎設施維修管理中的應用探索

許益益

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

港口一直被視為國際市場上的重要戰略基礎設施，隨著“一帶一路”倡議的提出，沿海港口的建設也迎來了新的發展。港口的建設離不開基礎設施為其提供的持續性服務，建立適合港口要求的基礎設施維修管理系統是非常必要的。BIM技術的出現大大提高了工程項目的效率，可視化的特性也使得其在民用和工業建筑中蓬勃發展。但是，港口基礎設施與民用和工業項目的基礎設施有很大不同，其信息描述是非常復雜的[1-2]。本文將探索BIM技術在港口基礎設施維修管理中的設計與應用。

1 港口基礎設施維修管理中BIM應用的挑戰

港口在運作過程方面較為復雜，使港口基礎設施維修管理中的BIM應用更加困難。此外，為港口基礎設施開發各種風險評估的專業技術也是一個重要挑戰。建筑對象操作規劃的基礎設施在項目過程中需要進行標準化，但目前它們的形式和標準模板的創建尚未開展，只有一般化和最小化的要求。

此外，大多數港口基礎設施都只有2D施工文件。本文通過檢索資料，分析了至少數十個港口基礎設施，發現只有極少數存在項目文件可供使用，并且其中的主要文件是港口基礎設施的驗收報告，包含的信息極少。文檔的組成也因基礎設施結構的不同而有所差異。如果對建筑進行更改，則必須重新設計基礎設施，此過程低效、耗時且無序，并不符合標準化的原則。另一個十分重要的挑戰是將港口所在區域的巖土工程數據整合到BIM模型中，并對其進行改進和補充。以前的大多數項目沒有考慮到限制信息模型的實地信息，將地質結構方面的巖土數據集成到BIM模型中的方法還沒有得到充分的研究，這對港口運輸基礎設施是一個致命缺點。其他一些挑戰包括港口項目，缺乏標準建筑元素庫，部分防波堤、柵欄或海岸加固是由天然材料、撕裂的石頭制成的，這些材料的可視化很差。對于這些元素，LOD技術很難形式化，將它們的鏈接結構描述為IFC模型也存在困難。

2 港口運維模型集成方法

2.1 港口地理環境信息獲取方法

生成港口信息模型的過程必須從搜索港口項目所在環境的制圖數據（正射影像、地形、測深等）開始，使港口基礎設施能符合其所處的地理環境，并能夠對所有相關要素進行正確的地理參考。使用制圖信息，在Revit中生成與現有的拓撲表面相同或非常相似的拓撲表面，然后對現有地形進行建模。

現有的地形建模過程可以通過2種不同的方式進行。

第1種是在二維投影中建模，通過將基礎設施的二維（地板、海拔、剖面等）合并到Revit中創建三維模型。每個模板被放置在視圖和相應的標高，過濾繪圖只顯示來自2D的必要信息。

第2種方法是從三維數據建模，此方法是通過點云或網格建模，可以使用以下幾種設備簡化獲取流程：地形設備，通過從固定點進行測量對點云進行收集，操作簡單但是耗時，且成本很高；激光掃描儀，可自動移動，在每次數據收集中收集數百萬個點，但該設備成本較高；攝影測量，對要建模的元素進行拍照，從而創建點云，該系統需要專業的操作人員，但可以獲得更好的建模效果。

2.2 港口基礎設施運維BIM模型的實施管理

構建港口運維BIM模型的關鍵在于必須實時更新建設項目模型，以獲得實際執行的項目模型。為此，模型的所有元素必須以參數的形式包含一系列屬性，且允許對所有相關數據進行排序和分類。這些屬性必須包含元素的名稱、元素的標識代碼以及根據國際標準的元素分類系統的組裝代碼。利用BIM方法對模型進行信息管理的一個基本要素是元素分類系統。目前，有不同的元素分類系統，在國際標準中，最常用的元素分類系統是Omniclass、Uniclass2015和Uniformat。然而，它們中沒有一個系統可對構成港口和海事工程的要素進行分類。在本文研究的過程中，分析了港口基礎設施中可能發生的和最具代表性的損壞情況，例如濾料損失、石板開裂、海底沖刷、沉井開裂、沉箱加固的腐蝕、樁鋼筋銹蝕、上板鋼筋銹蝕、回填泄漏、碼頭傾斜或位移等，并對港口BIM指南分類提出了建議。

一旦模型生成，就必須將一系列參數納入模型。這些參數必須包含在BEP（項目BIM執行計劃）中，并添加到模型的每個相應元素中。參數是Revit對象最重要的部分之一，它們包含每個元素的所有信息。通過為模型的元素分配一系列參數，以確定它們的保存狀態信息。這些參數的選擇是根據港口相關的法律法規而定的，是檢驗單必須包含的最小數據量。參數定義如下：元素名稱和相關標識代碼；地址，并注明其所屬的相關基礎設施，如防波堤、碼頭等；定位圖，其圖像允許在港口草圖中顯示元素的大致位置；檢查單，其圖像中填寫了所有數據；檢查項目的日期；最后一次檢查項目的日期；檢查類型的指示；將進行視察的工作小組；在港口進行的養護工作類型；詳細說明視察期間將進行的工作以及將給予特別注意的方面；詳細說明該項目的狀況和該項目中出現的異常情況；顯示視察中發現的要素或缺陷的照片；狀態水平，表示某一要素在特定時刻的情況，分為“非常好、好、一般、不好、破壞性的”五類；服務水平，用于衡量對用戶的關注，以及負責港口維護的人員在速度和效率方面對安裝過程中可能出現的不同問題作出的反應；填寫所有上述數據的檢查文件的圖像；具體的監視服務和預定的日常工作設備；定期檢查小組，通常由有關港口維護小組的人員組成；具體檢查小組，指特殊情況下需要進行的具體檢查，通常為外包人員團隊。而根據養護工作的類型，可分為以下幾種情況：對港口的運營支持，港口在既定服務水平上運作所需的所有活動；普通養護，所有旨在延長港口要素使用壽命的養護工程；額外養護，所有為修復安裝要素所需的活動。

通過與BIM技術的結合，使得港口模型可以在便攜式設備如平板電腦上查看，甚至可以使用虛擬和增強現實技術。在該技術的基礎下，運維人員可以從平板電腦上訪問Revit模型的版本，還可通過遠程連接平板電腦到包含程序的計算機中來訪問Revit模型。這樣，一旦進入端口，操作人員就能直接在Revit模型上獲取數據，填寫前文中提到的所有參數。建議將這些檢查單作為圖紙納入Revit模型，并給予特定的編號，這樣數據就能實時記錄下來，并與要檢查的每個元素相關聯。此外，該方法的另一個優點是易于收集結構中出現的缺陷或故障的圖形信息，因為使用平板電腦，工人可以對它們進行拍照，并直接鏈接到模型中的相關元素。通過這種方法，可大大提高港口運維人員的工作效率，能夠在檢查之前可視化港口出現的損壞，并了解其發展情況，也可減少一次檢查和另一次檢查之間的信息冗余。此方法應用中使用的檢查單類型表，如圖1所示。

圖1 港口基礎設施的檢查單

3 港口運維模型的構建

本節將以港口工程的防波堤為例，介紹如何構建港口運維模型。首先在Revit中模擬建立一個臨時防波堤，如圖2所示。然后輸入一系列參數，即基礎設施的維護和保養需要納入模型的要素，將所有已建立的參數都包含在模型中。通過這一步驟，建筑模型被轉換為設施管理模型，且包括了有關基礎設施保護管理的所有信息。假設基礎設施在其某些要素中存在缺陷或需要修復的損壞（不是真實的），檢查單包含上述要素維護的參數信息。一旦收集了檢查數據，就可以對檢測到的缺陷進行建模，并在模型中展示，如圖3所示。檢查單以PDF格式生成，以便在模型中存檔。通過這種方法，可以建立一個含有大量信息的模型。一般情況下，這些信息將被導出到一個作為保護和維護基礎設施的數據庫，由CMMS軟件管理。為了從模型中提取信息，還需生成維護計劃表，包含模型的所有質量及其維護參數和組裝代碼。然后，通過應用過濾器，只選擇那些表示損壞的情況。從2個模型中提取的維護規劃表及其解釋的示例如下，主防波堤養護計劃表：防波堤處于受損狀態，離端點60 m處防波堤的外墻有裂縫，使線管暴露在空氣中，此處需要加固。

圖2 在Revit中創建的防波堤

圖3 輸入檢查信息后防波堤開裂示意

4 結語

本文提出了一種新的用于港口的基礎設施管理方法，使港口能處理大量有關基礎設施的維護信息。在此過程中設計了一個與基礎設施管理相關的三維模型，且作為可視化工具與數據庫結合，幫助相關人員做出決策。與其他類型的基礎設施和建筑物相比，港口基礎設施在集成BIM方面的研究欠缺，且在現有的國際BIM標準中，海洋港口的現有要素沒有明確的分類或編碼。此外，在設計階段，有必要為后續的技術條件監測分配單獨的建設性元素。如具有足夠準確性的企業BIM標準，就能確定從不同來源和企業部門獲得的操作文檔的形成過程。本文的研究將為進一步實現港口利用BIM技術進行基礎設施管理提供了參考。