裝配式樁基碼頭數字一體化建設技術探討

陸晶晶，尹 碩

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

引言

傳統的高樁碼頭在設計及施工過程中標準化、數字化、信息化程度較低。江義等人[2]提出裝配式樁基碼頭應按照“少種類、多組合”的基本原則進行樁基碼頭結構的標準化設計，主要分為模塊化裝配式、小構件裝配化兩種模式。這兩種裝配體系的構件標準化程度均比較高，都適合采用基于BIM 的數字化、信息化技術進行建設全過程的設計、制造加工及施工安裝。

裝配式樁基碼頭結構設計、制造、施工數字一體化[3]對構件信息的交換與傳遞依賴程度較高，在傳統的二維建設模式中，由于構件缺乏信息關聯，建設全過程的各個環節難以實現實質性的協同聯動，阻礙了裝配式樁基碼頭結構的發展，基于BIM技術的數字一體化技術[4]為裝配式樁基碼頭結構建設過程數字一體化的實現提供了可能。本文將BIM數字化技術與新型裝配式樁基碼頭結構結合，提出了一種基于BIM 技術的裝配式樁基碼頭設計與施工數字一體化技術，可以有效提高裝配式樁基碼頭結構設計與施工的效率與質量，實現高樁碼頭構件設計標準化、制作工廠化、施工安裝機信息化，促進裝配式樁基碼頭結構的推廣。

1 依托工程概述

連云港某液體散貨泊位工程，建設規模為1 個10 萬t 級液體散貨泊位和1 個8 萬t 級液體散貨泊位，設計年通過能力為660 萬t，是江蘇首個高樁碼頭建設采用“全裝配技術”的項目，目前已成功完成首榀橫梁吊裝施工。該碼頭工程建設的現場條件復雜，生產運營與工程建設交叉嚴重，且工期要求緊，碼頭結構采用了新型全裝配的模塊式高樁碼頭結構，上部結構如圖1 所示。

圖1 裝配式碼頭結構斷面示意

2 裝配式樁基碼頭數字一體化建設信息

2.1 信息特點

結合裝配式結構以及普通高樁碼頭設計、預制、施工建設全過程的特點，基于BIM 技術的裝配式樁基碼頭結構建設全過程數字一體化信息特點概述如下：

1）信息數量較大。裝配式樁基碼頭結構構件數量非常多，隨著建設過程的推進，在設計、制造、施工安裝各個環節中，每個構件都會積累越來越多的信息數據，呈遞增趨勢直至竣工。

2）信息來源廣泛。裝配式樁基碼頭建設過程涉及建設方、設計方、制造加工方、施工方、監理方等多個參與方，每個參與方作為必要的建設角色，在裝配式樁基碼頭的建設過程中都會產生信息數據。

3）信息類型復雜。裝配式樁基碼頭在建設過程中產生的信息類型較多，主要分為結構化和非結構化兩類，其中結構化信息可直接基于構件在數據庫中進行搜索與查詢，非結構化信息包括文本、圖片、視頻等多種類型文件，通過文件夾管理，一般不直接關聯構件。

4）信息動態變化。裝配式樁基碼頭的建設實際上是一個不斷動態變化的過程，伴隨著設計變更、施工變更等多種實時變化，各參與方產生的信息也隨之不斷更新。

2.2 信息架構

裝配式樁基碼頭結構從數字化設計到制造加工、施工安裝的過程中，信息貫穿了整個建設過程，基于裝配式樁基碼頭結構信息及數字一體化技術的特點，本文將裝配式樁基碼頭結構建設全過程信息架構至下往上分為四個層級，包括信息采集、傳遞與交換、管理、公開展示。

圖2 裝配式樁基碼頭全生命周期信息架構

1）信息采集。信息采集是裝配式樁基碼頭結構建設全過程數字一體化的基礎，在裝配式樁基碼頭建設過程中，應結合各參與方的實際需要，對需要采集的信息類型進行詳細規定，一般裝配式樁基碼頭建設過程中需采集的信息參考如表1 所示。

表1 裝配式碼頭建設全過程信息采集內容參考

2）信息傳遞與交換。信息是否完整以及傳遞是否有效對數字一體化應用至關重要，本文通過“一碼到底”的編碼規則，采用形象編碼作為三方信息傳遞的媒介，結合設計、制造、施工對信息的要求，給出了適用于裝配式樁基碼頭結構建設全過程數字一體化需求的編碼內容，如表2 所示，裝配式樁基碼頭數字化設計、制造及施工的過程中，構件除了需要包含本文提出的形象編碼之外，還應包含水運行業建筑信息模型相關標準中的編碼，確保BIM 數字化成果全生命周期建設每個環節的合規傳遞與交付。

表2 裝配式碼頭構件建設全過程編碼內容參考

3）信息管理。在完成信息采集與交換的基礎上，隨著裝配式樁基碼頭工程項目建設的推進，設計、制造和施工安裝積累的信息越來越多，各參與方應基于各自的裝配式樁基碼頭信息管理平臺對各方信息進行統一管理，平臺之間應具備各階段數字化信息的識別功能。

4）信息公開與展示。各參與方根據各自需要對各自收集的信息進行分類，提取需要對外公開展示的信息。設計方應根據交付要求提交數字化設計成果；制造加工方應提取裝配式樁基碼頭結構相關的成品構件制作、運輸的相關信息供施工安裝使用；施工方應匯總設計、預制加工兩方信息，同時融入施工安裝信息、過程管理信息，根據后期運營維護需求提取運維相關信息。

3 裝配式樁基碼頭數字化一體化建設方法

3.1 構件庫創建

應用數字化技術進行裝配式樁基碼頭結構建設，建立完善的構件庫是關鍵。裝配式樁基碼頭結構的數字化建設過程本質上可以認為是從構件庫選取所需構件進行組裝的過程，構件是裝配式樁基碼頭結構BIM 設計的重要組成部分，應具備復用性、獨立性、信息化、可共享性等特點。

裝配式樁基碼頭結構體系總體可分為兩類：混凝土結構和鋼結構，其中，混凝土結構裝配式樁基碼頭一般分為有樁帽和無樁帽兩類，應據不同結構體系創建裝配式樁基碼頭BIM 數字化設計構件庫。構件庫內構件分為通用構件和特殊構件兩大類。

裝配式樁基碼頭結構構件信息應包括幾何信息與非幾何信息兩個部分，其中幾何信息主要指構件各部分的尺寸，非幾何信息包括對應的結構方案類型、構件編碼、構件類型、材質、定位等，以裝配式樁基碼頭典型構件之一“π”形疊合面板為例，基于Revit 平臺的構件創建流程如圖3 所示。

圖3 裝配式樁基碼頭構件創建流程

3.2 數字化設計

裝配式樁基碼頭結構的設計要是方案從構思到形成的過程，在數字一體化設計中，總圖、結構、水電等各相關專業應根據統一的項目基點、單位、坐標系、軸網、命名規則，從構件族庫中選擇匹配的構件進行裝配式樁基碼頭結構BIM 模型的搭建，提高建模的標準化程度和效率。基于Revit 平臺的裝配式樁基碼頭結構數字化設計本質上可以認為是參數化設計的過程，設計人員通過對不同的構件設置相應的幾何和非幾何信息參數開展BIM 設計，具體方法如圖4 所示，包括設計基礎信息創建、設計構件信息創建、設計輔助信息創建三個部分，以依托工程為例，裝配式樁基碼頭結構BIM 設計成果如圖5 所示。

圖4 碼頭結構設計方法與流程示意

圖5 BIM 設計成果示意

完成設計模型的創建后，應根據裝配式樁基碼頭形象編碼體系對所有的設計構件進行精確編碼，將含有形象編碼的設計BIM 模型向數字化制造加工環節進行傳遞。

3.3 數字化制造與加工

構件數字化制造與加工是在設計交付的裝配式樁基碼頭結構BIM 數字模型基礎上，利用生產設備完成對構件的加工，將預制構件數字化BIM 設計模型信息直接導入MES 系統（生產信息化管理系統），與生產線加工設備對接，各加工設備（劃線機、布料機、養護窯）自動讀取BIM 模型構件的加工參數，智能化地完成劃線定位、模具擺放、混凝土澆筑振搗、養護等一系列工序，實現設計信息與加工信息無縫對接及共享。

裝配式樁基碼頭構件MES 系統應包含鋼筋籠的初始化、驗收、隱蔽工程、溫控數據采集、拆模數據采集、各工序時間點采集、各工序操作員采集、堆場管理等應用程序。采用二維碼技術對構件進行全生命周期管理，確保構件設計與生產的一致性。加工過程通過MES系統與Revit數據建立構件BIM信息與制造加工信息的聯系，并與樁基碼頭預制構件MES 系統對接，進行數據交互，方式如表3。

表3 Revit 與MES 系統數據交互

在預制構件出廠前掃描構件標識二維碼，對構件信息、查構件的外觀、標識及尺寸進行核對，并生成出廠發貨清單，發貨清單包含構件的基本信息、運輸車輛車號、司機、出廠時間等，將運輸信息添加到生產管理系統中。結合運輸車、船的GPS技術和二維碼技術，對構件運輸狀態進行實時跟蹤。構件運輸至目的地時由現場管理人員掃描發貨單，對構件信息的核對，并進行簽收確認，且及時通過云端反饋到生產管理系統的構件信息中，同步完善制造加工階段的預制構件形象編碼信息傳遞至施工安裝環節。

3.4 數字化施工安裝

預制構件的安裝是裝配式樁基碼頭結構施工的重要環節[5]，也是關系裝配式樁基碼頭結構施工質量的關鍵，數字化技術的應用可以將預制構件的安裝偏差降到最低，保障裝配式樁基碼頭的施工效率與精度。數字化技術應始終貫穿整個施工過程中，施工過程中的相關數據通過施工數字化管理平臺隨時調取與交互。

裝配式樁基碼頭結構施工過程中，預制構件安裝主要基于二維碼技術將BIM 構件與現場安裝信息進行聯動[6]。依托施工數字化管理平臺，將設計交付的施工圖深度BIM 設計模型中的構件關聯唯一識別的二維碼，快速準確地定位預制構件的相對位置，補充構件編碼體系中的施工定位編碼。以數字化的方式獲取設備、構件的各項詳細的技術參數，同時將安裝定位信息實時反饋至BIM 模型中，關聯至相應的構件，實時計算分析安裝偏差，系統根據現場返回的數據自動比較分析，若安裝出現異常偏差即在模型中高亮顯示預警，現場信息通過移動端無線傳輸或數據線導入，平臺端可及時獲取相應信息，為預制構件逐步安裝提供決策依據。

隨著施工進度的逐步推進，應進一步完善竣工模型，對設計交付的BIM 施工圖設計模型中各構件補充施工階段中產生的設備的編號、尺寸、位置、型號、廠家信息、保養維修記錄等信息，統一存儲到BIM 模型中，最終形成裝配式樁基碼頭竣工模型，供后期運營維護使用。

3.5 數字一體化建設管理平臺搭建

裝配式樁基碼頭結構具有系統性特征，建設過程數字一體化的實現離不開數字化平臺的應用，只有在裝配式樁基碼頭全生命周期內搭建專用數字化平臺，基于平臺進行設計、制造、施工、運維管理，才能真正意義上體現裝配式樁基碼頭數字化、信息化的優勢[7-8]。平臺對各參與方個性化配置功能，設置不同的使用權限，設計、制造加工與施工安裝各參與方基于各自已有的數字化平臺開展各自的工作，通過接口數據交換的方式與統一平臺建立聯系，通過形象編碼和規范規定的統一編碼進行信息交互，實現裝配式樁基碼頭結構設計、制造與施工安裝的數字一體化。

4 結語

本文將BIM 技術與新型裝配式樁基碼頭結構結合，以64～65 號液體散貨泊位工程為依托，提出了一套基于BIM 技術的裝配式樁基碼頭結構設計、制造加工與施工安裝數字一體化技術，創新性地建立了裝配式樁基碼頭結構設計與施工數字一體化信息架構，提出了便捷有效的“一碼到底”的編碼規則，基于物聯網與互聯網將BIM 設計模型、構件生產管理系統、施工安裝監測系統進行整合，實現了裝配式樁基碼頭建設標準化、制造工廠化、施工安裝管理信息化。

根據國家提出的新基建理念、數字化倡議等行業轉型升級的發展目標，未來水運行業必將邁上工業化、信息化、綠色化的發展道路。裝配式樁基碼頭結構作為水運行業的一場變革，集成了“設計、制造、裝配一體化”的新型工業化建造方式。本文對于裝配式樁基碼頭結構數字一體化建設技術的研究將有助于提高裝配式樁基碼頭結構的設計質量、制造加工與施工安裝精度和效率，提升碼頭工程建設相關企業的市場綜合競爭力，促進裝配式結構在水運行業的推廣。