BIM技術在自動化集裝箱碼頭設計中的應用

李家華，楊 彪，許鴻貫，梁 慶

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)作為一種創新的技術與生產方式，是信息化技術在工程行業中的直接應用，自提出以來已在歐美等發達國家大規模推廣及應用，引發了工程行業的巨大變革。當前，BIM 技術已不僅僅局限于建筑工程，而是在橋梁、鐵路、公路、電力設施、港口碼頭等工程中均有應用[1]。作為一種全新的理念和技術，各種類型的工程項目都可以利用BIM找到解決問題的方法[2]。BIM技術在碼頭項目中的應用起步較晚，其軟件應用方法、技術路線等最早均參照建筑工程的BIM應用體系實施，這得益于建筑工程行業BIM技術發展較早，標準化程度也更高。隨著近年來數字化技術的快速發展和技術積累，港口類項目的BIM應用案例逐漸增多，不同類型的港口項目也在尋找最適合自身特點的BIM技術應用路線和解決方案，工程與BIM技術的結合愈發成熟。BIM技術的全面應用必將對水運行業的進步產生無可估量的影響。以BIM 模型為主要載體的信息表達方式將會發揮重要的信息傳遞和信息表達作用，并推動水運工程行業的數字化信息化發展[3]。

相較于常規的碼頭工程，自動化集裝箱碼頭工程復雜程度更高，涉及總圖、水工、航道、自動化裝卸工藝、路場、巖土、結構、建筑、電氣、給排水等相關專業，對專業間的配合和協同要求較高。傳統二維設計技術模式存在信息表述復雜、協同設計困難、數據傳輸能力差等問題[4]，隨著“一帶一路”倡議走向世界的同時，凸顯了技術和管理水平的不足；且項目的復雜性不斷增加，對設計水平的要求越來越高，傳統二維設計模式的局限性不斷放大[5]。使用 BIM 技術可以提高設計效率和質量，將枯燥的設計過程變為真實、生動的視覺體驗，在三維模型場景基礎上對方案進行設計優化及碰撞檢測，有效規避設計風險，提高設計質量[6]。本文針對欽州7#～10#泊位項目，結合集裝箱碼頭設計的特點以及業主方對BIM實施的要求，為提高項目的工程設計質量和數字化成果價值轉換而引入BIM 技術，在項目的協同、優化和創新上取得了顯著成果，建立一套基于設計階段自動化集裝箱碼頭的BIM+解決方案，保證設計模型中需共享的數據在設計各環節之間交換和應用，并在協同工作平臺上協同工作、共享模型數據，將項目實施過程數據關聯起來，以數據為驅動，推進工程建設項目的標準化、精細化、集約化和智能化發展。

1 工程概況

欽州7#～10#泊位項目位于欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區，建設4個自動化集裝箱泊位，碼頭可停靠20萬噸級集裝箱船，建設內容主要包括沉箱重力式碼頭、疏浚工程、水工建筑物、助導航工程等，項目模型見圖1。

圖1 項目BIM模型

2 BIM組織架構及技術路線

2.1 BIM組織架構

為確保BIM應用的順利開展及與施工階段BIM應用的整體銜接，根據實際情況建立了整體BIM應用組織架構，明確各方職責。根據項目設計的專業劃分，建立了專業齊全、人員經驗豐富的BIM專業團隊，負責具體BIM工作實施。由主管總工負責領導審核各項BIM工作的開展，明確實施方向。項目經理負責BIM具體實施，落實BIM工作進度。BIM團隊組織架構見圖2。

圖2 BIM團隊組織架構

2.2 BIM應用技術路線

1)BIM實施前，根據項目的實施目標、需求和特點，充分利用BIM技術及成果，結合類似項目的BIM應用經驗，對BIM應用技術路線進行了整體規劃，制定了項目的實施策略書，包括建立BIM應用流程、規范實施中的資源、行為和交付等內容，強化系統性和規范性，保障BIM工作順利開展、實現預期目標。各專業利用各自BIM軟件進行模型建立和成果表達等設計工作，采用云協同平臺，各專業將設計成果無縫上傳到云端服務器，實現數據的同步共享，保證數據安全和協同數據鏈完整。

2)項目進行過程中，為響應施工階段BIM應用的需求，確保設計階段BIM模型的信息在施工階段進行有效傳遞，根據指定的BIM建模標準對模型進行分區分塊分層，并按施工要求進行編碼，整體技術路線見圖3。

圖3 BIM技術實施路線

3 BIM技術應用

3.1 BIM協同設計

基于協同平臺進行多專業協同建模，通過軟件附加程序接口實現與總裝平臺的數據檢入和檢出，對協同平臺的模型文件管理及人員權限進行設定，保證模型數據的安全性。多專業多人員同時在平臺上進行操作，通過專業間模型的匯總，實時鏈接反饋，查看模型進度及完成情況，并可在總裝模型中標注、反饋問題，提高協作效率，增加專業溝通。利用總裝軟件直接從協同平臺參照模型文件進行總裝，保證各專業模型與總裝模型的動態關聯性，模型同步更新。支持版本追蹤，可以查看、打開或者鏈接不同版本的模型，保障數據的可追溯性。

3.2 設計方案優化

BIM是工程三維數字化的有效信息載體，也是各參與方之間溝通交流的橋梁。通過多專業的模型整合，有效規避設計風險，減少施工過程中的相關變更，快速獲知不同變更方案對成本的影響，提高變更決策效率。在BIM設計的過程中，各專業之間可以在三維可視化場景中進行多專業討論，所有交叉專業均可鏈接至同地場景，自由剖切漫游，多角度查看設計方案。同時，利用BIM模型參數化特點還可以快速調整方案，實時刷新成果，進行多方案比對，對不合理處直接進行標記和調整，形成會議紀要，方便后續進一步優化方案，極大減少施工過程中潛在的延誤和危險，明確設計責任，有效提升溝通效率和決策質量。智能導引運輸車(IGV)維修車間方案優化見圖4。

圖4 IGV維修車間方案優化

3.3 碰撞檢測

BIM技術的應用能夠為項目設計帶來顯著的質量提升，特別是在自動化集裝箱碼頭設計中，為了不影響地面流動裝卸設備作業，室外管線通常采用埋地敷設的方式，管線錯綜復雜，且集裝箱碼頭工程中的構筑物結構形式較多，構筑物基礎容易與管線相碰。通過對室外管線模型以及結構物模型進行總裝碰撞檢測，可以在設計過程中消除不協調的問題，大幅減少施工過程中的設計變更。基于協同平臺進行協同關聯，各專業互相參照鏈接，所有專業模型可實時匯總，在總裝軟件中進行碰撞檢測，查看交叉情況，減少碰撞的可能性，發現問題后進行高亮標注，召集專業協調，極大程度降低施工風險，保障項目的安全。自動化集裝箱碼頭項目各專業間交叉嚴重，尤其是堆場區室外管線部分，部分區域需考慮自動化小車定位設備的埋設，經初步碰撞檢測分析后共發現324處影響較大的碰撞點，碰撞檢測見圖5。通過在設計階段進行各專業間的碰撞檢測，可有效解決錯漏碰問題，防止施工階段的設計反復，提高設計和施工效率。

圖5 各專業碰撞檢測

3.4 BIM設計施工一體化應用

BIM全過程應用包括設計和施工2個階段，但是兩者往往各自完成相應的BIM應用，2條線并行，導致設計方提供的BIM模型對于施工方沒有使用價值或使用價值較低，無法滿足施工方的使用需求。為實現BIM技術在設計與施工階段的一體化應用，打通不同階段模型構件間的數據聯通，在設計階段提前考慮了施工方對BIM模型的需求，特別是在模型構件編碼、模型屬性信息及模型顆粒度方面。結合施工單位的編碼和分段規定，在設計階段對BIM模型進行了合理的編碼、分段和屬性附加，如現澆胸墻編碼為XQ-XX-1#-01，分別代表了胸墻所在位置及分項工程編號，方便施工單位進行統一管理和工程量統計，同時也方便施工單位基于模型的最小劃分單元開展施工進度、費用管控等施工階段的BIM延伸應用，提高了模型在施工階段的數據利用率，消除了設計、施工脫節的狀況。BIM設計施工一體化應用見圖6。

圖6 BIM設計施工一體化應用

3.5 自動化裝卸工藝虛擬現實仿真

該U形自動化集裝箱碼頭建設方案的特點是交通分離、交互簡潔、直進直出，技術領先。針對碼頭裝卸工藝及平面布置的特點，基于BIM模型成果，利用虛擬現實技術、輕量化圖形技術及游戲開發引擎技術等對自動化集裝箱碼頭的整體裝卸工藝進行數字化還原，設計模塊包括自動化集裝箱碼頭自由漫游、自動化雙小車岸邊起重機裝卸船、堆場區裝卸工藝及進出閘口模擬，實現了虛擬化場景中自動化裝卸工藝的沉浸式體驗，不僅能夠在虛擬的自動化港口中自如穿梭，還可以動態查看從船舶靠岸到集裝箱出運的完整自動化裝卸工藝流程，充分展示碼頭自動化、無人化、智慧化的特點，見圖7。

圖7 自動化裝卸工藝虛擬現實仿真

3.6 快速編程應用

鑒于BIM軟件應用過程中存在工程量導出格式的問題，結合快速編程軟件對軟件進行定制化開發，見圖8。自動分析待提取工程量的三維模型的體積、名稱和數量，為該模型創建序號，對提取出的數據排序、處理并加上相應的表頭，最后將整理好的數據導入到指定的Excel表格中。該方法可實現工程量標準格式的快速提取和分析，減少二次修改的工作量，提升了BIM軟件應用過程中的便利性和可行性。

圖8 快速編程應用

4 結語

1)BIM協同設計是提升項目設計質量的重要工具，在設計過程中，通過搭建云端協同平臺可以將各專業的設計三維成果進行匯總查看，基于可視化環境對設計方案進行優化，通過碰撞分析發現錯漏碰等問題，及時解決設計問題，也可以減少施工過程中因設計出現的問題。

2)在項目實施前，應組建相關的BIM組織架構，明確各方職責，確定BIM技術在項目中的應用點，明確設計施工銜接方法，確定模型的精細化，制定項目BIM實施技術路線，包括人才的培養、制度的建立等，提前做好充足準備，確保項目的有效推動。

3)利用BIM技術的延伸性和拓展性，積極開展數字化應用。BIM代表的不僅是單純的三維模型，其潛在價值還在于三維模型的延伸應用。常規工程項目無法針對項目本身開展深入的應用，而BIM的出現可以有效提升項目的價值。利用BIM成果開展多項拓展應用，在提高設計效率的同時，實現了項目價值的提升，以數據為驅動，推進工程建設項目管理的標準化、精細化、集約化和智能化發展。