液化天然氣（LNG）碼頭的BIM 正向設計

崔冠辰，艾紹平，李嬌嬌，冀坷帆

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220；2.北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035）

引言

液化天然氣（LNG）接收站，通常都會有配套的碼頭用于接卸海上運來的液化天然氣，通常碼頭會包括一個主碼頭和一個配套的工作船碼頭。主碼頭用于停靠LNG 船并完成接卸工作，配套的工作船泊位用于停靠拖輪等具有輔助靠泊功能的小型船舶。

本文以天津南港某LNG 接收站的配套碼頭水工結構設計為例，展示三維正向BIM 設計在水工結構設計上的應用。

1 示例工程簡介

天津南港LNG 儲備項目配套碼頭工程位于大港港區LNG 作業區，在東港池東側岸線北段，LNG碼頭和工作船碼頭均采用引橋順岸式布置型式，北側為LNG 泊位，南側為工作船泊位。碼頭最大可靠泊26.6 萬方LNG 船。

LNG 碼頭長380 m，由1 座工作平臺、4 座靠船墩和6 座系纜墩組成。港池護岸處布置1 座碼頭控制平臺，碼頭與陸域之間通過引橋及控制平臺相連。工作船碼頭位于LNG 碼頭南側，碼頭長105 m，寬18 m。LNG 泊位碼頭工作平臺、靠船墩、系纜墩均采用現澆鋼筋混凝土墩臺結構，下部基樁采用鋼管樁。工作船碼頭采用高樁梁板結構，下部基礎采用預應力混凝土空心方樁。

2 碼頭結構的三維正向設計

本項目在設計過程中采用先建模型后出圖的正向設計模式，因此對設計模型的精度有較高要求。

2.1 模型組織

本工程的很多設計圖紙完全源自精確的設計模型，在局域網環境下，本工程采用中心模型與鏈接模型相結合的方式，把整個工程不同部分的模型組合在一起。其實在Revit 中“中心模型”和“總模型”是有本質區別的，一個模型是否是“中心模型”只說明了該模型是否可以由多用戶遠程操作，而“總模型”則是把多個分模型鏈接在一起的那個模型，總模型和鏈接在總模型里的分模型都可以是“中心模型”。

為了達到專業內協作的目的，設計過程中將多個中心模型放置在服務器端，然后在客戶端將多個中心模型鏈接在一起，形成一個總模型，這個總模型也保存在服務器端，這樣幾個設計人員可以同時建模并同步，同時這種組織方式還有一個好處是每個模型都不會很大以致于無法流暢操作。

2.2 結構計算

結構計算是碼頭水工結構在設計工作中最為重要的一環，也是BIM 技術能否真正落地的關鍵一環。在結構分析領域除了如Robot 之類專門的軟件之外國內公司還有開發了很多插件，如PKPM for Revit，盈建科for Revit。另外，據悉建研院與Bentley簽署了戰略合作合同，將PKPM 加入Bentley 的大平臺[3]。

但是在水運工程設計領域，由于標準化程度極低，受眾少市場小，專門為水運工程領域做計算軟件的公司也很少，中交二航院已經嘗試了Revit 與Robot Structural之間的對接，雖然Robot是Autodesk公司推薦的BIM 平臺的結構有限元計算軟件，但是Robot 在水運行業應用很少，且國內鮮有官方的技術支持；中交三航院與上海易工公司聯合研發了“易工水運工程結構CAD 集成軟件”，該系列軟件比較適應水運設計行業的習慣，但是其墩臺計算模塊在與Revit 模型的對接上還不夠成熟[4][5]。

我院自主研發了Autodesk Revit 平臺上的墩臺計算模塊，在特定族的配合下，該模塊可以將Revit模型簡化并傳遞至大型通用有限元分析軟件ABAQUS 中進行結構內力分析，并自動將計算結果提取至Excel 表中，用于后續對計算結果進行分析組合，圖2 所示為本工程主碼頭結構計算使用的墩臺計算模塊。

圖1 碼頭結構局部示意

圖2 Revit 平臺上的墩臺計算模塊

墩臺計算模塊對于ABAQUS 的自動化操作全部依賴ABAQUS 的Python 腳本功能，從模型建立、網格劃分到提交運算，全部借助ABAQUS 的Python解釋器實現。模塊會依據Revit 中的設計模型在系統的臨時目錄中建立一個特定名稱的Python 腳本文件，腳本內容會隨模型不同而不同。然后從系統控制臺帶參數啟動ABAQUS，并讓其執行由模塊生成的腳本，完成設計模型到分析模型的轉化。圖3所示為工程在Revit 中的設計模型和ABAQUS 中的分析模型。

圖3 設計模型與分析模型

一般情況下，在有限元分析軟件中建立樁基的分析模型十分繁瑣，本工程的工作平臺結構下有90根樁，每根樁的扭角和斜率都不同，直接在有限元分析軟件中建立分析模型需要大量時間，實際操作中墩臺結構計算都伴隨有大量的樁位調整工作，調整樁位在有限元分析軟件中很難操作而在設計軟件中則容易很多，因此該模塊的使用可以大大壓縮結構計算需要的時間。

2.3 樁基設計

樁基設計是高樁碼頭結構設計中最為重要的一環，一般來說樁基設計包括樁位設計和樁型設計。

在樁位設計中，常用的設計軟件或多或少都存在一定缺陷，最大的問題是鮮有軟件能做到實時反饋碰樁驗算的結果，在完成樁位設計后，還需根據打樁設備排布打樁順序，分析樁位的可實施性，再根據分析結論反過來修改樁位設計，這個過程要多次反復進行。

在樁長設計中，需要根據每根樁對應的鉆孔逐一手動確定持力層位置和樁底高程，再將每根樁的長度按一定模數取整變為加工長度，按加工長度統計樁型表，在表中給出每個位置的樁的加工長度。整個設計過程中，操作繁瑣，極易出錯，嚴重影響設計效率。

在特定族的配合下，樁位設計模塊可以實時對200～300 根樁的碰樁驗算結果以不同顏色進行區分，樁位調整與結果反饋之間的距離大大縮短，圖4 所示為樁位設計模塊的預覽窗口，存在碰樁的樁會以粉紅色顯示出來。

圖4 工作平臺的樁位界面

為了能實時驗算盡可能多的樁，在碰樁驗算算法上，模塊做了一定優化，比如對兩根樁頂距離較遠的樁會進行簡化計算，只有對樁頂距離較小的樁才會進行詳細計算，并在界面中給出樁間距離（包括中心距離和凈距離）和兩根樁最近點的高程數據，需要給出高程數據是因為根據實際施工操作經驗，如果樁間的最近點靠上，施工時會更容易控制，因此即使凈距離較小在必要也認為可以滿足要求，這些是需要人為根據經驗去判斷的。

圖5 為集成在Revit 中的樁型設計模塊，該模塊可以讓樁基自動匹配持力層曲面，按樁端的平面位置尋找最近的鉆孔確定樁底高程，然后按一定長度模數劃分樁型，并自動統計生成樁型統計表，大大提高樁型統計的效率及質量。

圖5 樁型設計模塊界面

2.4 結構圖設計

結構圖設計有賴于項目樣板和一套完整的基礎標注族和符號族，為此定制了“水運工程設計樣板”，并在設計樣板中集成了字體、圖框、標注樣式、常用的注釋族及大量出圖需要使用的基礎二維注釋符號。還包含了一些功能模塊需要使用的族，例如鋼筋標注功能或重心標注功能需要使用的標注族。

圖6 定制字體界面

有了定制的項目樣板和標注族才能得到符合水運工程設計習慣的圖紙，圖7 所示為本工程集液池的結構示意。

圖7 工程集液池結構示意

在結構圖尤其是斷面或立面圖的設計過程中，通常需要繪制地質信息，地質信息可以以鉆孔柱狀圖的形式附在圖上，鉆孔柱狀圖的繪制雖然只是圖紙設計上很細節的一個問題，但是由于繪制過程比較繁瑣，也是設計過程中的一個痛點。為了解決這個問題，我院研發了鉆孔柱狀圖繪制工具，利用該工具，結合預制在項目模板里的柱族文件，設計人員可以方便的生成柱狀圖，很大程度上可以減少手工繪制的工作量。

圖8 鉆孔柱狀圖工具和生成的柱狀圖

對于一些形狀復雜的結構，單憑設計人員的想象很難快速準確的繪制出二維圖紙，而在三維正向設計模式下，這個問題可以很大程度上得到緩解，以本工程的海水泵房為例，這是一個形狀復雜的地下結構，從模型直接出圖的正向設計模式大大提高了設計效率和設計成果準確性，泵房結構設計圖紙如圖9 所示。

對于如此復雜的結構，施工單位靠設計圖紙很難快速領會設計意圖，而三維模型可為施工單位提供必要的支持。

2.5 配筋圖設計

配筋圖設計是一個項目施工圖階段無法回避的問題，也是耗時最長、最為復雜和繁瑣的工作，配筋圖不僅僅是鋼筋的形狀設計，還有鋼筋的標注和統計。國內的水運工程設計上對于鋼筋有特殊的標注和統計習慣，這些習慣在軟件的原生功能中都不支持，因此我院也特為此研發了鋼筋從建立、標注到統計一整套工具，用于輔助配筋圖設計。

鋼筋建模僅靠原生的建模工具建立會十分困難，因此我院研發了三維鋼筋工具，該工具類似一個開發環境，允許用戶使用特定的語法用要配筋的混凝土構件的外形尺寸去描述內部鋼筋的形狀，尺寸和布置方式，這樣可以大大提高鋼筋建模的效率，對于預制構件來說，由于鋼筋的形狀尺寸和布置方式均與構件的外形尺寸掛鉤，因此可以達到一次定義重復使用的目的，對于本工程的附屬工作船泊位這種預制梁板類的碼頭，使用三維鋼筋工具可以大大提高配筋圖的設計效率，并且可以保證設計質量。圖10 所示為包含鋼筋的構件模型。

圖10 包含鋼筋的構件

水運工程的鋼筋標注方式應該說比較特殊，這些標注方式原生設計軟件中并不支持，也無法通過定制標注族的方式去實現，因此需要通過二次開發讓原生軟件具備此功能。

Revit 在標注上的操作習慣更符合建筑行業的批量標注的習慣，即先大批量生成標注，再手動挪動個別發生重疊或遮擋的標注，因此標注通常都是一步操作即完成，即使需要引線也先為標注添加引線，再拖動引線箭頭至需要的位置。對于水運行業的鋼筋標注樣式，把標注過程分為兩步操作上會更加便捷，第一步確定引線端頭的位置，然后拖動至標頭需要的位置再確定。按此操作習慣在Revit 中定制鋼筋標注工具，結合標注族和API 的功能，即可實現符合水運設計行業操作習慣的鋼筋標注工具。圖11 所示為用此完成的預制構件的配筋圖設計（如）和部分現澆構件的配筋圖設計。

圖11 水運工程的鋼筋標注方式示意

配筋圖里的鋼筋表也是水運工程設計上所特有的，鋼筋表的樣式已傳承數十年，統計方式也結合了多年建港的設計和施工經驗，長度和重量的計算方式也充滿了行業特色，例如鋼筋的長度對于某些鋼筋應該按內皮計算，帶彎鉤的鋼筋在算長度時需要增加若干倍鋼筋直徑等等，這些在原生軟件里無從體現，因此我院有按照目前的行業習慣研發了鋼筋表工具，提高鋼筋統計效率和準確性。圖12為鋼筋統計模塊，圖13 為鋼筋統計模塊在Revit 中以繪圖視圖的形式生成的鋼筋表，完全滿足水運工程的設計習慣。

圖12 鋼筋統計模塊界面

圖13 鋼筋統計模塊在Revit 中生成的鋼筋表

3 小 結

在施工圖設計過程中，BIM 技術的介入很大程度上提高了設計效率，也可以保證設計質量，在實際操作過程中也發現了一些問題，也積累了一些使用經驗供大家參考借鑒，這些問題和經驗更多的來自軟件操作層面，與工程本身沒有太大關系。

3.1 關于圖面注釋

圖面上免不了有各種各樣的注釋，例如圖14所示的注釋，在施工圖設計過程中大量存在。

圖14 圖面標注

為了實現這種注釋樣式，使用常規注釋族模板定制了一種常規注釋族，注釋族中包含上下兩個文字類的參數，還包含一個數值型參數用于調整橫線長度，引線的添加借助Revit 為每個注釋提供的添加引線功能實現，如圖15 所示。

圖15 為注釋族添加引線

使用這個常規注釋族可以很大程度上滿足圖面注釋的需求，但是這種注釋存在一個問題，就是引線端頭不具備捕捉能力，比如需要標注一條軸線，注釋引線的端頭無法準確捕捉到軸線上，只能手動盡可能接近軸線。

3.2 關于dwg 圖紙生成

從Revit 中導出dwg 圖紙這個過程并不復雜，但是實際操作中也發現了一些問題：

首先是導出成dwg 圖紙時，Revit 會把圖紙放在布局里，各個視圖以視口的形式出現，視口會被放在一個不打印層上，視口的尺寸恰好夠顯示要顯示的圖形，在有些時候，需要顯示的圖形中會有某條線與視口邊界重合，此時這條線就會被視口邊界線覆蓋，而由于視口邊界被放在了不打印層上，因此這條需要顯示的線就無法打印出來。為了解決這個問題，只能手動把視口拉大一點，這樣才能保證最終從打印機端輸出的圖紙的完整性。

其次是Revit 中的文字在導出成dwg 文件時，有時會被斷開成若干個文字圖元，如圖16 所示，一行文字被分成了若干個單獨的文字圖元。

圖16 被斷開的文字

此時如果在CAD 中需要修改文字時就會很麻煩，經實踐，出現這個問題的原因是導出時的文字設置，見圖17 所示，默認情況下為保持視覺保真度，選擇此選項時，Revit 會保證每個文字即使導出成dwg 格式，仍然在原位置，不會因為字體在CAD與Revit 中顯示的區別而錯位，而實現這個目的的方式就是在適當的位置將文字斷開并適當偏移。

圖17 文字導出設置

因此為了保證導出的dwg 文件中文字的完整性，應在此處選擇“保留可編輯性”，這樣導出的文字就不會被斷開。

3.3 關于Revit 中的標簽文字

在Revit 中制圖很多時候都需要使用標簽，標簽用于提取圖元參數并顯示出來，因此在標注里使用標簽可以達到模型信息與圖紙聯動的效果，從而保持圖紙信息的準確。但是在使用過程也發現了一點問題，就是標簽文字是無法換行的，這就導致有時標簽過長，對于此問題，目前還沒有什么好的解決辦法，只能將其導出到CAD 中，在CAD 中將文字調整為需要的長度。

3 結語

BIM 技術在水運工程設計領域起步較晚，目前存在諸多軟件不適應性問題，這些問題更多源自水運工程設計領域的受眾小。通過對現有設計平臺功能的深入挖掘以及對設計軟件進行二次開發，可以很大程度上緩解軟件功能與設計需求之間的不適應。

本文以LNG 碼頭工程設計為例，展示了利用BIM 進行三維正向設計相對于傳統設計有諸多優勢，可以歸納為以下兩點：

1）在合適的工具加持下，BIM 正向設計可以很大程度上提高設計效率，同時可以保證設計質量；

2）對于復雜形體，正向設計不但可以提高設計效率和準確性，還可以讓施工單位更快更好的理解設計意圖。

隨著越來越多的水運工程設計項目采用BIM正向設計模式，設計手段和工具也會不斷迭代升級，通過不斷嘗試與經驗積累，正向設計未來會日臻完善并逐漸普及。