BIM 技術在沉箱重力式碼頭施工中的研究與應用

楊磊，李增軍，何偉松

（1.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

BIM 技術作為應用于建設全生命周期的三維數字技術，它以一個貫穿其生命周期都通用的數據格式，創建、收集該設施所有相關的信息并建立起信息協調的信息化模型作為項目決策的基礎和共享信息的資源。

本文以BIM 技術在沉箱重力式碼頭施工中的應用為例，通過工藝模擬、工序推演、快速算量、輔助圖紙會審等方面的研究與應用，有效地提升了工作效率，減少了施工成本，賦能項目管理，取得了良好的經濟和社會效益，進一步促進了企業數字化轉型升級。

1 工程概況

欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區9 號、10號泊位工程為2 個新建10 萬噸級自動化集裝箱泊位，主體為沉箱重力式結構，基床厚1 m，坐落于中風化泥巖上，沉箱預制安裝共計33 座，單座沉箱長23.92 m、寬15.8 m、高21 m，最大重量約3 600 t，臨時護岸全長421 m，港池疏浚面積約44.6 萬m2；泊位總長度783 m，年設計吞吐能力為161 萬TEU。

該工程是全球第1 個采用垂直岸線布置的堆場雙側作業U 形工藝方案，全國第1 個海鐵聯運自動化碼頭。

2 BIM 建模要求

2.1 建模標準及精度要求

項目正式開工前，根據工程特點，結合JTS/T 198-2—2019《水運工程設計信息模型應用標準》[1]和JTS 257—2008《水運工程質量檢驗標準》[2]要求，對模型建模標準及精度等做出詳細要求（見表1），對于模型精度最高為LOD500，確保滿足現場施工需要。

表1 建模標準及精度要求Table 1 Modeling standards and accuracy requirements

2.2 模型編碼原則

模型編碼編制以一致性、獨立性及全面性為原則，共設置6 位編碼，級別分別為項目工程編碼、一級代碼（單位工程）、二級代碼（分部工程）、三級代碼（分項工程）、四級代碼（檢驗批）、工程部位（根據施工需要編制），具體示例見圖1。

圖1 模型編碼原則圖示Fig.1 Model coding principle diagram

2.3 協同要求

建模前，根據項目情況及設計圖紙，建立標準項目樣板，各人員采用同樣的軟件版本，根據分工在同一個項目樣板中完成BIM 模型的創建，最后通過Naviswork 及BIM 協同管理平臺完成模型的總裝，要求所有模型均以實際坐標繪制。

3 BIM 技術在沉箱重力式碼頭施工中的應用

3.1 模型展示

通過專業軟件Revit、Civil 3D 等進行水工碼頭結構、北部灣預制場、設備設施等三維模型設計與創建[3]。基于BIM 協同管理實現多專業、多組織的互動協同，實時可視化了解與熟悉模型，可二次深化結構設計與模型創建，實現基于模型的方案優化等工作。沉箱和碼頭BIM 模型見圖2。

圖2 沉箱和碼頭BIM 模型Fig.2 BIM model of caisson and wharf

3.2 漫游展示

漫游展示能夠在一個虛擬的三維環境中，用動態交互的方式對未來的工程實體進行身臨其境的全方位的審視；可以從任意角度、距離和精細程度觀察場景；可以選擇并自由切換多種運動模式[4]。而且，在漫游過程中，還可以實現多種設計方案、多種環境效果的實時切換比較。能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗。

3.3 工藝演示

本工程疏浚工程量大、面積廣，是制約碼頭施工進度的重要工序，且疏浚還包含挖泥及炸礁清渣。為了清晰地表達疏浚過程，以碼頭前沿疏浚為主線，采用分層、分段的開挖工藝，及開挖過程中的船舶配置情況，利用BIM 模型進行三維演示（見圖3），清晰直觀。

圖3 疏浚工藝演示Fig.3 Demonstration of dredging process

3.4 疏浚算量

將原泥面測量數據和施工后地質測量數據導入到Civil 3D 中，創建體積曲面，可準確計算2個曲面間的體積，求出疏浚工程量。也可利用Civil 3D 中的放坡功能進行地形設計，設計邊坡時，將目標曲面設定為原地面，選擇合適的放坡規則，確定挖填方坡度，向指定方向上創建放坡，邊坡創建完畢后利用放坡填充功能創建坡底，即得到設計曲面，進而計算設計疏浚量[5]。

3.5 圖紙會審

在BIM 建模的過程中，等同于將工程的建設過程在電腦上進行了預演，可有效發現因二維圖紙設計造成的圖紙問題，輔助技術人員提高圖紙會審水平。例如發現設計圖紙中預埋螺栓絲扣長度過短不滿足要求、結構圖紙與預埋件圖紙位置不符等問題。三維建模圖紙會審機制，可有效避免現場返工，提升現場施工效率，節約施工成本。

3.6 進度推演

利用Fuzor 軟件，將施工進度計劃與BIM 模型掛接，進行4D 施工進度模擬，管理人員可通過進度推演，分析進度編排是否合理，便于及時編排和調整進度計劃。例如：護舷的安裝原計劃緊跟磨耗層流水施工，不利于磨耗層的成品保護，可以考慮碼頭面基層施工完成后再進行護舷安裝，最后澆筑磨耗層，保證成品質量[6]。

3.7 輔助場地布置

施工場地布置是施工組織設計中的重要部分，大型臨建設施及施工現場的布設是項目安全高效施工的前提和基礎。通過Revit 與Lumion 等專業軟件，將繪制完成的二維場地布置規劃圖，三維可視化展示，對北部灣預制場的場地地形、既有設施、周邊環境、施工區域、臨時道路及設施、加工區域、材料堆場、施工機械等進行規劃布置和分析優化，實現場地布置科學合理性。

通過渲染的BIM 三維模型可直接感受現場實體效果，體現了以相關信息數據為基礎建立三維模型，并將它們之間的關系通過三維的形式表現出來，與傳統二維圖紙相比，表達更加直觀。沉箱預制場三維模型如圖4 所示。

圖4 沉箱預制場三維模型Fig.4 Three-dimensional model of caisson prefabricated yard

3.8 方案模擬

工程在施工階段會遇到許多問題，而BIM 施工方案模擬在其中扮演的角色是可視化以及交互性。首先通過Revit 等專業軟件進行模型創建，再通過Fuzor 等動畫軟件進行模型動畫編輯，形成動態視頻，最后將原始文件以施工邏輯串聯成完整的視頻。通過視頻預先演示施工現場的現有條件、施工順序、復雜工藝以及重點難點解決方案。通過施工方案模擬，可針對性地討論方案的可行性、安全性、經濟性等關鍵問題，同時也可協助項目管理者管理現場的施工進度控制、施工質量控制，達到節約成本，減少工期的目的。

3.9 碰撞檢查

在電腦BIM 軟件中提前預警工程項目中各不同專業在空間上的碰撞沖突[7]。利用BIM 軟件平臺的碰撞檢測功能，根據各專業管線發生沖突時，有壓管讓無壓管，小管線讓大管線，施工容易的避讓施工難度大的，再考慮管材厚度、管道坡度、最小間距以及安裝操作與檢修空間等，結合實際綜合布置避讓原則，完成結構與設備管線圖紙之間的碰撞檢查，加快各專業人員對圖紙問題的解決效率。

本項目利用BIM 軟件平臺碰撞檢測功能，預先發現了預制場鋼筋整體綁扎吊裝架圖紙中存在的碰撞沖突問題，通過及時反饋設計單位，進行施工方案優化與高度控制等措施，減少由此產生的變更申請單，避免后期施工因圖紙問題帶來的停工以及返工，不僅提高施工質量，確保施工工期，還節約大量的施工和管理成本，也為現場施工及總承包管理打好基礎，創造可觀的經濟效益。

3.10 標語展牌規劃

通過BIM 專業建模與渲染軟件Revit、Lumion等，對預制場及施工現場永久性宣傳標語、標識標牌進行建模和渲染。提前展示預制場標牌的尺寸、顏色等仿真效果。結合BIM 技術的可視化對預制的標語展牌進行現場模擬并開展三維交底，使現場制作不再僅僅依靠平面圖紙提高認知度，避免因理解不當而造成的返工現象，加快施工速度，提高現場標語展牌制作效率。

3.11 云端全景漫游

將BIM 渲染的全景照片導入到720 云，可生成全景漫游[8]。利用二維碼技術與BIM 模型進行結合，將模型轉換為云端輕量化的數據，項目現場人員可通過PC 終端、WEB 端或移動端隨時隨地掃描二維碼，進行項目的三維查看、瀏覽、標記。同時全景漫游支持VR 設備，可與現場虛擬環境深度交互，產生身臨其境的沉浸感，能為體驗者帶來更加直觀的體驗感受。碼頭全景漫游如圖5 所示。

圖5 碼頭全景漫游Fig.5 Wharf panorama tour

3.12 基于Dynamo 的批量處理

3.12.1 批量導出工程量

選擇要提取出工程量的模型，利用Dynamo的Element Get Parameter Value By Name 節點獲取體積參數，提取相應模型的體積、名稱和數量，利用Element Name 節點獲取圖元名稱，用List Count 節點獲取各個圖元的數量，為這些模型創建序號，將提取出的數據排序、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。

3.12.2 批量導出設計坐標

利用Dynamo 中的Get Location 節點獲取圖元相對坐標，同時獲取族編碼參數，再將相對坐標轉換為絕對坐標。最后利用Data Export Excel 節點將坐標值和構件編碼導出到Excel 中。

3.12.3 模型快速編碼

利用Dynamo 的Curve Points At Equal Segment Length 節點在已有BIM 模型的線上生成指定數量的點，利用List Filter By Bool Mask 和List Map 等節點判斷點與圖元的相交情況并將相交的篩選出來，然后用Sequence 等節點創建相應的編碼，最后用Element Set Parameter By Name 節點把相應的編碼添加到相應的構件中。

3.13 BIM+Unity 3D 應用

利用RFID 芯片可將現場預制臺座選擇、鋼筋下料、鋼筋綁扎、模板支立、混凝土澆筑、沉箱養護、沉箱橫移及各工序驗收等統籌一體，過程關鍵工序數據采集并上傳，通過二次開發實現BIM+Unity 3D 聯動模式，實時展示現場施工進度。

沉箱預制場臺座處設置RFID 芯片，實現現場生產變化實時通訊，系統配備專用掃碼槍，一鍵錄入信息，記錄現場每道工序的開始和完成時間，現場施工實際情況即刻上傳至后臺數據庫。

通過二次開發，將沉箱預制場、鋼筋、模板、混凝土、大型設備等BIM 模型導入到Unity 3D 軟件中，利用Unity 訪問后臺數據指令，通過Socket協議，連接后臺數據庫，實時讀取RFID 芯片最新數據信息。通過設置各工序流程的返回值，Unity 3D 軟件自動完成現場施工工序，實現BIM模型與現場施工同步聯動，達到虛擬與現實實時交互的效果，實現沉箱預制的數字孿生。

3.14 BIM 協同管理平臺

本項目采用自主研發的BIM 協同管理平臺，支持模型輕量化、安全質量管理、進度管理、文檔管理及費用管理等；平臺支持手機端、電腦端操作，相關人員可以將現場的質量問題和驗收上傳至平臺，并要求相關參與方人員落實及整改，實現質量、安全巡檢、整改閉環、報表管理、實測實量及質量驗收，提升質量和安全管理水平。

4 應用效果

4.1 技術方面

通過BIM 技術，能更輕易地發現圖紙問題，快速提取工程量，賦能臨建規劃設計、工藝模擬等技術準備工作，使技術準備工作更具體、更具操作性和實用性，有效提高工作效率和質量。

4.2 管理方面

以BIM 技術為突破口，將現場資料、質量、安全、進度等管理任務與BIM 協同管理平臺相掛接，實現信息集成化，提高溝通和協作的效率。如資料管理，將各方資料收集存儲于云端，避免了人員流動造成的資料流失；現場安全巡查、質量巡查等問題及時通過平臺傳遞到個人，形成閉合，完成后可自動生成表單，實現管理閉合。

4.3 經濟方面

通過BIM 技術發現的圖紙問題、設計優化等內容，有效避免了現場返工的發生，也為項目節約了施工成本；通過工藝模擬和施工進度推演項目進度，避免了工序交叉存在的沖突問題，確保了流水作業施工，為項目節約了大量成本。

4.4 社會方面

將BIM 技術與傳統水工項目相結合，獲得了監理、業主等外部單位的一致好評，該項目同時取得了多項BIM 大獎，打響了公司的品牌形象，取得了良好的社會效益。

5 結語

BIM 技術在沉箱重力式碼頭施工過程中，通過三維可視化模型的建立，可以應用于漫游展示、工藝演示、工程算量、圖紙會審、進度推演、場地布置、方案模擬、進度推演、協同管理等工作。BIM 技術在本項目的成功應用，減少了項目的不確定性和不可預見性，提高了施工時建立、理解、傳遞項目信息的效率和降低出錯的概率，使項目管理更精細化，從而幫助項目提高質量、控制工期、降低成本，賦能項目管理，提升了管理水平，對于類似工程具有較強的推廣和借鑒意義。