BIM在复杂多曲面船闸输水廊道建造中的应用

黄天荣

（上海国际航运服务中心开发有限公司，上海 200082）

BIM在复杂多曲面船闸输水廊道建造中的应用

黄天荣

（上海国际航运服务中心开发有限公司，上海 200082）

基于BIM三维空间技术，实现了船闸输水廊道前端复杂多曲面异形空间设计及优化，并结合BIM对输水廊道前端进行施工模板拆分、拼接、安装及工程量统计等工作，解决了船闸输水廊道复杂多曲面异形空间施工难题。工程实践表明，该办法简单易行、效果显著，可缩短工期与节约成本，是一种可复制、易推广的新技术。

建筑信息模型；复杂多曲面；优化；模拟；应用

0 引言

BIM（Building Information Model，建筑信息模型）是以三维数字技术为基础，对建筑物理和功能特征进行数字式表达，并集成了建筑工程项目各种相关信息的一种工程数据模型[1]。由于BIM技术具有信息共享及虚拟建模的优势，21世纪以来BIM的应用取得了突破性进展，正逐步成为一种取代二维图纸的新型信息模型。在我国，BIM正日益得到重视与应用，先后有北京奥运会水立方、上海世博会地下变电站、上海中心以及上海迪斯尼等重点项目应用了该项技术[2]。然而，当前BIM的应用主要局限于工民建、市政等领域，BIM在水运工程领域的应用才刚刚起步[3]，由于水运工程是建筑业的重大组成部分，推进BIM技术在水运工程的应用，势必对全面促进我国建筑业信息化[4]、提高企业竞争力与效益等有巨大的积极意义。

以上海国际航运服务中心西船闸输水廊道前端为例，介绍了BIM在船闸输水廊道前端复杂多曲面异形空间设计及优化中的应用，并结合BIM三维模型对复杂多曲面异形空间进行了模板拆分、拼接、安装以及工程量统计等工作，提高了施工精度，缩短了施工工期与节约成本，为工程顺利竣工提供了有力保障。BIM在上海国际航运服务中心西船闸输水廊道实现了成功应用，并取得了良好的效果，可为类似的水运工程项目应用BIM技术提供有益的技术借鉴。

1 工程概况

上海国际航运服务中心位于上海市虹口区北外滩汇山地块，东起秦皇岛路轮渡站，西至公平路轮渡站，北侧为拟建的大连路泵站搬迁工程，南临黄浦江。由于项目为公共环境工程，项目进行了别具一格的创新滨水景观设计[5]，其亮点之一便是在地块设置了西船闸将游艇码头与黄浦江相连。为保证船闸输水稳定、减小噪声以及节水、节地等，项目创新设计了垂直于河道的内循环单侧输水系统[6]，输水廊道前端采用复杂多曲面异形结构设计保证输水，如图1所示。

图1 输水系统及输水廊道异形曲面Fig.1 Filling system and the culvertw ith com plex curved shape

由于该输水系统为首创，有关复杂多曲面输水廊道的建造并无先例，而工艺要求混凝土结合面平整光滑、无错缝，且浇筑时不允许能漏浆、挂浆、蜂窝等现象。同时，本工程进度要求紧、施工难度大，为了保障项目能顺利按时完成，项目决定引进BIM三维建模技术指导这种复杂多曲面异型空间的设计与施工。

2 空间信息及优化

2.1 空间信息三维展示

由于船闸输水廊道为一典型的复杂多曲面异形结构，形状较为复杂，而且也非常不规则，平面CAD的二维图纸很难将设计意图表达清楚，容易造成参建各方对图纸理解不一致，造成出错甚至酿成重大工程质量事故。

为准确表达复杂的设计意图，减少理解偏差，提高项目参建各方的沟通效率，项目组基于BIM技术建立了船闸输水廊道三维实体模型，并在此模型上加以空间尺寸标注，直观定量表达出船闸输水廊道的形状、尺寸以及相对关系等，实现了船闸输水廊道复杂多曲面异形空间设计。通过这一三维实体模型的展示，参建各方真正掌握了设计意图，指导了船闸输水廊道的建造。模型图详见图2。

图2 船闸输水廊道空间信息Fig.2 Space information of culvert in ship lock

2.2 设计信息优化

2.2.1 带状轮廓修改

通过对输水廊道三维模型进行详细检查，发现了原先设计的进水口左侧带状轮廓过于复杂，会大大增加模板施工的难度及造价，于是将原来带状轮廓改成线状。此外，仔细研究输水廊道前端内部空间后发现，空间过小可能影响检修操作，在与船闸未来运营单位沟通后，在输水廊道前端右侧增加了检修爬梯，方便从侧边进行检修操作。

2.2.2 圆倒角变直

BIM三维模型还显示，输水廊道轮廓的圆弧倒角曲面拟合收缩均过于复杂，严重影响了后期模板的安装及施工质量，在不影响水力条件和规范要求的前提下，对输水廊道设计进行进一步的优化，将区域内圆倒角全部平滑过渡直倒角。

3 施工模板及优化

由于前端输水廊道空间结构异常复杂，其配套的异形多曲面模板安装比较困难，而施工精度要求高，施工难度大，因此项目组结合BIM技术对模板工程进行专项的设计与优化。

3.1 模板加工方案

经过研究，项目组提出两套输水廊道前端的模板加工方案。方案一是数控机床加工方案，整个输水廊道前端按照复杂程度分为三大块，每块模板在数控机床上独立成型后驳运到现场后吊装、焊接；方案二则是基于BIM的可拆卸钢模板加工方案，利用BIM技术将复杂多曲面异形结构拆分为若干块，每块单独加工生产，采用钢板和模板支撑分块焊接和拼装，最后再拼接成型。

上述两方案中，方案一技术可行、工程质量有保障，但经济性欠差，且钢板加上支撑体系重量偏大，吊装、拼接异常困难，而施工现场操作空间有限，如采用驳船浮吊，作业半径过长限制了单次起吊的重量。而方案二更适合现场施工，安装较为便捷，施工质量同样可以控制，最为重要的是方案二的模板可拆卸，这样在后期的东船闸工程可重复利用，经济技术指标优势明显。

综上，经过技术可行性及经济性的比较，最终选定方案二为输水廊道复杂异形结构的模板加工方案。

3.2 基于BIM的优化

为配合模板施工，BIM在辅助模板设计、验证模板拆分方案、校核模板生产、进行模板安装和拆除分析等环节发挥了重要作用，涵盖了模板设计、生产、安装到拆除四个环节。可以说，BIM技术的应用贯穿了西船闸输水廊道前端异形结构施工的全过程。

3.2.1 模型

通过与模板生产厂商沟通，初步了解模板设计方案及生产加工细节，根据与生产厂商沟通的结果，建立了模板的BIM三维实体模型，并以此为基础辅助模板细部设计、进行拆分尝试等，以最终提出切实可行的拆分方案，满足制作方便、安装准确及与吊装的要求。

3.2.2 生成拆分方案

对于模板的拆分，实际上有无数种不同的方案可供选择。结合工程施工经验，考虑到工序流程、拆分方便及精确安装等，运用BIM技术有针对性地进行了拆分和安装模拟，发挥了BIM技术特有的虚拟结构模拟优势，最后把模板拆分为如图3的8大块。

图3 模板拆分方案Fig.3 Splitting schemeof the template

3.2.3 校核模板拼接

为了确保施工中无漏浆、挂浆、蜂窝等现象，根据模板生产后的实测数据，采用BIM技术进行了模板的拼接复核，如果量测缝隙小于或等于2 mm，就不需要采取止浆措施，如大于2 mm，就根据缝隙的具体情况采取止浆条或其他措施，避免漏浆或挂浆等问题。

3.2.4 模拟安装和拆模

利用BIM技术的虚拟漫游功能，对模板工程进行了模拟安装及拆模，参建各方因此清楚知道整个拼接安装的空间结构，并得出了最窄位置的准确定位，了解施工难点及关键工序，并有针对性地采取了措施，并为脚手架的布置提供了重要信息。最终，本模板工程施工准备充分，实现了完全的预控，保证了施工质量。

3.2.5 模板工程算量

通过三维建模、设计优化及施工模拟等，项目组拥有了最贴近真实构筑物的三维BIM模型，以及大量的基础数据和文档资料。基于这些信息，实现了模板的工程量精确统计，为模板的预决算工作提供准确数据。统计具体数据如下：前端输水廊道迎水面积306.89 m2，而输水廊道前端的6 mm钢模板体积为1 547 944 cm3，换算后得到输水廊道前端的模板总重量12.15 t。

4 实施效果

通过BIM技术进行船闸输水廊道的建造，参建各方的沟通效率得到明显提升，尤其对施工的指导作用很大，分部分项工程验收合格率达到100%，施工质量得到了保证，并最大程度减少了返工，工程建设收到了极好的效果。与原先的施工进度计划[7]相比，剔除其他因素影响，采用BIM技术使西船闸项目提前竣工23 d，实现了缩短工期与节约成本的目的。

5 结语

通过本例可见，应用BIM技术解决了船闸输水廊道复杂多曲面异形空间施工难题。该项技术简单易行、效果显著，不但能节约工期与成本，更能使项目增值及提升企业品质。作为建筑业的重大组成部分，水运工程中存在许多复杂的建（构）筑物，推动BIM在水运工程的应用，将能有效破解这些复杂的建（构）筑物的建造难题，BIM在水运工程领域存在着广泛的应用空间，这也是全面促进我国建筑业信息化、提升我国水运建设相关企业竞争实力与增加其经济效益的必由之路。

[1]美国国家BIM标准编写委员会.美国国家BIM标准 [M].1版.华盛顿：美国国家建筑科学研究院，2006. Committee of American national standard for BIM.American nationalstandard for BIM[M].1sted.Washington:American National Instituteof Building Sciences,2006.

[2]陈延敏，李锦华.国内外建筑信息模型BIM理论与实践研究综述[J].城市，2013（10）：72-76. CHEN Yan-min,LI Jin-hua.Overview of theory and practice of domestic and overseas building information models[J].City,2013 (10):72-76.

[3]刘仲军.天津港国际邮轮码头客运大厦BIM技术的应用[J].中国水运，2012，12（8）：40-44. LIU Zhong-jun.Application of BIM technology for passenger's mansion of Tianjin Port International Cruise Terminal[J].China Water Transport,2012,12(8):40-44.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.2011-2015年建筑业信息化发展纲要[EB/OL].（2011-05-10）[2015-02-03]http：//www. mohurd.gov.cn/zcfg/jsbwj_0/jsbwjgczl/201105/t20110517_203420. htm l. Ministry ofHousing and Urban-RuralDevelopmentof the People's Republic of China.Development program of construction information from 2011 to2015[EB/OL].（2011-05-10）[2015-02-03]http: //www.mohurd.gov.cn/zcfg/jsbwj_0/jsbwjgczl/201105/t20110517 _203420.html.

[5] 吴鹏程，童志华.上海国际航运服务中心项目滨水景观系统工程研究设计综述[J].水运工程，2012（2）：85-89. WU Peng-cheng,TONG Zhi-hua.Design ofonshore scenic system engineering of Shanghai international shipping service center[J]. Port&Waterway Engineering,2012(2):85-89.

[6]吴鹏程，杨靖培.垂直河道布置的内循环输水系统船闸工程设计[J].水运工程，2012（1）：127-131. WU Peng-cheng,YANG Jing-pei.Design of vertical watercourse lock engineeringwith self-circulatory filling&emptying system[J]. Port&Waterway Engineering,2012(1):127-131.

[7]中建港务建设公司.上海国际航运服务中心西船闸施工组织设计[R].上海：中建港务建设公司，2012. China State Construction Harbour Construction Co.,Ltd.Construction organization design ofwest navigation lock in Shanghai International Shipping Center[R].Shanghai:China State Construction HarbourConstruction Co.,Ltd.,2012.

App lication of Building Inform ation M odel in construction of lock culvert w ith com p lex curved shape

HUANGTian-rong
（Shanghai InternationalShipping Service Center DevelopmentCo.,Ltd.,Shanghai200082,China）

Based on Building Information Model(BIM),we realized and optimized the space design of lock culvertwith comp lex curved shape,simulated the construction template including the splitting and sp licing,installation,and quantity statistics by using the BIM technology,and solved the difficulty of lock culvert construction with complex curved shape.Engineering practice proved that the application of BIM was feasible and easy with remarkable effect;it can shorten the construction period and lower the cost,and can be copied and easy tobe promoted.

BIM;complex curved shape;optimizing;simulation;application

U655.4；TU599

A

2095-7874（2015）05-0045-04

10.7640/zggw js201505012

2015-02-03

2015-03-14

住房城乡建设部2014科学技术项目计划“绿色建筑与低能耗示范工程研究” （2014-S1A-003）

黄天荣（1982— ），男，硕士，国家注册一级建造师，工程师，地质工程专业。E-mail：tinyo_huang@126.com