集装箱码头设计施工一体化BIM应用

芦志强，苏东升，崔峰

（中交水运规划设计院有限公司，北京 100007）

1 研究背景

交通运输部“十三五”科技规划将BIM技术推广列入重点工作之一。目前，各省市对BIM技术应用开展了相应探索，如上海中心大厦、深中通道、深圳前海、北京城市副中心、北京中国尊等项目应用[1-5]。2016年，交通运输部将某港区集装箱码头6—10号泊位项目列入标准化示范项目。借此契机，建设单位对此项目6号及7号泊位开展BIM综合应用探索，实现BIM技术在设计施工一体化管理中的特有价值。

该项目拟新建2个20万吨级和3个15万吨级专业化集装箱泊位（码头水工结构兼顾20万吨级），码头岸线总长2 150 m，通过6座引桥与堆场相连，设计年通过能力430万TEU，工程总投资79亿元。本次BIM技术应用的工程范围为6号、7号泊位（第1至第13结构段）码头平台、7—8号引桥，内容包括水工结构、工艺设备、地质、电气、给排水以及水上建构筑物等。

2 应用目标

2.1 总体目标

通过BIM技术在本项目设计与施工过程中的一体化应用，满足业主方和项目管理团队进行动态项目管理的需求，实现项目数字化管理、提升项目建造品质，为码头数字化运营创建应用平台、提供数据基础、预留扩展接口，打造全生命期BIM在水运工程应用的示范工程。

2.2 主要内容

实施内容分为四部分，建立BIM设计模型、搭建BIM应用平台、实施施工过程BIM管理、提炼标准规范。

1）设计建模及优化，形成设计模型：建立工程范围内各专业设计BIM模型，通过优化和深化设计，预判实施风险。

2）平台开发和标准制定，形成协同工作机制：开发数字化移交平台，实现施工阶段的“读、写、查、批”等管理功能；制定各阶段工作规则，统一数据交换格式，实现各应用阶段内的横向协同以及两个阶段之间的纵向协同。

3）施工配合及过程管理，形成竣工模型：施工单位在设计模型的基础上，利用数字化移交平台，不断深化和应用BIM模型，在进度、质量和费用管理等方面开展探索性应用，提高工程建设品质。

4）实施效果评估，形成项目或企业规范：BIM技术是一套社会技术体系，需要各参与者遵循一定规则，充分发挥潜在价值。通过应用效果分析，对实施过程中有益做法进行总结，提炼升华技术成果。

3 研究成果及实施效果

3.1 设计建模与应用

1）各专业模型

设计阶段分别建立地质、结构、电气、给排水、装卸工艺的分装模型，实现了各专业设计成果和地质条件的三维可视化。特别是创建了水工结构配筋模型，对桩、桩帽、节点、纵横梁等进行三维配筋，配筋结构直观可见，钢筋量统计方便快捷，深化了三维设计成果。

2）整合模型

为了实施各专业碰撞检查，提前发现工程实施风险，需要将各专业设计模型组装为一个整体，分别对各专业间的互提条件和空间布置进行检查复核。模型组装如图1所示。

图1 组装模型Fig.1 Assembly model

3）模型应用

利用整合模型，在设计阶段开展了整合检查、冲突检测与管线综合、工程量复核、二维出图等应用，为消除实施风险、提高设计质量发挥了一定的作用。

通过剖切整合模型，生成平面、立面、剖面等二维图形，核对建筑和结构的构件在平面、立面、剖面位置是否一致，以消除设计中不统一的错误。

实施了基桩碰撞检查、沉桩碰船检查和管线孔洞支撑检查，见图2。

图2 码头基桩碰撞检查Fig.2 Collision inspection of wharf pile foundation

通过BIM模型提取相应部位工程量，采用C#语言编写程序，对BIM模型进行工程量统计和复核，工程量清单复核表，为计划和计量提供辅助参考，见图3。

图3 工程量统计Fig.3 Quantity statistics

在建立完成的三维模型基础上抽取二维图纸。将建立好的BIM进行轻量化导出，将几何模型和属性数据进行分离，同时将模型转换为可以在控件上展示的模型。

3.2 施工交底与配合

可视化设计成果在施工技术交底中的价值非常明显，在交流和处理技术问题时，大幅提高沟通效率和精准度。

另外，针对高桩码头沉桩施工的设计配合过程，本项目开发了桩基与地质的联动模型，该模型能够直观查询桩基在各个土层中的入土深度，实现了桩基承载力自动计算，通过与设计桩力自动比对，输出比对结果和相关参数的取值，内置于BIM工作平台中，为设计代表决策沉桩停锤提供参考数据，可用于沉桩的施工配合全过程。具体应用为：

1）显示或查询每根基桩内力设计值。

2）剖切基桩和地质的组合模型任意断面，显示各土层层位信息和侧摩阻、端阻力数据、基桩位置信息。

3）计算已沉基桩实际承载力，程序自动与桩力设计值比对，给出检验结果，为设计代表提供决策支持。

4）对任意基桩的任意入土深度，程序自动计算承载力设计值。为设计代表解决异常沉桩情况提供快速数据支持。

3.3 平台功能设计与开发

数字化移交平台是将设计模型无损传递到施工阶段并实施过程管理的重要载体。该平台针对BIM开发了“读”、“写”、“查”、“批”等功能，集成BIM模型、进度、质量、图纸、人员等信息，通过权限和流程设置，实现施工过程中的进度、质量、费用的过程管理。

该系统采用前后台分离的架构编写，有效简化了系统逻辑关系，提升了开发效率。系统前台图形界面基于Untiy3d平台构建，采用异步加载技术，有效解决了大容量的模型文件读取过程中造成的使用卡顿问题。同时，应用多线程技术，使后台运行于单独的线程上，集中处理比较耗时的文件读取工作和前台提交的异步请求，充分发挥了现代多核心CPU的效能。此外，后台采用面向接口编程技术，提升了系统的可扩展性，使系统通过少量的开发工作，即可较快地切换多种数据源。

本数字化平台取Bentley平台[6]及Unity3D[7]各家技术之长，将模型与应用的深度融合，实现的系统功能包括工程概况、综合查询、进度管理、费用管理、质量管理和系统维护。主界面如图4所示。

图4 数字化移交平台主界面Fig.4 Digital transfer platform main interface

1）综合查询

针对模型可实现整体模型查询、专业模型查询、典型构件和典型节点查询，通过选择时间节点和查询条件，将查询结果显示在模型和数据框中，相应信息也可下载打印。

2）进度管理

通过交互4个时间参数：计划开始时间、计划完成时间、实际开始时间及实际完成时间，将BIM设计模型与施工进度挂接，进行施工进度分析和管理。

3）质量管理

本项目质量管理包括沉桩偏差管理、构件安装偏差管理、码头水工建筑物的变形观测以及桩基检测管理。质量偏差以报警弹窗与高亮模型方式显示，实现项目质量信息集成。

4）费用管理

通过录入构件信息，可查询施工作业模型中已完成构件工程量信息，并自动统计工程量清单，形成报表。同时，将满足合同约定的计量、计价规范要求的价格测算分摊至各施工构件，利用工程量统计的结果，自动统计不同时期进度款参考值，为进度款支付提供决策支持。

3.4 相应标准制定

在本项目的实践过程中，从过程管理与成果控制等方面，衍生出诸多值得记录及借鉴的书面材料。经过多轮归纳、总结、筛选后，形成了BIM实践不同阶段的相应标准，包括《设计阶段BIM实施导则》、《BIM建模标准》、《BIM成果交付标准》等，从顶层构建了适应自身发展的BIM体系架构。

4 收获与体会

4.1 选择适宜的软件

搭建软硬件环境是实现BIM应用目标的基本条件。目前软件技术和工程管理体制下，短期内很难实现全生命期BIM应用。本项目设计建模选用Bentley系列产品，能够实现软件间数据无损传递和轻量化应用，达到复核二维设计成果、辅助深化设计方案、提前发现并解决复杂技术问题的目的。

4.2 制定实用的规则

本项目制定了工作流程、模型层级、文件命名、建模标准等行为规则，复用性较强的元件创建规则，跨阶段应用的模型唯一ID编码规则，提高了模型创建效率，为模型应用和传递奠定了沟通基础，为施工过程管理和后续数据应用创造了一致性的规范条件。

4.3 开展针对性开发

目前水运工程BIM应用尚处于起步探索阶段，本项目二次开发的指导思想是“有所为、有所不为”，针对建模效率、数据传递等问题，开展了构件快速布置、桩基承载力计算、移交平台开发方面的探索，突出问题导向，效果显著。

5 结语

该项目的BIM应用是BIM在水运行业的一次新突破。

1）建模规范，应用点多。对设计模型的层级划分、ProjectWise协同平台的运用、元件库的建立及构件编码等方面进行了研究，实现了模型整合、碰撞检测、设计二维抽图、三维地质建模、三维配筋建模及工程量复核等方面的应用。

2）二次开发应用深入。结合实际需要开发了快速放置构件、桩基承载力自动计算等程序，开发了数字化移交平台。

3）总体实施效果良好。从实施效果来看，稳定提升了设计成果质量，提高工作效率15%以上，施工管理的可视化、信息集成度、响应及时性大幅提升。

目前，BIM在水运行业应用还处于起步阶段，随着BIM在水运行业的普及范围逐步扩大，如何降低建设和运维成本，实现全生命期BIM应用，将成为发展新阶段需要重点考虑的问题。