BIM技术在码头项目应用探讨

李培良 青岛市运输事业发展中心（青岛国际航运服务中心）

1.项目背景

1.1 项目概况

通过沿海某散货码头2×3.5万吨级泊位工程（#1泊位）的BIM应用，探索BIM技术在水工项目中的应用方法及价值。

该散货码头2×3.5万吨级通用泊位位于港区引堤内侧南段建设，前沿走向为NW-SE向，平行于引堤轴线。建设重力式沉箱码头泊位长度226m，引堤107m，以及装卸工艺、港池疏浚、生产辅助建筑物、消防、环保、导助航等配套工程。

本次BIM 应用为“后BIM 模式”，依据原CAD招标图进行BIM建模。水运工程BIM设计是采用带有工程信息的三维部件（包括族），按照模型协同为主的工作方式，进行工程项目的专业协同设计工作，并将设计成果和建设意图以符合工程标准的三维信息模型产品、二维设计图纸、数据信息或多媒体数据形式传递给相关方或作为设计成果交付的工作方式和成套技术应用。

1.2 BIM应用环境

国内水运工程BIM技术的应用相对发达国家起步较晚，但是信息化手段在水运工程设计、施工、运维的过程中不断地深入应用，产生了很多传统设计手段不具备的新技术、新理念，如3D、4D、5D，还有BIM理念和产品全生命周期的理念如何在设计前期使用三维技术的手段更好地优化设计和交流沟通，提升设计品质和质量，已经成为国内水运设计行业关注的焦点。

2.应用内容

2.1 BIM应用目标

依据现有施工招标图，逐步探索建立专业化码头工程在设计阶段的项目级BIM应用体系，研究在专业化码头工程设计中利用BIM模型所含信息进行协同工作，实现各专业、工程设计各阶段的信息有效传递，实现可视化、协同设计和工程量统计的应用目标，并完成BIM成果。

2.2 技术路线

根据项目全生命周期划分，一个项目的BIM技术应用可以分为方案策划、设计阶段、施工阶段、竣工交付阶段及运维等阶段。本项目的BIM应用属于设计阶段中施工图设计阶段。

表1 BIM岗位职责

依据现有二维招标图，应用Revit、Civil3D等建模，进一步完成施工图深化设计、施工过程模拟、装卸工艺模拟及BIM设计质量管理等工作。

2.3 项目BIM实施保障措施

本项目成立BIM小组，确定了BIM项目各岗位职责，根据岗位职责进行BIM模型的创建工作，建立BIM系统运行详细工作计划及系统运行检查机制。（见表1）

2.4 模型搭建

2.4.1 搭建流程

（1）建立定位模板。根据《BIM实施导则》的规定，将总平面布置导入Autodesk Revit形成本项目的定位模板。

基点、坐标、标高及单位、模型文件格式、系统拆分、构件、零部件颜色分类、工作集规划、构件命名等依据《BIM实施导则》要求实施。

（2）族库建立。由各专业对各模型情况进行分析，确定需要建族的构件并进行构建。在建族时，对可重复利用的族进行参数化设计，保证在其他工程中通过修改参数即可使用，同时对构件的材质等非几何信息进行录入、完善。

（3）模型搭建。各专业根据定位模板，建立各模型轴网及标高，并开始搭建模型，在搭建过程中，可将平面、断面、剖面及详图等CAD图导入其中，便于模型中各构件的定位。

（4）模型校审。模型初步搭建完毕后，由各专业校审人员进行校审。审核后由模型搭建人根据校审意见进行模型修改，并由校审人员确认。最终模型按要求存档于服务器中，并采用Navisworks导出轻量化模型。

（5）模型整合。将各专业模型采用原点对原点以链接的方式整合，形成总体模型，同时采用Navisworks将所有轻量化模型整合，形成轻量化整体模型。（见图1）

2.4.2 搭建内容

（1）水工。本工程水工结构专业的BIM技术应用点首先就是利用Revit软件对地形模型的建立和开挖方量的统计。将测量单位提供准确的地形数据，直接导入软件生成三维原始地形。其次是利用Revit软件对水工构筑物族库的搭建。Revit的水工构筑物族库非常稀少，我们首次进行了创建水工族库的尝试。第三，利用协同设计平台软件Navisworks，将水工结构与给排水、电气，建筑等专业的模型整合，并进行轻量化设计。

（2）工艺。本工程工艺专业的BIM技术应用点首先就是利用Revit软件对装卸设备模型的建立。合理分解复杂模型的构件并建立模型，并赋予相关几何和非几何参数形成族，最终进行组合拼接，能够满足快速建模和参数化设计的需要。工艺族库的搭建和积累，能够有效提高同类项目工艺建模效率。其次，利用协同设计平台软件，可将工艺与其他专业模型进行碰撞以及巡检检查，提前发现并解决施工或运营阶段各隐蔽节点处可能出现的各类空间问题，减少了因变更或返工等情况造成的投资浪费以及工期延长。另外，可以充分利用Newisworks软件的工程动画模拟功能，将项目运营阶段的机械装卸操作、货物运输等工艺流程直观展示出来。

（3）土建。本工程土建专业的BIM技术应用上的具体表现是，利用Revit软件，建立廊道及转运站三维模型，赋予模型几何和非几何信息，例如建筑物外形尺寸、材质等。对于特殊构件，例如廊道挡风板、沉淀池等，利用Revit自带的族功能，创建特殊构件。

图1 模型搭建流程图

（4）给排水。本工程给排水专业的BIM技术应用点是利用Revit软件对给水管道及排水渠模型建立。合理的对复杂模型进行构件分解建立模型，并赋予相关几何和非几何参数形成族，最终进行组合拼接，能够满足快速建模和参数化设计的需要。给排水族库的搭建和积累，能够有效提高同类项目建模效率。

（5）BIM电气部分应用总结。根据该码头2×3.5万吨级泊位工程BIM实施导则策划，电气部分设计主要分为强电及弱电两大部分，在BIM技术应用过程中，电气专业模型搭建主要利用Revit现有族库，例如电缆桥架、线管等。同时由于工程自身特点，部分室外电气、控制设备则需要进行族库搭建，进行参数化设计并需要赋予非几何参数信息。

3.实施经验总结

3.1 应用成果及价值体现

3.1.1 族库化BIM设计

本项目BIM设计共创建了112项专有族，这些族是将项目按专业、施工要求划分的建筑信息模型，其中模型几何形状采用参数化设计并使参数可以调节，进而驱动构件形体发生改变，满足设计的要求。在这些建筑信息模型中，除带有几何形状以外还要赋予一些非几何属性，如材料的耐火等级、材料的传热系数、构件的造价、采购信息、重量、受力状况等（见图2）。

采用族库化BIM设计的优势显著：族库参数化设计衍生出构件关联性设计。建筑模型中所有构件通过参数相互关联，使我们实现关联性设计，修改设计时只需修改模型。族库化BIM设计不仅提高了设计师的工作效率，而且解决了长期以来图纸之间的错、漏、缺问题。

3.1.2 可视化设计

在本次BIM应用中，“可视化设计”的应用贯穿了设计全过程，让设计师能够随时运用三维思考方式进行设计，并开展设计团队内部、设计与业主等之间的高效交流。重点对以下部位进行了可视化展示：研究整体鸟瞰与漫游、研究准确的土方量开挖与回填、水工工程施工模拟、专业煤码头装卸工艺模拟、生产过程中廊道巡检模拟。

图2 沉箱族成果图

图3 建设内容可视化成果图

通过可视化展示，在项目投标、方案汇报等场合可以提升设计方案的展示效果；可为方案论证提供了形象、准确的设计完成效果，便于决策；设计师能更好的开展设计，大幅提高设计内部、设计与业主及相关方的沟通效率。

使用Autodesk Revit系列软件，采用协同工作模式，为不同专业提供交流平台，以便发现并解决问题，提交具备全专业成果的BIM总体整合模型及项目效果图。（见图3）

3.1.3 性能化分析

利用BIM技术，设计师在设计过程中创建的虚拟建筑模型已经包含了大量的设计信息(几何信息、材料性能、构件属性等)，只要将模型导入相关的性能化分析软件，就可以得到相应的分析结果，原本需要专业人士花费大量时间输入大量专业数据的过程，如今可以自动完成，这大大降低了性能化分析的周期，提高了设计质量，同时能够为业主提供更专业的技能和服务。

本次BIM应用中，受时间限制未能开展针对该水工工程的性能化分析研究，但建筑模型中已输入相应的设计信息，为后续相关性能化分析研究打下了坚实的基础。（见图4）

3.1.4 协同设计、管线综合及碰撞检查

（1）协同设计。现有的协同设计主要是基于CAD平台，并不能充分实现专业间的信息交流，无法加载附加信息，导致专业间的数据不具有关联性。BIM的出现能同时在模型中以三维方式浏览其他专业的设计模型，实现模型的实时更新，以实时协同的方式代替过去阶段式协同（每隔一段时间各专业相互对图），极大的减少了对图、改图的工作量，减少了制图中容易出现的低级错误，并能提前暴露大量实际施工中会遇到的各类问题，减少了施工与现场配合的难度，可在建筑的全生命周期中更好的控制施工进度以及工程造价。（见图5）

（2）管线综合。管线综合布置采取大管优先，小管让大管，有压管让无压管，低压管避让高压管，常温管让高温、低温管，可弯管线让不可弯管线，分支管线让主干管线，附件少的管线避让附件多的管线的原则。本次BIM应用将管沟内的给水管线、中水管线按照上述原则综合布管。强弱电沿廊道内皮带机一侧电缆桥架布设。水管和电气管线交叉时的间距按照规范要求敷设。（见图6）

图4 导入结构分析软件成果图

图5 各专业同一平台设计图

图6 水电管线综合整体图

（3）碰撞检查。基于BIM技术可将两个不同专业的模型集成为两个模型，通过软件提供的空间冲突检查功能查找两个专业之间的空间冲突可疑点，软件可以在发现可疑点时箱操作者报警，经人工确认该冲突然后修改模型。（见图7）

碰撞检查是指提前查找和报告在工程项目中不同部分之间的冲突。通常碰撞问题出现最多的是安装工程中各专业设备管线之间的碰撞、管线与建筑结构部分的碰撞以及建筑结构本身的碰撞。在本项目的碰撞检查功能中，需结合三维可视图逐项对碰撞点进行判断、解读与分析，来确认是否是合理碰撞。针对碰撞点进行讨论分析后，排除部分合理碰撞（如扭王字块之间的碰撞、基床和地形直接的碰撞、管道和管件之间的碰撞、管道在基础中埋设引起的碰撞等），修改完善其他不合理的碰撞，达到在施工前预先解决问题、节省工时及避免不必要的变更与浪费的目的。

3.1.5 工程量统计

在CAD时代的工程量统计需要消耗大量的人工，并难免手工计算带来的差错，而且设计方案调整后也将导致工程量统计数据失效。而BIM是一个富含工程信息的数据库，可以真实地提供造价管理需要的工程量信息，借助这些信息，计算机可以快速对各种构件进行统计分析，大大减少了繁琐的人工操作和潜在错误，非常容易实现工程量信息与设计方案的完全一致。

在本次BIM应用中，利用三维图形技术，各专业进行工程量自动统计、扣减计算，并进行报表统计，大幅提高算量工作的效率。一方面可以作为设计阶段工程造价控制的基础性资料，精确统计工程量可以更好的节约投资；另一方面，也可以作为施工期预算编制以及施工期BIM应用的基础性资料。（见表2）

图7 碰撞检查修改实例图

表2 工程量统计表

图8 基于BIM技术生成的二维图

3.1.6 施工模拟

我们也通过将BIM模型与施工工序计划结合，初步研究了利用BIM设计成果进行施工模拟的方法。通过将BIM与施工进度计划相链接，将空间与时间信息整合在一个可视的4D(3D+Time)模型中，可以直观、精确地反映整个建筑的施工过程。直观的将施工计划与实际进展进行对比，同时进行有效协同，施工方、监理方、业主方都对工程项目的各种问题和情况了如指掌。设计单位通过简洁的施工模拟动画进行交底可以大大提高施工方对设计意图的理解，大大提高交底效率。

3.1.7 获取二维图纸

三维出图是未来的发展趋势，会在很大程度上代替纯CAD绘图的应用。通过该项目使用BIM就能清晰感觉到，直接用三维模型无论是生成剖切面还是表达细部大样，都变得快捷方便。理论上，基于唯一的BIM数据模型源，任何对工程设计的实质性修改都将反映在BIM模型中，软件可依据3D模型的修改信息自动更新所有与该修改相关的2D图纸，由3D模型到2D图纸的自动更新将为设计人员节省大量的图纸修改时间。（见图8）

3.2 应用难点及体会

3.2.1 BIM应用外部环境不完善

BIM技术应用系统由多种软件搭建而成，同时BIM技术应用分为三类:工具、平台和环境。尽管BIM技术应用的前景好、价值大，但其在工程界的应用尚未被广泛接受和使用，通常一项工程有多方参与，不可能硬性规定所有参与单位均采用某种软件，因此，合作环境难度高是其BIM技术应用的一个难点。

此外，BIM技术应用的基础规则实质是基础数据的定义和交换规则，即BIM语言。我国工程建设领域在该方面起步较慢，是影响BIM技术应用的另一因素。发达国家的政府对工程信息化引导和支持作用主要体现在标准定制和政府投资项目的强制推行等方面。当前，在我国缺失基础标准和应用标准阶段，尤其是水工行业对BIM技术应用的标准制定尚处于研究阶段，致使BIM技术应用和发展受到局限。

3.2.2 项目管理水平制约

BIM技术应用的关键在于对于信息的收集和分享，这正是项目管理者所关注的。在BIM模型出现前，项目管理对信息的集散管理主要围绕文档（纸质或电子）这种介质进行，而现在可利用BIM模型进行，不仅提高了传递信息的速度，更解决了因信息冲突而带来的进度滞后和成本上升等问题。尤其在解决复杂大型工程项目的管理问题上，原先的技术手段无法处理。

国际通用的工程项目管理规则、重视合同契约原则在我国尚未完全推行。技术和管理之间是相辅相成的，管理意识和管理水平制约着技术应用效果，因此须从解决管理问题入手，这样才能促进BIM技术的应用和发展。

3.3 BIM应用发展建议

3.3.1 组建以设计人员为主的BIM团队

建模是BIM的基础工作，设计人员在BIM团队中是核心，其它的工作都基于BIM模型展开。但设计不是引领者，因为设计人员更关心BIM建模和设计类BIM消费部分。施工人员更关心具体的施工类BIM消费，对建模的前期介入缺少先机。理想的BIM团队应该是项目管理人员牵头，以设计人员为主，施工人员参与，涵盖项目涉及的各设计、施工管理专业，利用全专业、整系统的做法，在BIM平台上协作。让BIM模型的应用最大限度地发散，研究的成果才能绚丽多彩，有生命力。

3.3.2 建立明确的BIM团队标准

在BIM应用过程中，每个BIM团队应建立适合团队应用的BIM标准，建筑业尤其需要项目团队之间更好的集成、合作和协同，才能提高效率。BIM团队内部的标准包括业务标准(招投标标书模板、服务标准、人员配置标准等)、软件应用的标准(软件的类型、版本等)和信息模型的标准(基准设定、模型深度标准、扣减标准、属性设置标准、族的选用标准等)，甚至细化到各类管线颜色的设置标准，这些标准的设定有利于BIM团队业务形成成熟的标准化流程，增强BIM团队的核心竞争力。

3.3.3 建立严谨的内部审核机制

每个项目都是一个团队合作完成的，在BIM实践过程中会遇到协作过程中出现问题，导致整体模型的质量不达标，无法在后期中合理地应用。为解决信息模型质量问题，提高模型的质量，应在团队中建立内部审核机制，保证所出的模型质量满足要求。