集装箱码头装卸工艺BIM 设计及应用探讨

吴邵强，刘 敬，梁 浩

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

引言

在专业化集装箱码头工程BIM 设计项目中，装卸工艺设计的工作重点是将工程中与装卸工艺系统相关的各种对象模型化，将携带信息属性的对象模型在不同应用软件平台上进行装卸工艺系统总装，利用协同设计理念，完成包括互提中间资料、图纸设计、工程量统计等在内的基本工程设计任务和以碰撞检测及施工模拟、轻量化模型全景展示、物流仿真等为代表的多种BIM 拓展应用任务。总体上看，装卸工艺系统BIM 设计具有以下两大特点：

1)在基本模型层面，需模型化的对象类别繁多，包含多种结构复杂的非标成套装卸设备、多种构造简单的地面标识标线、集装箱及箱堆模型等，设计人员需根据建模对象的实际特点适当地选取合适的软件建模，涉及的建模软件种类较多；

2)在模型总装、工程设计和拓展应用层面，基本模型需适应的应用环境较多，不同总装软件对基本模型的处理要求和接口文件均不相同。

本文将采用以Autodesk 系列软件为主的多种BIM 设计软件，对专业化集装箱码头工程装卸工艺的BIM 设计及多环境应用过程进行详细阐述，对不同软件平台的接口文件要求和模型处理方法进行梳理，总结一套适用于专业化集装箱码头工程装卸工艺BIM 设计和应用的技术路线，为同类码头工程项目的装卸工艺BIM 设计提供参考。

1 装卸工艺系统模型精度要求

在码头工程BIM 设计及应用过程中，装卸工艺的设计工作相对比较特殊，特别之处在于BIM 设计和传统设计中装卸工艺的设计内容存在较大的差异。传统设计中，装卸工艺的设计工作重点在于装卸工艺方案制定、装卸工艺流程设计、装卸设备配置和选型等；BIM 设计中，装卸工艺设计的工作重点在于将装卸工艺系统中所涉及的装卸设备和其他辅助设施模型化和信息化。BIM 设计中对于装卸工艺相关的模型的精细度要求各不相同。

1)非标成套装卸设备

就大型成套装卸设备，传统装卸设计解决的是如何确定装卸设备型号规格和使用装卸设备的问题，BIM 设计解决的是如何构建设备结构模型和使用模型的问题，两者存在一定的差别。

在码头工程设计和建造项目中，成套装卸设备设计和制造属于成套设备供应商的职责范围。通常在设备招投标前或设备设计未完成时，码头设计院是无法获得成套装卸设备的详细设计资料(包括设备结构尺寸资料等)的。在码头工程设计全寿命周期中，成套设备模型搭建可参考的输入资料往往十分有限，能获取的资源可能仅仅是装卸设备总图和少量实物照等，基础资料的匮乏决定了非标成套装卸设备的模型搭建不可能做到精细。同时，成套装卸设备模型自身的结构精细度对装卸工艺设备配置工程量的统计基本无影响，模型的功用决定了这类模型的搭建不需要做到过于精细。因此，非标成套装卸设备的建模精度应视建模基础资料的完整性，达到LOD200 即可。需注意的是，设备结构中与土建结构相接的部分应尽可能细化，以免造成设备与土建设施相关的设计接口条件失真，影响码头总体设计和土建设施设计。

2)港区地面标识标线

专业化集装箱码头工程标识标线系统通常包括各类交通划线、交通导向箭头、堆场箱位标识等。这部分对象有构造简单、尺寸数据明确的特点，具备精细化建模的可能性。另外，对于这部分对象，模型本身的精细度直接关系到工程量的计算。因此，地面表示标线的建模精度应达到LOD300 以上。

3)非设备实物

在专业化集装箱码头BIM 设计中有部分在特定的拓展应用中需要模型化的对象，如集装箱和集装箱堆，这部分对象与装卸工艺设计之间存在一定的关联，但其自身结构的精细度对工程设计几乎没有影响，模型化后仅需保证总体尺寸正确和三维可视化效果，因此这部分对象的建模精度同样达到LOD200 即可。

表1 集装箱码头装卸工艺BIM 设计中对象模型化精度需求表

2 装卸工艺BIM 设计及拓展应用

2.1 设计软件简介

在港口工程BIM 设计中，不同的协同设计平台和模型总装平台往往依附着一系列功能不同的BIM 设计软件，各软件通过接口文件实现串联，尽量做到一模多用，实现完整的BIM 设计。本文所阐述的集装箱码头装卸工艺BIM 设计主要是依托于Autodesk 系列软件实现，同时采用部分与Autodesk软件具有接口条件的其他类三维设计软件作为辅助工具。不同应用场合下所采用的主要设计软件如表2 所示。

表2 集装箱码头装卸工艺BIM 设计及应用软件选择

2.2 工程设计及应用

1)基本模型搭建

装卸工艺BIM 设计基本模型搭建软件应围绕模型总装和设计成果输出应用平台软件的中间文件接口去选择，按照拟模型化对象的结构复杂程度，分别采用合适的建模软件来完成基本模型搭建。

对于非标成套装卸设备这类结构复杂的对象，若掌握了全部或部分装卸设备有效结构尺寸资料，为便于后期模型能根据设备详细规格进行可编辑性修改或调整，应尽量考虑自行搭建模型。这类对象在建模过程中往往需要创建大量的非正交(点、线、面)参照，推荐采用具有丰富造型功能的、可快速创建多种非正交参照的专业化机械建模软件[1]。充分利用机械建模软件内部各种造型功能和材质渲染功能，搭建各类装卸设备模型。设备模型的参数化设计一般在机械建模软件中进行，建议采取“从部件到组件”的建模方式，利用参数化设计功能搭建同类设备部件库，遇到具体项目时可根据需要在部件库中选择所需的部件，组装形成新型号规格的装卸设备，达到同类型设备系列产品快速建模的目标。由于装卸工艺BIM 工程设计应用平台采用的是Autodesk 系列软件中的Revit，因此应尽量选择系列软件中与之兼容性好的软件来搭建模型。当然，对于部分完全无法获取有效的结构尺寸资料装卸设备或对象，可利用各类三维模型网站或各设备制造商搜集可利用的共享设备模型，研究和利用其与Revit 间的中间文件，实现模型互导。经过测试，无论采用何种机械建模软件，只要最终能输出.adsk或.rfa 模型文件，均能很好地兼容到Revit 中。需要注意的是对基本模型的修改、调整或参数化设计等操作只能在原建模软件中完成，导入到Revit 后的模型是一个整体，内部不可编辑。

图1 集装箱码头典型成套装卸机械设备基本模型

对于港区地面标识标线这类构造简单的对象，建模时参照单一且正交，为尽量与最终应用平台间的模型文件转换环节，推荐采用Revit 作为模型搭建软件[2]，利用Revit 内部的造型功能和材质渲染功能，完成模型搭建工作，形成.rfa 模型文件。

图2 港区地面标识标线基本模型

除上述两类基本模型创建方式外，还存在一类草图设计软件(如Sketchup、3d max)可用于部分模型的辅助建模。该软件实体造型功能相对稍差，模型本身主要由线条和贴图构成，模型建成后体量一般比专业化机械建模软件搭建的同设备模型小，且可视化效果较好，能较好地适应部分装卸工艺BIM拓展设计。

2)工程设计模型总装

采用Revit 软件作为装卸工艺BIM 工程设计的总装平台，模型总装应遵循Revit 内部的基本操作机制。工程设计模型总装通常按以下两个步骤进行：

a)族文件创建。首先，利用基本模型搭建软件与Revit 软件的模型转换接口，将模型转换到Revit中，利用Revit 新建族模块打开.adsk 或.rfa 基本模型，并完成基点、属性参数、测量单位、详细程度等基本模型属性的定义或设置工作，最终输出带属性的.rfa 族文件。

b)模型总装设计。在Revit 中以链接有项目总图的项目样板文件(注：项目样板为.rte 文件，该文件由项目组专人统一制作，此处不作赘述)为基础，新建项目文件。在项目文件中载入已制作的带属性的族(.rfa)文件，利用软件内部的对齐、旋转、移动等基本工具，按装卸工艺系统的设计方案完成装卸工艺机械设备模型布置、地面标识标线布置和其他相关实体模型的总装布置设计，最终输出.rvt 项目文件。

图3 某专业化集装箱码头装卸机械设备总装模型

3)工程设计成果输出

装卸工艺BIM 工程设计中，工程量、设计图纸等主要工程设计成果可直接在Revit 项目文件中完成。利用“视图-明细表”工具实现自动提取总装模型各图元的属性参数，如所有设备的规格参数、所有地面标识标线的面积等，经过明细表编辑设置后输出所需的工程量清单。利用“视图”中“剖面”、“详图索引”等一系列基本视图工具可创建多个图纸视图，采用软件内部“注释”功能完成视图的设计，最后按设计需要对视图进行分类组合，形成多张工程设计图纸。

4)BIM 设计文件管理及协同设计

对于装卸工艺BIM 工程设计来讲，最终输出的设计成果如工程量表、设计图纸等都内嵌在项目文件中，因此最终提交的电子版工程设计文件实际上就是带有设计成果的.rvt 项目文件。将这些文件全部上传至Vault 服务器中，并以之为中心实现与专业内或专业间的协同设计[3](包括模型共享链接等)。

2.3 拓展设计及应用

在港口工程项目设计、施工过程中，不同的应用需求和场合对装卸工艺BIM 设计的要求各不相同，当然需要采用的配套拓展设计软件和主要设计过程也大有不同。

1)碰撞检测及施工模拟

利用Autodesk 系列软件中Navisworks 作为模型总装平台，将项目的BIM 模型导入到Navisworks中完成二次总装，并以此总装模型为基础完成项目管线综合、机电安装、土建工程等硬件设施的碰撞检测和施工模拟。在这一项拓展应用中，大部分装卸工艺BIM 设计模型如装卸机械设备布置模型和港区地面标识标线布置模型等均可通过Navisworks内部的“常用-附加”工具直接从Vault 服务器中以项目文件形式被链接和载入到总装模型中。同时，通过服务器的协同机制，可实现模型同步更新以应对专业模型不定时的设计修改。

对于集装箱堆场箱堆这类图元数量庞大、视觉效果要求高的模型，推荐采用在Sketchup 软件中利用不同类型集装箱模型总装完成箱堆的布置设计，使得箱堆模型以.skp 文件输出。最后直接利用Navisworks“常用-附加”工具将其链接和载入到总装模型中。

2)轻量化模型全景展示

利用Lumion 作为全景展示模型总装平台，将项目所有的BIM 模型导入到Lumion 中完成二次总装，并以此总装模型为基础完成全景展示模型总装。在这一项拓展应用中，装卸工艺BIM 设计模型几乎全部位于码头上部，是展示应用的重点。装卸机械设备布置模型和港区地面标识标线布置模型应提前在Revit项目文件中利用其与Lumion的接口插件导出.dae 文件，集装箱箱堆模型应提前在Sketchup 总装模型文件中直接导出.dae 文件。最终，所有的装卸工艺三维模型文件均以.dae 形式被Lumion 链接和载入，并完成轻量化模型总装。

3)物流仿真

利用Flexterm 或Flexsim 作为集装箱码头港内物流系统仿真平台，模拟集装箱在港区内部装卸、转运的各类流程，根据仿真结果分析装卸设备作业的有效利用率、港内道路交通量、堆场总体布置模式的优缺点，以达到装卸工艺系统设计优化的目的。在这一项拓展应用中，大部分装卸系统模型可利用仿真平台内部模块搭建和总装完成，少部分为增加可视化效果的模型(如港区地面标识标线系统模型、各类土建单体模型和其他附属设施模型等)可通过BIM 设计基础模型进行补充。具体来讲，对于采用Revit 输出包括项目文件和基础模型文件，均可转换为.dae文件，再导入到Sketchup中形成.skp文件，与仿真软件兼容。对于采用Sketchup 输出的总装和模型文件，均可以.skp 文件形式直接与仿真软件兼容。

3 装卸工艺BIM 设计技术路线

作为码头工程BIM 设计中不可或缺的一部分，一套完整的集装箱码头装卸工艺BIM 设计需要设计人员了解多种软件的基本特性，以实际的应用需求为目标导向，掌握不同软件间的接口，以应对设计和应用的多样性，做到“项目需要何种模型就能提供何种模型”。根据对各种应用需求下集装箱码头装卸工艺BIM 设计过程的阐述，现以应用软件为节点对整个BIM 设计技术路线进行总结，详细技术路线如图4 所示。

图4 集装箱码头装卸工艺BIM 设计及应用技术路线图

4 结语

集装箱码头装卸工艺系统BIM 设计所涉及的三维模型软件种类较多，各软件使用的目标和侧重点都不相同，但并不要求专业设计人员深度掌握所有涉及到的软件，设计过程中专业设计人员应以各软件的应用目标为导向，分清主次，把握软件的研究和学习深度。集装箱装卸工艺系统BIM 设计及应用过程中，应做到：

1)重点掌握与集装箱装卸工艺系统工程设计应用模型总装及设计成果输出平台软件Revit 和与之拥有良好兼容接口的三维机械建模软件。特别地，应熟练掌握Revit 内部与装卸工艺系统所涉及的实体模型的总装功能、图纸和工程量等主要设计成果的设计功能。对于拓展应用，需充分了解相关应用平台对装卸工艺系统模型的使用目标，有针对性地提交合适的模型文件；

2)积极探寻各建模软件和应用平台软件间的转换接口，实现一模多用，提高模型应用效率。