BIM技术在翻车机房设计中的应用

李 颖，赵雁飞，闫晓璐，张立国

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

BIM技术在翻车机房设计中的应用

李 颖，赵雁飞，闫晓璐，张立国

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

结合唐山港曹妃甸港区煤码头三期工程翻车机房项目，详细介绍了BIM技术在施工图设计过程中的应用。工程实践表明，从建模到碰撞检测和优化设计，BIM技术的应用大大提高了设计效率，并可为类似工程设计提供有益的技术借鉴。

BIM；Revit；Naviswoeks；翻车机房；碰撞检测

引 言

随着信息时代的高速发展，数字三维立体化已成为未来的趋势，BIM技术应运而生。BIM是Building Information Modeling的缩写，简称建筑信息模型。美国《NBIMS》和英国标准协会等组织均对BIM进行了定义，而黄强［1］则将其总结为“聚合信息，为我所用”。从二维到三维，从计算机绘图到协同设计，从工程设计、施工、运营之间点到点的对接，到贯穿于建筑全寿命周期的信息化模型，BIM技术给我们的设计模式带来了全新的变革。

BIM技术于2002年引入工程建设行业，经过十多年的发展，在发达国家已经逐步普及应用，并已制定了相关BIM标准［2，3］。近两年，BIM技术在国内的推广速度非常之快，而有关BIM技术的国家和地方政策也陆续出台［4，5］。作为建筑行业重要分支的水运行业，BIM也在从概念慢慢转向实施［6，7］。尤其是随着工业发展高度自动化和集成化，专业化码头已成为港口发展中的主力军，这种码头各功能分区明确，却又联系紧密，工艺和管线错综复杂，对项目的设计、施工和运营提出了更高要求，也要求项目本身具有良好的可持续性。BIM技术因其具有三维可视化、协同设计性、多维模拟性、可优化性和综合检测等优越的特性，恰恰迎合了水运行业发展的要求。

本文结合唐山港曹妃甸港区煤码头三期工程翻车机房施工图设计，介绍BIM技术在实际工程设计中的应用，以期为类似专业化码头设计提供有益的技术借鉴。

1 工程概述

唐山港曹妃甸港区煤码头三期工程位于曹妃甸一港池西岸侧，南端与已建的曹妃甸煤码头二期工程相邻，北端与曹妃甸港区通用散货泊位工程相接。翻车机房是本工程的重要设施之一，其功能是用于翻卸由铁路运抵港口的煤炭车辆。

翻车机房主体结构尺寸约49 m×62 m，为全地下式结构，地面高程5.4 m，地下底高程-14.5 m。翻车机房主体结构共分为3层，机房内设三翻式翻车机3台，均布置于顶层和中层，中层及以下设有格栅、接卸漏斗等设备，机房底部设有输煤皮带机，与地面皮带机设备通过地下廊道连接，廊道长约168 m，爬升角度约12°。机房采用三线三翻的反循环式装卸工艺，故廊道与火车入口同侧。此外，机房内还安装有多个配套专业的管线设施，故整个翻车机卸车系统是在有限空间内高度集中的多专业协作运转的复杂流程。

2 传统设计模式下的技术难点

由于翻车机房项目的复杂性，传统的设计模式下存在诸多技术难点。

2.1 基础异型结构多

翻车机基础为全地下式结构，在有限的空间内需满足多个功能分区的要求，且每个功能区内设备预埋件繁多，故翻车机房多为非常规的异型结构。传统设计模式下，设计人员需通过想象将复杂的空间结构转化成平面图纸来表达。这就要求设计人员具有很好的空间想象能力和基本绘图基础，即使这样也很难避免图面上的笔误。

2.2 管线错综复杂

机房内共布置7套管线系统，分别为通风、干式除尘、干雾除尘、给水消防、排水、控制和供电系统。这7套管线系统分3层主环网在机房内穿行，管线错综复杂，结构孔洞也非常之多。传统设计模式下，各专业先分别布设管网，再交由专门的人员进行管线综合，管综人员需在二维图纸的基础上结合良好的空间想象能力来分析各管线系统之间、管线与结构之间的碰撞冲突，并逐一各与专业沟通解决方案，各专业人员再据此进行修改，然后再按上过程重复操作。整个管综过程中，要通过多次反复才能基本调通线路，非常耗时，且在每次修改过程中，都可能出现图面的错漏，这种错误不断累加，也是后续设计的隐患。

2.3 主体结构形式多样布置紧凑

本工程的构筑物由以下几部分组成：下部主体结构、主体支护结构、地面大棚及桩基础、地下廊道及桩基础、廊道支护结构、降水井系统、火车梁及桩基础、定位车梁及桩基础和电缆沟。各个结构之间布置紧凑，极易发生碰撞和冲突，且主要集中在以下几点：

1）大棚桩基础布置于下部结构主体和主体支护结构之间，出于经济性的考虑，本工程的主体与圆形支护结构之间空间本来就非常有限，加之灌注桩基础的施工和设计都对结构间距有严格的要求，故此处的设计是工程中的一个易碰撞点。

2）火车梁紧邻定位车梁，尤其是在火车梁的夹轮器和轨道横处较常规火车梁宽很多，故需在定位车梁局部布设凹槽才能将二者错开。

3）本工程采用了反循环卸车工艺，即廊道和火车入口端在同侧，故在宽约45 m范围的地下隐蔽工程内，集中了廊道及桩基础、廊道地连墙及对撑、火车梁桩基础、定位车梁桩基础和降水井等多条结构系统，加之灌注桩的安全距离要求等，此处为本工程结构设计中的最复杂的碰撞点。

2.4 施工程序复杂

由于本工程地下结构形式较多，加之与煤码头二期工程邻近，施工空间有限，所以施工程序也极其复杂，尤其是涉及到了深基坑的开挖和降水等工序，这对设计的计算条件也有很大影响。因此，如何确定合理的施工组织计划是本工程的重点和难点。

基于以上几点分析，本工程在施工图设计中引入了BIM技术。

3 基于Revit的模型建立

本次设计主要基于Revit进行基础建模，并应用 Navisworks进行后期处理，考虑到不同渲染需求，还结合使用了3D max渲染器，建成模型效果如图1和图2所示。建模步骤依次为：轴网和高程建模→场地建模→支护结构及降水井建模→翻车机房下部结构、廊道建模及轨道梁系统建模→翻车机房上部结构建模及管线建模。

图1 翻车机房建筑信息模型

图2 隐藏场地和大棚模型

3.1 Revit族的概念

族是构成Revit项目的基本元素，同时也是参数信息的载体。Revit有3种类型：系统族、可载入族和内建族。系统族已在软件中预定义，可直接用于建立项目基本图元，如轴网、墙、楼板和楼梯等，并可以在项目和样板之间复制、粘贴或者传递系统族模型。可载入族为用户自定义创建的独立.raf格式的族文件，一般为异型构件，用户可根据需求载入到相应项目文件中，并基于该族类型灵活创建不同参数的构件；内建族是当前项目中新建的族，仅可用于该项目的特定对象，例如自定义墙的处理，不可在不同项目间传递。基于以上族的概念和特点，本项目在设计过程中合理灵活的运用了族功能，这也提高了项目设计的效率。

3.2 中心模型和轴网高程系统的建立

本项目涉及专业较多，采用基于工作集的协同设计方式，即多个设计人员同时操作同一个模型。先由项目经理在主服务器上建立中心模型，并根据设计分工在中心模型里创建多个工作子集和权限（图3），再经由局域网络映射到多个的 PC端，设计人员便可在本工作集允许的权限下在自己的PC端进行协同设计。

图3 基于工作集的多专业协作界面

但在进行多专业协同之前，项目经理先统一规划并建立本项目的轴网和高程系统。轴网包括设备系统轴网和墙体轴网，分别为火车轴线CD1～CD3、定位车轴线DW1～DW3、墙体的数字轴1～12轴和字母轴A～J轴。高程系统主要分-12.2 m底层、-0.7 m中层和5.314 m顶层。基于以上预定义的共享高程和轴网，各工作子集的设计人员再进行各自建模工作。

3.3 场地建模

Revit提供了场地建模功能，但仅是一个基于网格的表面，无法根据复杂形状进行开挖和回填模拟。建模以三维实体的形式预先建好并摆放在相应位置，需要开挖时使其消隐，需要回填时使其还原，由于翻车机房形状复杂，每次开挖回填都有不同的要求，所以每个开挖回填块的形状基本上各不相同，开挖回填块不具备可重复利用的可能，基于这样的情况，本次场地建模使用内建模型，为了方便后期处理，把这些模型的类型归为“场地”。

3.4 支护结构建模

支护结构包括翻车机房主体结构支护和廊道结构支护两大部分。其中翻车机房主体的支护结构包括设置于主体结构外侧的圆形地连墙和支撑地连墙的帽梁、圈梁、竖肋结构。廊道的支护结构包括两片侧墙、一片端墙以及地连墙的支撑结构，侧墙和端墙均采用直线型的地下连续墙结构。建支护结构大多为规则截面的墙体和梁，故可以利用Revit中已有的系统族建立。对圆形地连墙内的竖肋等，利用拉伸和融合的功能新建可载入组（图4），插入中心模型进行建模。

图4 支护结构模型

3.5 翻车机房下部结构

翻车机房主体结构共分为 3层，分别为底板层、漏斗层和顶板层。

底板层为皮带机层，顶高程-12.2 m。沿火车走线方向，布置 BF1～BF3三线皮带机，中间通过调整机房配重的回填仓格隔开。皮带机两侧为吊装孔、风机孔、人孔等，各功能区用隔墙分区。底板排水系统为0.1～0.3mm深的排水沟，最终汇总至东西两侧风机间内的集水坑内。中层为漏斗层，板顶高程为-0.7 m，共 3条火车线CD1～CD3，每条火车线下设置 6个漏斗，与底板层的皮带机系统对应，漏斗架设在下层隔墙和漏斗梁上。漏斗层与顶板板间设有扶壁支撑，该层主环网管线从扶壁上开洞穿过。顶板层与场地地坪高程基本一致，顶板上分别设有27 m×36.0 m和 12 m×36.0 m 的开孔，此开孔用于布置CD1～CD3火车线的翻车机转子，开孔四周均设有加强梁（图5）。

图5 翻车机房下部结构模型

三层楼板、局部的隔板、标准外墙和隔墙、孔洞等均为多数为标准构件，可通过软件自带的系统族建立即可，其余异型构件则需通过新建族等特殊功能来实现。如底板的U型伸缩缝和排水沟，通过内建模型中的拉伸和空心剪切和融合功能来模拟（图6），集水坑则利用“楼板边”功能创建集水坑壁（图7）。而Revit中没有墙体族样板，漏斗支撑墙只能通过内建模型来完成（图8）。漏斗梁则基于梁构件的族模板建立的。

图6 底板分割缝

图7 集水坑建模

图8 异型墙体内建模型

3.6 翻车机房轨道梁建模

火车轨道梁CD1～CD3主要由标准轨道梁、夹轮器、轨道衡和车档段组成，其中CD1和CD3以廊道地连墙支护结构为基础外，CD3采用灌注桩基础。三条定位车轨道梁DW1～DW3分别与火车梁相邻，间距3.39 m，同样采用灌注桩基础（图9）。

图9 火车梁及定位车梁模型

桩是以系统族中的柱为模板来建立的。火车梁、夹轮器梁、轨道衡、定位车梁均为异型构件，且每种梁的不同结构段的模板也均不相同，但主要区别在于异型坑的位置和数量，而坑的尺寸和深度均相同。通过梁的族模板，分别建立以上几种构件的基本族文件，并将坑洞的数量和未知进行参数化定义（图10、图11），将族文件导入到项目后，即可通过调整族参数来实现不同结构段的建模，这也大大提高了建模效率，使得模型更加精简。

图10 火车梁的梁族文件

图11 定位车标准段的梁族文件

3.7 翻车机房廊道建模

翻车机房的廊道结构包括单孔 BF3与双孔BF1/BF2两条廊道，廊道总长约168 m，由-12.2 m爬升至地面5.4 m，爬升角度约11°（图12）。

图12 廊道模型

廊道为地下箱涵结构，通过载入族的形式建立，建模相对简单，但廊道结构是一个不断向上攀爬的结构，每段廊道的布置相对麻烦，需设计人员根据公制体量族的属性和廊道的爬升曲线逐一定位。

3.8 翻车机房上部结构建模

翻车机房上部钢结构大棚的组成主要包括墙体、屋面、楼梯、门窗、建筑设备设施等（图13）。BIM技术在国内是起源于建筑行业，故上部结构的构件基本都可以通过系统族来建立，仅部分大棚柱角承台基础为异型结构，利用了“公制模型”族样板来建立。

图13 翻车机房上部结构模型

3.9 管线建模

翻车机房除主体结构内安装有7套管线系统，按专业分为暖通、供电和给排水3个工作子集。暖通专业包括通风、干式除尘和干雾除尘系统，供电专业包括供电和控制系统，给排水专业负责给水消防和排水系统。

BIM技术建模与传统CAD绘图的主要区别在于参数化和信息化，即基于族类型定义相关参数并自动生成构件，这不仅仅避免了CAD绘图中经常出现的尺寸不准，还可以大大提高建模效率。尤其是对于管线专业建模，这一优势更加突出。以通风系统为例，绘制风管时选择“默认矩形风管”，在“类型属性”中完善“管件-布管系统配置”信息，缺失内容在系统族库“机电-风管管件-矩形”中按需载入，如矩形弯头、Y型三通、软连接、过渡件等。绘制时，在平面视图中直接分段给定风管尺寸、高程、走向、长度，软件会自动在变径处或变高程处添加过渡件，在转弯处添加弯头。绘制竖管时，如与水平管段连不上，可以在三维视图里，选中待连管或管件，使用“布线解决方案”，大部分连接问题都可解决（图14）。

图14 通风系统模型

4 协同设计和碰撞监测

协同设计是BIM技术的最大特点和优势，尤其是基于中心模型的协同设计方式，可实现不同专业的实时协作。在本工程的建模过程中，水工结构专业先根据轴网和高程系统建立主要楼层和墙体构件，暖通、供电和给排水专业人员在此基础上开展布线工作。在此实时协同的设计模式下，各专业人员在建模的过程中，可根据其他专业的建模情况适当的做出调整，提前避免了明显的碰撞和冲突。

当然基于实时协同的设计模式不能完全的避免碰撞和冲突，软件还提供了碰撞检测功能。虽然Revit中也可以高亮显示碰撞点，但是由于Revit并不会将其他部分暗淡显示，导致画面较为混乱，相比之下，Navisworks给出的结果则鲜明得多，而且还会根据选择将视角切换至碰撞发生处，所以本项目使用Navisworks做碰撞检测。由于，本工程的复杂性，管线与管线之间、管线与结构之间、结构与结构之间的检测原则均不相同，有的避免物理碰撞即可，有的还有安全距离的要求，故需根据不同的原则进行多次检测。检测结果显示，确实存在多处冲突点，如图 15显示了由于管道位置与开口位置不协调导致碰撞。基于以上结果，与各专业协商后及时调整模型，将碰撞冲突降最低限，满足施工现场可控的要求。此外，正是由于BIM基于参数化的建模方式和协同设计平台，使得碰撞调整过程非常顺利，且效率很高。

图15 管道位置与开口位置不协调导致碰撞

5 图纸和工程量

BIM 技术虽然实现二维到三维的转变，但传统的平面图纸还是设计成果不可或缺的部分。在三维模型中，可根据图纸的表现需求来自由定义平面、立面和剖面的位置，软件则会自动生成对应的二维图纸，经尺寸、标注和说明的处理后即可出版。Revit的明细表功能可以自动统计项目中各类图元对象的工程量，但统计规则和格式等均按照建筑行业的原则制定，故在水运行业的应用中还需通过专门插件才能实现。

此外，软件还可以把项目中多个视图或明细表布置在同一张图纸中，并将图纸转化成CAD软件的常用格式，以便和传统的设计模式衔接，进行图纸的校核、校审等工作。

6 施工模拟

施工模拟使用Navisworks中的Timeliner模块进行，该模块不仅可以制作施工模拟动画，更有实际意义的是，它可以用来做进度跟踪，用户在设定施工工序的同时，Timeliner模块会生成甘特图。施工模拟不仅仅是一个展示性的功能，在模拟施工的过程中，还可能发现设计过程中忽略的问题，为设计计算提供依据，并形成生动直观的可视化成果。

7 结 语

相比传统的设计模式，BIM技术具有诸多优点，如参数化构件、三维可视化、多专业协同、碰撞检测、出图、工程量统计和动画展示等等，尤其是对翻车机房工程而言，不仅解决了传统设计模式下的诸多难题，还大大提高了设计效率。

1）参数化建模的方式，不仅避免了传统CAD绘图中的尺寸误差，还使得模型修改更加方便，避免了大量的重复性工作。

2）基于BIM三维可视化的视图和实时协同的设计模式，各专业设计人员在建模过程中即可根据其他专业的建模情况实时做出调整，提前避免了大量的碰撞和冲突，并使得各专业间的沟通更加直观和畅通。再结合碰撞检测功能，BIM技术轻松解决了本工程中的技术难点。

3）基于三维模型，Revit可自动绘制平面二维图纸并提取工程量，不仅准确且效率高。此外，Revit还提供了与传统cad文件的接口，操作更灵活。

4）由于本工程的特殊性，施工组织顺序是设计计算的输入条件。Navisworks在制作漫游动画和施工模拟方面，操作便捷，并可以将进度动画、视点动画和场景动画等相结合，从而对施工现场进行模拟和指导，并对设计工作提供了帮助。

但目前BIM技术在水运行业的应用还处于起步阶段，还存在一定的局限性：

1）由于BIM技术在国内由建筑行业发展而来，故在水运工程的应用中，基本族库还有诸多不适应性，开发专业性的族样板和建立标准的族库是突破局限的关键。

2）工作集是的协同模式虽可以基本满足设计要求，但在权限规定和协同操作等方面存在较多缺陷和漏洞，数据安全性问题也是较大的隐患。

3）Revit的自动出图功能在一些细节问题上还有待改善，还需结合CAD的相关操作才能达到出图标准。明细表功能需也结合专业插件才能实现在水运行业的应用。

［1］黄强.论 BIM：第一章［M］.中国建筑工业出版社，2016.

［2］National BIM Standard-US TM［S］.2015.

［3］AEC（UK） BIM Standard［S］.2012.

［4］2011-2015年建筑业信息化发展纲要［Z］.2011.

［5］关于征求关于推荐BIM技术在建筑领域应用的指导意见（征求意见稿）意见的函［Z］.2013.

［6］赵渊，吴鹏程，傅瑜.上海国际航运服务中心西船闸工程 BIM 技术的实践与应用［J］.港口技术，2011，（11）：24-27.

［7］张向东.BIM 在内河航运枢纽工程的应用实践和展望［J］.2015，（12）：253-254.

Application of BIM Technique in Design of Car-dumper Shed

Li Ying，Zhao Yanfei，Yan Xiaolu，Zhang Liguo
（CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Based on car-dumper shed of coal terminal phase-3 project at Tangshan Port Caofeidian Harbor，a detailed introduction is made to the application of BIM technique in the construction drawing design.The engineering practice shows that the application of BIM technique improves the design efficiency in the process of model building，impact detection and optimum design，which will provide refrences for similar projects.

BIM； Revit； Navisworks； car-dumper shed； impact detection

U653.92

A

1004-9592（2016）05-0051-06

10.16403/j.cnki.ggjs20160513

2016-05-27

李颖（1985-），女，工程师，从事港口工程水工结构设计。