BIM 在海外某港口疏浚工程中的应用

黄 智， 杨 彪

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

随着“一带一路” 倡议的不断推进， 海外工程项目的竞争越来越激烈， 如何精细化地进行工程设计很大程度上决定了项目的竞争力。 应用BIM 技术可以提高工程设计的质量和效率， 有效控制成本和工期， 辅助项目管理和运维， 在工程建设的全生命周期内发挥关键作用[1]。

目前， 国内外BIM 发展水平不平衡， 欧美国家BIM 技术应用水平相对较高， 在2010 年前后，欧洲就有近半数的建筑师使用过BIM， 甚至达到专家水平[2]。 近年来， BIM 技术在中国制造业与建筑业的应用较为广泛且成熟， 而在水运交通行业的应用相对落后， 但近几年也得到了迅猛发展[3]。 随着BIM 技术在水运行业应用的日渐普及，港口工程设计的精细化程度越来越高， 设计方案更加优化， 相关的工程量报价也更加准确， 大大提高了项目的竞争力。

港口疏浚工程属于大型土方类工程项目，Civil 3D 软件是Autodesk 公司推出的一款针对土木工程道路和土石方的BIM 解决方案[4-5]， 利用该软件可以创建港口疏浚模型， 并快速生成施工图纸，精确计算疏浚工程量[6]。 同时， 利用该软件的地质模块创建三维地质模型， 可以实现疏浚量按照土质分类进行精细化计算， 为施工设备选型和工程造价估算提供依据。 此外， 通过软件图形样板的制定， 可以保证图纸成果的标准化， 大大提高了出图效率和图纸表达的准确性。

1 项目概况

工程位于非洲某区域， 主要建设1 个7 万吨级和1 个10 万吨级集装箱泊位， 码头总长715.5 m，采用重力式沉箱结构。 码头前沿设计底高程为-16.0 m， 港池和航道的设计高程为-15.5 m，回旋水域半径为692 m， 航道宽度为200 m。 疏浚工程范围主要包括停泊水域、 港池、 航道及码头基槽。 工程位置地质大致分为3 层， 自上而下依次为标贯0 ～15 击的砂型黏土、 标贯15 ～50 击的砾质黏土、 标贯50 ～300 击的高风化片麻岩。图1、 2分别为工程平面图和码头典型断面。

图1 工程平面图

图2 码头典型断面(高程: m； 尺寸: mm)

2 BIM 应用思路

Civil 3D 软件强大的三维建模和地形处理功能可以实现疏浚工程的BIM 应用， 进而达到精细化设计的目的， 基于Civil 3D 的疏浚工程BIM 应用思路见图3。 首先， 基于现场测量数据生成地形模型， 基于地勘钻孔数据生成三维地质模型； 然后，基于地形模型和地质模型， 根据设计方案创建三维精细化疏浚模型； 最后， 由疏浚模型输出设计成果， 包括施工图纸、 工程量、 三维实体模型等。

图3 基于Civil 3D 的疏浚工程BIM 应用思路

3 BIM 疏浚设计方法

3.1 创建三维地质模型

本工程疏浚区域包含28 个地勘钻孔， 钻孔平面分布范围未能包含整体疏浚区域， 假设将钻孔土层水平向外拓展生成虚拟钻孔(15 个)， 以保证疏浚区域地质模型的完整性。 疏浚范围土层分布连续， 结合各钻孔的土层高程信息， 疏浚土体包含砂型黏土和砾质黏土2 类。

利用软件地质模块(geotechnical module)新建本工程地质模型数据库， 导入地质钻孔信息数据， 分别是Location Details 和Field Geological Descriptions 2 个csv 格式文件， 其中Location Details 文件中包含钻孔编号、 类型、 坐标、 孔口高程及钻孔深度，Field Geological Descriptions 文件中包含每个钻孔的土层名称及厚度信息[7]。

地勘数据导入后， 利用地层(strata)功能可快速生成每种土体的顶部和底部地层曲面， 检查地层曲面间是否有交叉现象， 若有则须进一步处理。同时， 利用曲面间提取实体功能可以将每层土体提取三维实体模型， 增强地质模型的可视化效果，使显示更加直观， 见图4。

图4 三维地质模型

3.2 创建疏浚模型

本工程测量数据保存为包含坐标和高程信息的点文本格式， 在Civil 3D 软件中新建三角网曲面， 导入测量点文件生成原始地形曲面模型。 精准的地形曲面是疏浚建模的基础， 也是快速出图和精确算量的基本保障， 故应仔细检查曲面的准确性， 删除测量数据中的错误高程点， 从而提高建模精度。 同时， 由于钻孔间距较大， 三维地质模型顶部曲面精度远小于由测量数据生成的地形曲面， 所以在疏浚建模时， 应使用地形曲面替代地质模型的顶面， 即砂型黏土层的顶部曲面。

根据设计方案确定疏浚边界及高程， 并分析不同高程之间的过渡关系。 设计中的水域疏浚边界通常是直线连接， 而考虑到实际地形的高程变化， 如原始地形低于设计高程， 则该位置并不需要进行疏浚， 此时应从地形曲面提取相应高程的等高线， 作为该处的设计边界， 从而保证疏浚边界的准确性。 从具有高程信息的疏浚边界创建要素线， 利用软件的放坡功能， 根据设计坡度向地形曲面作开挖放坡， 同时生成疏浚边坡曲面。 对于要素线闭合范围内的区域， 可以通过创建放坡填充功能直接生成放坡曲面。 疏浚曲面创建完成后， 可以与原始地形进行组合， 生成疏浚后的地形曲面， 同时可以对曲面进行高程分析， 增强可视化效果， 见图5。

图5 疏浚模型

3.3 生成疏浚施工图

利用Civil 3D 软件快速生成满足施工标准的疏浚图纸， 包括平面图和断面图(图6)。 通过疏浚模型快速获取疏浚边坡与原始地形的交线， 将该交线作为疏浚平面图边界范围线。 与传统方法绘制的平面图相比， 具有更加真实准确的特点。 同时可以通过制定放坡样式自动生成示坡线， 提高作图效率。

图6 疏浚断面

基于疏浚模型可以在任意位置快速生成疏浚断面图， 且断面图与模型具有动态关联的特点，模型更新则断面图自动更新。 在拟生成断面图的位置创建路线， 利用软件的创建曲面纵断面功能生成纵断面图， 并结合三维地质模型， 将地形曲面、 地层曲面及疏浚曲面同时反映在一个断面图中， 使断面图信息更加完整。

根据本项目出图标准创建定制化的图形样板，使设计成果输出格式标准化， 并大大提高了出图效率。 通过制定纵断面图样式可以自动生成图名、横纵轴信息以及地层断面和开挖范围的填充等，并可通过调整横纵比例使断面图显示更加美观。同时， 可以利用标准化的纵断面标签对图纸进行标注， 如坡度、 高程等信息。

3.4 计算疏浚工程量

根据疏浚土的类型， 应用BIM 技术进行精细化的工程量计算。 基于疏浚模型和三维地质模型，通过软件的体积面板工具， 利用疏浚曲面和砾质黏土顶面计算出砾质黏土的疏浚量， 利用疏浚曲面和地形曲面计算出疏浚总量， 二者之差便是表层砂型黏土的疏浚量。

通过模型计算可知， 表层砂型黏土的疏浚量为165.80 万m3， 砾质黏土的疏浚量为190.40 万m3，总疏浚量为356.20 万m3。 根据土体特性及疏浚工程量， 采用水下松动爆破和小抓斗清淤相结合的疏浚方式， 并合理编排施工工序及调遣施工设备，大大节省了工程造价。

此外， 利用曲面间提取实体的功能， 可以将疏浚土体按土质分别提取三维实体模型， 通过查询实体体积也可得到精确的疏浚工程量， 同时三维实体使疏浚模型具有更好的可视化效果， 且可为疏浚工程施工模拟提供模型基础。

对于超深超宽工程量， Civil 3D 软件自带功能无法通过设计方案模型直接计算， 须根据超深超宽设计值偏移疏浚设计边界线， 采用本文的建模方法重新创建超深超宽疏浚模型， 再根据模型统计超深超宽工程量。

4 结语

1)通过创建三维地质模型， 使不同土质的分布情况显示更加直观， 利于辅助方案设计。

2)通过创建三维疏浚模型， 使疏浚设计更加精细化， 设计成果更加精准合理， 降低施工风险。

3)基于本项目自主定制的图形样板文件， 利用三维模型直接输出疏浚施工图， 保证了图纸成果的标准化， 大大提高出图效率和图纸表达的准确性， 为疏浚施工提供准确依据。

4)基于三维地质和三维疏浚模型， 实现按土体种类精确计算疏浚工程量， 为施工设备选型和工程造价估算提供了有利支撑， 提高竞争力。