BIM 技术在港口设计中的应用研究

唐 鑫，泉 金，陈正鹏

（1.重庆交通大学，重庆 400074；2.重庆市交通规划勘察设计院有限公司，重庆 401121）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下简称“BIM 技术”）的本质和核心是运用计算机技术、信息技术和网络技术整合建筑业相关技术和流程。其目的是提高建筑业整体信息化管理水平，使建设全过程能够参数化、可视化、集成化、精益化和智能化［1］。

BIM 技术基于工程三维数字模型，从工程项目的规划、设计、施工，乃至运维阶段，覆盖工程项目全生命周期，整合工程项目各类信息，为各相关参与方提供集成化的信息交互环境和手段。

相比二维规划和设计、纸质蓝图施工、纸质竣工资料归档等过程，BIM 技术的核心价值在于其利用信息化手段能够使设计、施工、运维的信息全生命周期流动起来。BIM 模型数据从规划设计，到施工运维，其模型信息不断完善并始终保持一致性［2］。

2016 年 3 月，《交通运输部关于印发〈交通运输重大技术方向和技术政策〉的通知》（交科技发〔2015〕163 号）把 BIM 列为十大重大技术方向和技术政策之首。BIM 技术在国际工程界受到高度重视，是参与国际工程建设市场竞争必备的能力之一。

2017 年 1 月，《交通运输部办公厅关于印发<推进智慧交通发展行动计划（2017－2020 年）的通知>（交办规划〔2017〕11 号），提出到 2020 年实现基础设施智能化，推进建筑信息模型（BIM）技术在重大交通基础设施项目规划、设计、建设、施工、运营、检测维护管理全生命周期应用，基础设施建设和管理水平大幅度提升。

2018 年 3 月，《交通运输部办公厅关于推进公路水运工程 BIM 技术应用的指导意见》（交办公路〔2017〕205 号）提出到 2020 年，相关标准体系初步建立，示范项目取得明显成果，公路水运行业 BIM 技术应用深度、广度明显提升。行业主要设计单位具备运用 BIM 技术设计的能力。

2019 年 12 月，《交通运输部关于印发〈推进综合交通运输大数据发展行动纲要（2020－2025 年）〉的通知》（交科技发〔2019〕161 号），提出推动各类交通运输基础设施、运载工具数字孪生技术研发，加快交通运输各领域建筑信息模型（BIM）技术创新，形成具有自主知识产权的应用产品。

上述政策说明了 BIM 应用的必要性和交通行业推行 BIM 技术的决心。

基于方案阶段的重要性和复杂性，以及 BIM 技术的特点和优势，本文从方案研究阶段的需求和流程出发，实践并总结 BIM 技术应用的流程，助力后续阶段深入应用 BIM 技术。

1 BIM 技术应用的流程

对港口码头设计的项目，可按下列程序进行。一是工程环境现实重构（Reality Modeling，或称实景建模）；二是基于 BIM 技术的方案设计，其主要内容包括港口场平设计、互通、引桥、码头 BIM 建模、工程量统计和二维出图；三是利用渲染软件对 BIM 模型进行方案可视化的展示与成果交互。

1.1 工程环境现实重构

摄影测量学理论的发展实践和无人机硬件以及建模软件的逐步稳定成熟，可将无人机倾斜航拍的照片生成三维实景模型，为地形和地物信息的采集提供了直观高效的方法，作为 BIM 设计的重要基础。

倾斜摄影技术颠覆了以前正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在无人机搭载多台相机，同时从垂直或 4 个倾斜角度采集影像，并由三维建模软件处理，可基本实现全自动生成三维实景模型，使用户可从多个角度逼真地观察地形和地物，且具有可量测性、真实性、高精度等一系列优势［3］，从以往的工程案例中分析可得，其精度达到 1∶500 精度［4］。

如图 1 所示，倾斜摄影实景三维建模过程包含航线规划、倾斜航摄、像控点测量、影像处理、POS 解算、空三计算、纹理映射、模型优化等多个技术环节，其关键点是空三计算、实景三角网重建、纹理映射、模型优化修饰［5］。

图1 倾斜摄影实景建模一般流程

实景模型直接反映最新地形与建（构）筑物情况，而方案阶段的二维地形图基本不能反映最新情况，如图 2 所示，实景模型不仅可以获取二维地形图的信息，还可以三维方式查看，并进行坐标、高程、尺度、体积测量。

图2 二维 CAD 地形图与实景模型

1.2 BIM 设计建模与应用

1.2.1 码头整体规划与实景结合设计

基于 Bentley 平台，码头规划设计可参考实景模型和 GIS 底图，使设计人员可以“在现场”真实地设计［6］。如图 3 所示，在码头方案研究中，无法获取既有控制点精确的坐标资料，为加速项目进度，可在高精度 GIS 地图上选取规划区域，实现码头的参数化建模，基于三维可视化设计，可直观分析设计中对周边建构筑物的侵占情况以及验证实施可行性，为方案决策提供重要支撑［7］。

图3 GIS 环境下码头规划设计

1.2.2 高桩码头参数化建模

在高桩码头三维建模中，可基于 OpenBuildings Designer 的功能对码头的结构进行快速参数化建模，其中建立的三维模型与参数化模板可实现联动更新，实现更改模板参数后三维模型自动更新，使得设计更加合理。如图 4 所示，利用参数化模板实现模型联动。

图4 码头结构参数化设计

1.2.3 码头互通参数化建模

如图 5 所示，在码头规划设计方案中，可基于实景模型，采用参数化设计建模方法，并基于设计指标完成码头互通的路线平、竖曲线设计和桥位布置，并赋予横断面特征，实现互通方案 BIM 建模。如图 6 所示，基于三维交互式的方法可分析方案与周边环境平面位置和空间关系，以及对码头互通与既有路相接情况和实施可行性，缩短方案设计的优化周期。

图5 互通路线参数化设计

图6 新建互通与原有路相接设计

1.2.4 引桥 BIM 参数化建模

Bentley OpenRoads 系列软件具有桥梁参数化建模功能，其主要思路是分别建立墩台、T 梁等构筑物参数化模板，以路线为基线，实例化各参数化模板，并在此过程中，实施参数化约束，以构建复杂的几何形体［8］。

参数化模板和实例化后的 BIM 模型具有关联特性，在参数修改后可自动更新模型，并且这种更新具有局部和全局控制属性，在 BIM 设计建模过程中可灵活选择，如图 7 所示。

图7 码头引桥参数化

1.2.5 设计成果输出

如图 8 所示，基于 BIM 参数化模板搭载的几何信息和实例化后的三维模型几何信息，可实现三维动态出图以及工程量统计。

图8 高桩码头出图和工程量计算

基于 BIM 模型提取的成果，依然和模板保持动态关联，即在参数发生修改后，出图与工程量会自动更新。

1.3 方案可视化交付

三维可视化是 BIM 技术最直接的特征。如图 9 所示，方案阶段完成 BIM 建模后，直接导入 Bentley 渲染软件 LumenRT，完成动画和效果图渲染，基于 BIM 模型还可生成交互式体验包，并以第一视觉在 BIM 模型场景里实现飞行、漫游、步行，并可模拟时间和太阳角度，以及四季变化，实现实时渲染。

图9 交互式体验包与实时渲染

VR（Virtual Reality），沉浸式虚拟现实，如图 10 所示，打开漫游包，戴上 VR 眼镜，无须额外设置就可身临其境地观看BIM模型和周边实景，有步行、飞行模式可选择，还可通过手柄交互，目前 Bentley LumenRT 支持 Oculus Rift VR 和 HTC Vive VR 设备。实践应用表明，三维可视化能极大地加速方案优化和交付进程。

图10 VR 体验

2 结论

本文基于 BIM 技术在港口设计中的应用研究过程，得出下列结论。

1）分析国内交通行业 BIM 应用的主要政策以及技术优势，提出了尽快出台落地政策、自主研发 BIM 软件、强化施工及运维期应用是具体实现水运工程全生命周期信息化应用的方法。

2）通过 BIM 参数化设计建模方法，建立港口场平、互通、引桥、高桩码头 BIM 模型，并通过参数调整实现方案的快速迭代优化和倾斜摄影方法建立三维实景模型，实现 BIM 技术融合实景模型的方法，分析码头规划设计的合理性与周边环境的空间关系，优化方案布置。

3）通过 BIM 技术动态出图与算量的方法，实现了二维出图和工程量计算与 BIM 模型的动态关联，并通过 BIM 三维可视化实时渲染技术实现了可视化方案交付。研究表明 BIM 技术可提高设计方案质量，加速方案交付进程。Q