基于虚拟设计与施工技术的港口工程建设应用研究

2022-05-02吴庆飞

中国港湾建设 2022年4期

吴庆飞

（上海国际港务（集团）股份有限公司，上海 200137）

0 引言

近年来，全球建筑业生产力指数呈逐年下降趋势[1]。港口工程建设环境复杂、生产效率低、信息化水平低等影响了港口工程的快速发展。随着综合性港口的建立，港口工程复杂性增加，涉及专业多且杂，参与人员也成倍提升。建设项目生产效率低下、多学科多专业间合作较差，返工较多等问题亟待解决。以上问题的涌现，斯坦福大学综合设施工程中心（CIFE）提出了虚拟设计与建造（Virtual design and construction，VDC）这一概念，其利用集成化的信息技术模型，对建设项目工程产生了积极的正向作用。

1 虚拟设计与建造

1.1 VDC的含义

VDC于2001年由斯坦福大学综合设施工程中心（CIFE）首次提出，经过多年实践与修改后，将其定义为在工程建设过程中通过应用多学科多专业集成化的信息技术模型，来准确反映和控制项目建设过程，使项目建设目标能更好地实现[2-3]。

1.2 POP框架

VDC技术的框架内容可以用POP模型来概括，其POP模型包括产品模型（Product，P）、组织模型（Organization，O）、过程模型（Process，P）。

1）产品模型：组织按照一系列流程完成的项目成果，该成果既可以是最后的项目目标（如设施完善的码头），也可以是项目建设过程中的中间成果（如码头总平面设计图）。

2）组织模型：项目建设过程中所涉及的个人或单位，如水工结构工程师、设计单位等。

3）过程模型：组织为完成项目或产品而产生的一系列流程或程序。

为了POP模型更好地实现，CIFE提出一套明确的方法论定义POP模型。该方法论将项目的产品模型、组织模型、过程模型进行相应地拆分和细化，见图1。其中，预期功能、形式架构和预期行为又均可划分为预测、观察以及期望3个层面。

图1 POP模型架构图Fig.1 POP model architecture diagram

基于VDC技术下的工程建设，利用POP模型将项目目标不断拆分和细化，集成多学科、多专业的经验与成果，在项目建设过程中利用计算机软硬件等进行预测、分析以及把控项目的实际进展情况及未来影响。同时，利用一系列指标等对项目建设过程进行衡量，对项目建设过程中产品模型、组织模型、过程模型涉及的成果、人员、方法等进行考核，促进项目目标更好地达成。

1.3 VDC技术的实施过程

VDC于2001年首次提出时，当时计算机技术正在起步发展，计算机软硬件的应用也相对单一。随着计算机技术的日益成熟，2D绘图软件、3D建模软件、人工智能机器人、5G技术等在港口工程中已逐渐开始应用甚至成熟。VDC技术可划分为3个阶段：虚拟可视化阶段、集成化阶段、自动化阶段[2-3]。

1）虚拟可视化阶段：利用计算机软硬件将原来传统的纸质文件升级、转化成数字化信息数据。例如，使用AutoCAD将传统的手绘设计图纸转化为电子图纸，利用Office系列软件将纸质文件、数据转化为电子数据等。

2）集成化阶段：利用POP模型以及其方法论等在项目建设过程中集成所涉及的专业。例如，IFC（Industry Foundation Class）标准促进了建筑行业不同阶段、不同专业、不同软件间的数据互通与共享，有效集成了在建设过程中所涉及的多参与方、多专业，促进多参与方、多专业的沟通，使得工作效率明显提升。

3）自动化阶段：利用自动化方法促进设计以及构件生产自动化，提高生产效率。

2 虚拟设计与建造实践应用

自VDC这一概念提出后，VDC技术在国内外工程中开始逐步应用。上海天文馆运用VDC技术，通过建立POP模型获得建设项目过程中几乎所有的数据和信息，并辅助可视化设计过程，极大地提高了设计效率[4]。洛杉矶迪士尼音乐厅在建设中应用VDC技术后，发现VDC有利于优化进度安排、促进团队交流等[2]。武汉国际展览中心项目使用BIM+POP模型的技术，发现该技术进一步加强了项目施工期间的质量管理[5]。

目前，虚拟设计与建造在港口工程中的应用较少，但BIM、VR技术等却在港口工程中逐渐应用[6-8]。这些应用只是单一技术或软件等在港口工程的具体应用，缺少方法或技术来集成各专业各技术服务于港口工程的全生命周期建设。另一方面，码头等构筑物服役于海洋环境下，其施工受环境影响较大，施工难度大，设计人员对于港口工程的施工不能完全控制和掌握。国内现行的传统的DB和DBB招投标模式下，施工单位无法提前参与设计，因此对于设计图纸中存在的施工风险与问题无法尽可能规避，这往往会导致设计单位不断进行返工，且这种返工绝大多数涉及多专业，造成严重的资源浪费。

在国内传统招投标模式下，对于此类问题，建设过程中开始引入咨询单位，例如岩土全过程咨询、BIM全过程咨询等，其在方案、设计等阶段给出专业性建议。目前，如何整合不同单位、不同专业的参与方，如何更好利用咨询服务已成为亟待解决的问题。在实践过程中发现，VDC技术不仅增强团队的合作与沟通，对于项目完成质量、速率、效率均有所提升。

3 VDC技术在上海崇明岛公共货运码头工程中的应用

3.1 上海崇明岛货运码头工程概况

上海长江隧桥禁止液化石油气、油漆、乙炔等货物运输，水路运输是目前崇明岛该类货物输入的唯一方式。崇明岛保障民生及城市运行所需货物需求品种多，现状能够运输该类货物的码头规模小、布局散，且缺少综合性专用码头，安全隐患突出，难以保障崇明岛的生产生活需求。

短期来看，上海崇明客运轮船有限公司所属船舶加油和管道气，不能抵达的偏远地区的居民生活用液化石油气的滚装运输问题亟待解决；远期来看，崇明岛内河相关货物码头的整合和LNG船舶加注等问题也慢慢浮现。因此，崇明公关码头的建设是世界级生态岛建设的重要支撑，是崇明岛生产生活需求的重要保障，是保障民生及城市运行所需货物运输安全的重要手段，是解决崇明岛现状货物运输安全隐患的迫切需求。

上海崇明岛公共货运码头长594 m，宽15 m或20 m，码头与引桥之间设置连接平台，连接平台宽24 m。陆域总用地面积22 678 m2，陆域建设埋地柴油储罐1 380 m3，LNG储罐300 m3，预留1 000 m3。总建筑面积2 149.82 m2，容积率为0.095，绿地率为35%。码头工程涉及总图、水工、土建、绿化、消防、给排水、概预算、船舶、安全等诸多专业。

3.2 POP模型

上海崇明岛公共货运码头工程庞大，涉及专业多且杂。对于水工工程师而言，暖通工程、船舶工程等专业技术难点、安全隐患预判、问题解决能力等欠缺，往往不能做出及时准确地判断、设计，导致多专业多次的返修与复工。本项目采用POP模型，整合各专业工程师，前置问题，将问题细化，做出了有效的判断，减少了不必要的返工。表1为项目建设过程中总平面图环节POP模型表。

表1 POP模型表Table 1 POP model table

3.3 可视化3D模型

传统的设计图纸是二维的，不能清晰、立体地呈现出建筑物或构筑物的形态，往往需要结合平面图、剖面图、立面图等多张设计图纸以及较长时间的转换才能在脑中形成一定的立体形态，其准确度也有待考证。利用Revit等3D建模软件，可以将二维平面图纸有效转换为3D模型，可以直观观察构筑物、建筑物的形态以及位置等。图2为上海崇明岛货运码头的可视化3D模型，通过旋转视角、放大界面可以清晰仔细看到水工构筑物以及陆域建筑的细节。

图2 上海崇明岛公共货运码头3D模型Fig.2 3D model of Shanghai Chongming Island public cargo terminal

3.4 通航条件预测

通航水流条件包含了码头前沿水域潮位、流场、流速等[9-11]，是论证码头建设是否可行的重要因素。为明确本工程码头建设引起的通航水流条件和河床冲淤变化，基于经济化效益验证码头选址以及建设方案的可行性，拟选最佳港址位置。通过建立长江口潮流动力模型，对码头工程附近海域潮流动力特征及码头建设对周边洪潮动力的影响进行了计算分析，见图3、图4。

图4 计算结果Fig.4 Calculation results

数模分析结果表明，该港址选址位置河段河床稳定，河床冲淤变幅较小。工程建成后对于航道条件的影响程度局限在上下游一定区域，因此工程建设对于航道条件的影响处于可接受的范围内。由此可见，利用长江口潮流动力模型可以有效预测和分析现行港址位置、建设方案以及运营期间通航问题，帮助设计单位进行科学决策，规避码头建设后通航问题，不仅科学有效且节省设计时间，而且可以节约疏浚河道以及建设资金。

3.5 综合管理平台

上海崇明岛公共货运码头的建设需保障崇明岛水上客运以及危险品进岛运输的安全有序，消除客运船舶燃油加装和危险品运输存在的安全隐患，彻底解决崇明岛危险品运输的问题。因此在港口工程设计过程中，需要注意消防、强弱电、交通等各专业井然有序的作业。结合以上，上海崇明岛货运码头开发一套综合管理平台，包括弱电安防、火灾消防、吊机防碰撞系统、应急辅助决策以及码头结构健康系统模块，见图5。