BIM技术在自动化集装箱码头设计中的应用

李家华，杨 彪，许鸿贯，梁 庆

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510290)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)作为一种创新的技术与生产方式，是信息化技术在工程行业中的直接应用，自提出以来已在欧美等发达国家大规模推广及应用，引发了工程行业的巨大变革。当前，BIM 技术已不仅仅局限于建筑工程，而是在桥梁、铁路、公路、电力设施、港口码头等工程中均有应用[1]。作为一种全新的理念和技术，各种类型的工程项目都可以利用BIM找到解决问题的方法[2]。BIM技术在码头项目中的应用起步较晚，其软件应用方法、技术路线等最早均参照建筑工程的BIM应用体系实施，这得益于建筑工程行业BIM技术发展较早，标准化程度也更高。随着近年来数字化技术的快速发展和技术积累，港口类项目的BIM应用案例逐渐增多，不同类型的港口项目也在寻找最适合自身特点的BIM技术应用路线和解决方案，工程与BIM技术的结合愈发成熟。BIM技术的全面应用必将对水运行业的进步产生无可估量的影响。以BIM 模型为主要载体的信息表达方式将会发挥重要的信息传递和信息表达作用，并推动水运工程行业的数字化信息化发展[3]。

相较于常规的码头工程，自动化集装箱码头工程复杂程度更高，涉及总图、水工、航道、自动化装卸工艺、路场、岩土、结构、建筑、电气、给排水等相关专业，对专业间的配合和协同要求较高。传统二维设计技术模式存在信息表述复杂、协同设计困难、数据传输能力差等问题[4]，随着“一带一路”倡议走向世界的同时，凸显了技术和管理水平的不足；且项目的复杂性不断增加，对设计水平的要求越来越高，传统二维设计模式的局限性不断放大[5]。使用 BIM 技术可以提高设计效率和质量，将枯燥的设计过程变为真实、生动的视觉体验，在三维模型场景基础上对方案进行设计优化及碰撞检测，有效规避设计风险，提高设计质量[6]。本文针对钦州7#～10#泊位项目，结合集装箱码头设计的特点以及业主方对BIM实施的要求，为提高项目的工程设计质量和数字化成果价值转换而引入BIM 技术，在项目的协同、优化和创新上取得了显著成果，建立一套基于设计阶段自动化集装箱码头的BIM+解决方案，保证设计模型中需共享的数据在设计各环节之间交换和应用，并在协同工作平台上协同工作、共享模型数据，将项目实施过程数据关联起来，以数据为驱动，推进工程建设项目的标准化、精细化、集约化和智能化发展。

1 工程概况

钦州7#～10#泊位项目位于钦州港大榄坪港区大榄坪南作业区，建设4个自动化集装箱泊位，码头可停靠20万吨级集装箱船，建设内容主要包括沉箱重力式码头、疏浚工程、水工建筑物、助导航工程等，项目模型见图1。

图1 项目BIM模型

2 BIM组织架构及技术路线

2.1 BIM组织架构

为确保BIM应用的顺利开展及与施工阶段BIM应用的整体衔接，根据实际情况建立了整体BIM应用组织架构，明确各方职责。根据项目设计的专业划分，建立了专业齐全、人员经验丰富的BIM专业团队，负责具体BIM工作实施。由主管总工负责领导审核各项BIM工作的开展，明确实施方向。项目经理负责BIM具体实施，落实BIM工作进度。BIM团队组织架构见图2。

图2 BIM团队组织架构

2.2 BIM应用技术路线

1)BIM实施前，根据项目的实施目标、需求和特点，充分利用BIM技术及成果，结合类似项目的BIM应用经验，对BIM应用技术路线进行了整体规划，制定了项目的实施策略书，包括建立BIM应用流程、规范实施中的资源、行为和交付等内容，强化系统性和规范性，保障BIM工作顺利开展、实现预期目标。各专业利用各自BIM软件进行模型建立和成果表达等设计工作，采用云协同平台，各专业将设计成果无缝上传到云端服务器，实现数据的同步共享，保证数据安全和协同数据链完整。

2)项目进行过程中，为响应施工阶段BIM应用的需求，确保设计阶段BIM模型的信息在施工阶段进行有效传递，根据指定的BIM建模标准对模型进行分区分块分层，并按施工要求进行编码，整体技术路线见图3。

图3 BIM技术实施路线

3 BIM技术应用

3.1 BIM协同设计

基于协同平台进行多专业协同建模，通过软件附加程序接口实现与总装平台的数据检入和检出，对协同平台的模型文件管理及人员权限进行设定，保证模型数据的安全性。多专业多人员同时在平台上进行操作，通过专业间模型的汇总，实时链接反馈，查看模型进度及完成情况，并可在总装模型中标注、反馈问题，提高协作效率，增加专业沟通。利用总装软件直接从协同平台参照模型文件进行总装，保证各专业模型与总装模型的动态关联性，模型同步更新。支持版本追踪，可以查看、打开或者链接不同版本的模型，保障数据的可追溯性。

3.2 设计方案优化

BIM是工程三维数字化的有效信息载体，也是各参与方之间沟通交流的桥梁。通过多专业的模型整合，有效规避设计风险，减少施工过程中的相关变更，快速获知不同变更方案对成本的影响，提高变更决策效率。在BIM设计的过程中，各专业之间可以在三维可视化场景中进行多专业讨论，所有交叉专业均可链接至同地场景，自由剖切漫游，多角度查看设计方案。同时，利用BIM模型参数化特点还可以快速调整方案，实时刷新成果，进行多方案比对，对不合理处直接进行标记和调整，形成会议纪要，方便后续进一步优化方案，极大减少施工过程中潜在的延误和危险，明确设计责任，有效提升沟通效率和决策质量。智能导引运输车(IGV)维修车间方案优化见图4。

图4 IGV维修车间方案优化

3.3 碰撞检测

BIM技术的应用能够为项目设计带来显著的质量提升，特别是在自动化集装箱码头设计中，为了不影响地面流动装卸设备作业，室外管线通常采用埋地敷设的方式，管线错综复杂，且集装箱码头工程中的构筑物结构形式较多，构筑物基础容易与管线相碰。通过对室外管线模型以及结构物模型进行总装碰撞检测，可以在设计过程中消除不协调的问题，大幅减少施工过程中的设计变更。基于协同平台进行协同关联，各专业互相参照链接，所有专业模型可实时汇总，在总装软件中进行碰撞检测，查看交叉情况，减少碰撞的可能性，发现问题后进行高亮标注，召集专业协调，极大程度降低施工风险，保障项目的安全。自动化集装箱码头项目各专业间交叉严重，尤其是堆场区室外管线部分，部分区域需考虑自动化小车定位设备的埋设，经初步碰撞检测分析后共发现324处影响较大的碰撞点，碰撞检测见图5。通过在设计阶段进行各专业间的碰撞检测，可有效解决错漏碰问题，防止施工阶段的设计反复，提高设计和施工效率。

图5 各专业碰撞检测

3.4 BIM设计施工一体化应用

BIM全过程应用包括设计和施工2个阶段，但是两者往往各自完成相应的BIM应用，2条线并行，导致设计方提供的BIM模型对于施工方没有使用价值或使用价值较低，无法满足施工方的使用需求。为实现BIM技术在设计与施工阶段的一体化应用，打通不同阶段模型构件间的数据联通，在设计阶段提前考虑了施工方对BIM模型的需求，特别是在模型构件编码、模型属性信息及模型颗粒度方面。结合施工单位的编码和分段规定，在设计阶段对BIM模型进行了合理的编码、分段和属性附加，如现浇胸墙编码为XQ-XX-1#-01，分别代表了胸墙所在位置及分项工程编号，方便施工单位进行统一管理和工程量统计，同时也方便施工单位基于模型的最小划分单元开展施工进度、费用管控等施工阶段的BIM延伸应用，提高了模型在施工阶段的数据利用率，消除了设计、施工脱节的状况。BIM设计施工一体化应用见图6。

图6 BIM设计施工一体化应用

3.5 自动化装卸工艺虚拟现实仿真

该U形自动化集装箱码头建设方案的特点是交通分离、交互简洁、直进直出，技术领先。针对码头装卸工艺及平面布置的特点，基于BIM模型成果，利用虚拟现实技术、轻量化图形技术及游戏开发引擎技术等对自动化集装箱码头的整体装卸工艺进行数字化还原，设计模块包括自动化集装箱码头自由漫游、自动化双小车岸边起重机装卸船、堆场区装卸工艺及进出闸口模拟，实现了虚拟化场景中自动化装卸工艺的沉浸式体验，不仅能够在虚拟的自动化港口中自如穿梭，还可以动态查看从船舶靠岸到集装箱出运的完整自动化装卸工艺流程，充分展示码头自动化、无人化、智慧化的特点，见图7。

图7 自动化装卸工艺虚拟现实仿真

3.6 快速编程应用

鉴于BIM软件应用过程中存在工程量导出格式的问题，结合快速编程软件对软件进行定制化开发，见图8。自动分析待提取工程量的三维模型的体积、名称和数量，为该模型创建序号，对提取出的数据排序、处理并加上相应的表头，最后将整理好的数据导入到指定的Excel表格中。该方法可实现工程量标准格式的快速提取和分析，减少二次修改的工作量，提升了BIM软件应用过程中的便利性和可行性。

图8 快速编程应用

4 结语

1)BIM协同设计是提升项目设计质量的重要工具，在设计过程中，通过搭建云端协同平台可以将各专业的设计三维成果进行汇总查看，基于可视化环境对设计方案进行优化，通过碰撞分析发现错漏碰等问题，及时解决设计问题，也可以减少施工过程中因设计出现的问题。

2)在项目实施前，应组建相关的BIM组织架构，明确各方职责，确定BIM技术在项目中的应用点，明确设计施工衔接方法，确定模型的精细化，制定项目BIM实施技术路线，包括人才的培养、制度的建立等，提前做好充足准备，确保项目的有效推动。

3)利用BIM技术的延伸性和拓展性，积极开展数字化应用。BIM代表的不仅是单纯的三维模型，其潜在价值还在于三维模型的延伸应用。常规工程项目无法针对项目本身开展深入的应用，而BIM的出现可以有效提升项目的价值。利用BIM成果开展多项拓展应用，在提高设计效率的同时，实现了项目价值的提升，以数据为驱动，推进工程建设项目管理的标准化、精细化、集约化和智能化发展。