液化天然气（LNG）码头的BIM 正向设计

2023-01-16崔冠辰艾绍平李娇娇冀坷帆

港工技术 2022年6期

关键词：桩位水运码头

崔冠辰，艾绍平，李娇娇，冀坷帆

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220；2.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035）

引言

液化天然气（LNG）接收站，通常都会有配套的码头用于接卸海上运来的液化天然气，通常码头会包括一个主码头和一个配套的工作船码头。主码头用于停靠LNG 船并完成接卸工作，配套的工作船泊位用于停靠拖轮等具有辅助靠泊功能的小型船舶。

本文以天津南港某LNG 接收站的配套码头水工结构设计为例，展示三维正向BIM 设计在水工结构设计上的应用。

1 示例工程简介

天津南港LNG 储备项目配套码头工程位于大港港区LNG 作业区，在东港池东侧岸线北段，LNG码头和工作船码头均采用引桥顺岸式布置型式，北侧为LNG 泊位，南侧为工作船泊位。码头最大可靠泊26.6 万方LNG 船。

LNG 码头长380 m，由1 座工作平台、4 座靠船墩和6 座系缆墩组成。港池护岸处布置1 座码头控制平台，码头与陆域之间通过引桥及控制平台相连。工作船码头位于LNG 码头南侧，码头长105 m，宽18 m。LNG 泊位码头工作平台、靠船墩、系缆墩均采用现浇钢筋混凝土墩台结构，下部基桩采用钢管桩。工作船码头采用高桩梁板结构，下部基础采用预应力混凝土空心方桩。

2 码头结构的三维正向设计

本项目在设计过程中采用先建模型后出图的正向设计模式，因此对设计模型的精度有较高要求。

2.1 模型组织

本工程的很多设计图纸完全源自精确的设计模型，在局域网环境下，本工程采用中心模型与链接模型相结合的方式，把整个工程不同部分的模型组合在一起。其实在Revit 中“中心模型”和“总模型”是有本质区别的，一个模型是否是“中心模型”只说明了该模型是否可以由多用户远程操作，而“总模型”则是把多个分模型链接在一起的那个模型，总模型和链接在总模型里的分模型都可以是“中心模型”。

为了达到专业内协作的目的，设计过程中将多个中心模型放置在服务器端，然后在客户端将多个中心模型链接在一起，形成一个总模型，这个总模型也保存在服务器端，这样几个设计人员可以同时建模并同步，同时这种组织方式还有一个好处是每个模型都不会很大以致于无法流畅操作。

2.2 结构计算

结构计算是码头水工结构在设计工作中最为重要的一环，也是BIM 技术能否真正落地的关键一环。在结构分析领域除了如Robot 之类专门的软件之外国内公司还有开发了很多插件，如PKPM for Revit，盈建科for Revit。另外，据悉建研院与Bentley签署了战略合作合同，将PKPM 加入Bentley 的大平台[3]。

但是在水运工程设计领域，由于标准化程度极低，受众少市场小，专门为水运工程领域做计算软件的公司也很少，中交二航院已经尝试了Revit 与Robot Structural之间的对接，虽然Robot是Autodesk公司推荐的BIM 平台的结构有限元计算软件，但是Robot 在水运行业应用很少，且国内鲜有官方的技术支持；中交三航院与上海易工公司联合研发了“易工水运工程结构CAD 集成软件”，该系列软件比较适应水运设计行业的习惯，但是其墩台计算模块在与Revit 模型的对接上还不够成熟[4][5]。

我院自主研发了Autodesk Revit 平台上的墩台计算模块，在特定族的配合下，该模块可以将Revit模型简化并传递至大型通用有限元分析软件ABAQUS 中进行结构内力分析，并自动将计算结果提取至Excel 表中，用于后续对计算结果进行分析组合，图2 所示为本工程主码头结构计算使用的墩台计算模块。

图1 码头结构局部示意

图2 Revit 平台上的墩台计算模块

墩台计算模块对于ABAQUS 的自动化操作全部依赖ABAQUS 的Python 脚本功能，从模型建立、网格划分到提交运算，全部借助ABAQUS 的Python解释器实现。模块会依据Revit 中的设计模型在系统的临时目录中建立一个特定名称的Python 脚本文件，脚本内容会随模型不同而不同。然后从系统控制台带参数启动ABAQUS，并让其执行由模块生成的脚本，完成设计模型到分析模型的转化。图3所示为工程在Revit 中的设计模型和ABAQUS 中的分析模型。

图3 设计模型与分析模型

一般情况下，在有限元分析软件中建立桩基的分析模型十分繁琐，本工程的工作平台结构下有90根桩，每根桩的扭角和斜率都不同，直接在有限元分析软件中建立分析模型需要大量时间，实际操作中墩台结构计算都伴随有大量的桩位调整工作，调整桩位在有限元分析软件中很难操作而在设计软件中则容易很多，因此该模块的使用可以大大压缩结构计算需要的时间。

2.3 桩基设计

桩基设计是高桩码头结构设计中最为重要的一环，一般来说桩基设计包括桩位设计和桩型设计。

在桩位设计中，常用的设计软件或多或少都存在一定缺陷，最大的问题是鲜有软件能做到实时反馈碰桩验算的结果，在完成桩位设计后，还需根据打桩设备排布打桩顺序，分析桩位的可实施性，再根据分析结论反过来修改桩位设计，这个过程要多次反复进行。

在桩长设计中，需要根据每根桩对应的钻孔逐一手动确定持力层位置和桩底高程，再将每根桩的长度按一定模数取整变为加工长度，按加工长度统计桩型表，在表中给出每个位置的桩的加工长度。整个设计过程中，操作繁琐，极易出错，严重影响设计效率。

在特定族的配合下，桩位设计模块可以实时对200～300 根桩的碰桩验算结果以不同颜色进行区分，桩位调整与结果反馈之间的距离大大缩短，图4 所示为桩位设计模块的预览窗口，存在碰桩的桩会以粉红色显示出来。

图4 工作平台的桩位界面

为了能实时验算尽可能多的桩，在碰桩验算算法上，模块做了一定优化，比如对两根桩顶距离较远的桩会进行简化计算，只有对桩顶距离较小的桩才会进行详细计算，并在界面中给出桩间距离（包括中心距离和净距离）和两根桩最近点的高程数据，需要给出高程数据是因为根据实际施工操作经验，如果桩间的最近点靠上，施工时会更容易控制，因此即使净距离较小在必要也认为可以满足要求，这些是需要人为根据经验去判断的。

图5 为集成在Revit 中的桩型设计模块，该模块可以让桩基自动匹配持力层曲面，按桩端的平面位置寻找最近的钻孔确定桩底高程，然后按一定长度模数划分桩型，并自动统计生成桩型统计表，大大提高桩型统计的效率及质量。

图5 桩型设计模块界面

2.4 结构图设计

结构图设计有赖于项目样板和一套完整的基础标注族和符号族，为此定制了“水运工程设计样板”，并在设计样板中集成了字体、图框、标注样式、常用的注释族及大量出图需要使用的基础二维注释符号。还包含了一些功能模块需要使用的族，例如钢筋标注功能或重心标注功能需要使用的标注族。

图6 定制字体界面

有了定制的项目样板和标注族才能得到符合水运工程设计习惯的图纸，图7 所示为本工程集液池的结构示意。

图7 工程集液池结构示意

在结构图尤其是断面或立面图的设计过程中，通常需要绘制地质信息，地质信息可以以钻孔柱状图的形式附在图上，钻孔柱状图的绘制虽然只是图纸设计上很细节的一个问题，但是由于绘制过程比较繁琐，也是设计过程中的一个痛点。为了解决这个问题，我院研发了钻孔柱状图绘制工具，利用该工具，结合预制在项目模板里的柱族文件，设计人员可以方便的生成柱状图，很大程度上可以减少手工绘制的工作量。

图8 钻孔柱状图工具和生成的柱状图

对于一些形状复杂的结构，单凭设计人员的想象很难快速准确的绘制出二维图纸，而在三维正向设计模式下，这个问题可以很大程度上得到缓解，以本工程的海水泵房为例，这是一个形状复杂的地下结构，从模型直接出图的正向设计模式大大提高了设计效率和设计成果准确性，泵房结构设计图纸如图9 所示。

对于如此复杂的结构，施工单位靠设计图纸很难快速领会设计意图，而三维模型可为施工单位提供必要的支持。

2.5 配筋图设计

配筋图设计是一个项目施工图阶段无法回避的问题，也是耗时最长、最为复杂和繁琐的工作，配筋图不仅仅是钢筋的形状设计，还有钢筋的标注和统计。国内的水运工程设计上对于钢筋有特殊的标注和统计习惯，这些习惯在软件的原生功能中都不支持，因此我院也特为此研发了钢筋从建立、标注到统计一整套工具，用于辅助配筋图设计。

钢筋建模仅靠原生的建模工具建立会十分困难，因此我院研发了三维钢筋工具，该工具类似一个开发环境，允许用户使用特定的语法用要配筋的混凝土构件的外形尺寸去描述内部钢筋的形状，尺寸和布置方式，这样可以大大提高钢筋建模的效率，对于预制构件来说，由于钢筋的形状尺寸和布置方式均与构件的外形尺寸挂钩，因此可以达到一次定义重复使用的目的，对于本工程的附属工作船泊位这种预制梁板类的码头，使用三维钢筋工具可以大大提高配筋图的设计效率，并且可以保证设计质量。图10 所示为包含钢筋的构件模型。

图10 包含钢筋的构件

水运工程的钢筋标注方式应该说比较特殊，这些标注方式原生设计软件中并不支持，也无法通过定制标注族的方式去实现，因此需要通过二次开发让原生软件具备此功能。

Revit 在标注上的操作习惯更符合建筑行业的批量标注的习惯，即先大批量生成标注，再手动挪动个别发生重叠或遮挡的标注，因此标注通常都是一步操作即完成，即使需要引线也先为标注添加引线，再拖动引线箭头至需要的位置。对于水运行业的钢筋标注样式，把标注过程分为两步操作上会更加便捷，第一步确定引线端头的位置，然后拖动至标头需要的位置再确定。按此操作习惯在Revit 中定制钢筋标注工具，结合标注族和API 的功能，即可实现符合水运设计行业操作习惯的钢筋标注工具。图11 所示为用此完成的预制构件的配筋图设计（如）和部分现浇构件的配筋图设计。

图11 水运工程的钢筋标注方式示意

配筋图里的钢筋表也是水运工程设计上所特有的，钢筋表的样式已传承数十年，统计方式也结合了多年建港的设计和施工经验，长度和重量的计算方式也充满了行业特色，例如钢筋的长度对于某些钢筋应该按内皮计算，带弯钩的钢筋在算长度时需要增加若干倍钢筋直径等等，这些在原生软件里无从体现，因此我院有按照目前的行业习惯研发了钢筋表工具，提高钢筋统计效率和准确性。图12为钢筋统计模块，图13 为钢筋统计模块在Revit 中以绘图视图的形式生成的钢筋表，完全满足水运工程的设计习惯。

图12 钢筋统计模块界面

图13 钢筋统计模块在Revit 中生成的钢筋表

3 小结

在施工图设计过程中，BIM 技术的介入很大程度上提高了设计效率，也可以保证设计质量，在实际操作过程中也发现了一些问题，也积累了一些使用经验供大家参考借鉴，这些问题和经验更多的来自软件操作层面，与工程本身没有太大关系。

3.1 关于图面注释

图面上免不了有各种各样的注释，例如图14所示的注释，在施工图设计过程中大量存在。

图14 图面标注

为了实现这种注释样式，使用常规注释族模板定制了一种常规注释族，注释族中包含上下两个文字类的参数，还包含一个数值型参数用于调整横线长度，引线的添加借助Revit 为每个注释提供的添加引线功能实现，如图15 所示。

图15 为注释族添加引线

使用这个常规注释族可以很大程度上满足图面注释的需求，但是这种注释存在一个问题，就是引线端头不具备捕捉能力，比如需要标注一条轴线，注释引线的端头无法准确捕捉到轴线上，只能手动尽可能接近轴线。

3.2 关于dwg 图纸生成

从Revit 中导出dwg 图纸这个过程并不复杂，但是实际操作中也发现了一些问题：

首先是导出成dwg 图纸时，Revit 会把图纸放在布局里，各个视图以视口的形式出现，视口会被放在一个不打印层上，视口的尺寸恰好够显示要显示的图形，在有些时候，需要显示的图形中会有某条线与视口边界重合，此时这条线就会被视口边界线覆盖，而由于视口边界被放在了不打印层上，因此这条需要显示的线就无法打印出来。为了解决这个问题，只能手动把视口拉大一点，这样才能保证最终从打印机端输出的图纸的完整性。

其次是Revit 中的文字在导出成dwg 文件时，有时会被断开成若干个文字图元，如图16 所示，一行文字被分成了若干个单独的文字图元。

图16 被断开的文字

此时如果在CAD 中需要修改文字时就会很麻烦，经实践，出现这个问题的原因是导出时的文字设置，见图17 所示，默认情况下为保持视觉保真度，选择此选项时，Revit 会保证每个文字即使导出成dwg 格式，仍然在原位置，不会因为字体在CAD与Revit 中显示的区别而错位，而实现这个目的的方式就是在适当的位置将文字断开并适当偏移。

图17 文字导出设置

因此为了保证导出的dwg 文件中文字的完整性，应在此处选择“保留可编辑性”，这样导出的文字就不会被断开。

3.3 关于Revit 中的标签文字

在Revit 中制图很多时候都需要使用标签，标签用于提取图元参数并显示出来，因此在标注里使用标签可以达到模型信息与图纸联动的效果，从而保持图纸信息的准确。但是在使用过程也发现了一点问题，就是标签文字是无法换行的，这就导致有时标签过长，对于此问题，目前还没有什么好的解决办法，只能将其导出到CAD 中，在CAD 中将文字调整为需要的长度。