BIM 技术在沉箱重力式码头施工中的研究与应用

杨磊，李增军，何伟松

（1.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066002；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

BIM 技术作为应用于建设全生命周期的三维数字技术，它以一个贯穿其生命周期都通用的数据格式，创建、收集该设施所有相关的信息并建立起信息协调的信息化模型作为项目决策的基础和共享信息的资源。

本文以BIM 技术在沉箱重力式码头施工中的应用为例，通过工艺模拟、工序推演、快速算量、辅助图纸会审等方面的研究与应用，有效地提升了工作效率，减少了施工成本，赋能项目管理，取得了良好的经济和社会效益，进一步促进了企业数字化转型升级。

1 工程概况

钦州港大榄坪港区大榄坪南作业区9 号、10号泊位工程为2 个新建10 万吨级自动化集装箱泊位，主体为沉箱重力式结构，基床厚1 m，坐落于中风化泥岩上，沉箱预制安装共计33 座，单座沉箱长23.92 m、宽15.8 m、高21 m，最大重量约3 600 t，临时护岸全长421 m，港池疏浚面积约44.6 万m2；泊位总长度783 m，年设计吞吐能力为161 万TEU。

该工程是全球第1 个采用垂直岸线布置的堆场双侧作业U 形工艺方案，全国第1 个海铁联运自动化码头。

2 BIM 建模要求

2.1 建模标准及精度要求

项目正式开工前，根据工程特点，结合JTS/T 198-2—2019《水运工程设计信息模型应用标准》[1]和JTS 257—2008《水运工程质量检验标准》[2]要求，对模型建模标准及精度等做出详细要求（见表1），对于模型精度最高为LOD500，确保满足现场施工需要。

表1 建模标准及精度要求Table 1 Modeling standards and accuracy requirements

2.2 模型编码原则

模型编码编制以一致性、独立性及全面性为原则，共设置6 位编码，级别分别为项目工程编码、一级代码（单位工程）、二级代码（分部工程）、三级代码（分项工程）、四级代码（检验批）、工程部位（根据施工需要编制），具体示例见图1。

图1 模型编码原则图示Fig.1 Model coding principle diagram

2.3 协同要求

建模前，根据项目情况及设计图纸，建立标准项目样板，各人员采用同样的软件版本，根据分工在同一个项目样板中完成BIM 模型的创建，最后通过Naviswork 及BIM 协同管理平台完成模型的总装，要求所有模型均以实际坐标绘制。

3 BIM 技术在沉箱重力式码头施工中的应用

3.1 模型展示

通过专业软件Revit、Civil 3D 等进行水工码头结构、北部湾预制场、设备设施等三维模型设计与创建[3]。基于BIM 协同管理实现多专业、多组织的互动协同，实时可视化了解与熟悉模型，可二次深化结构设计与模型创建，实现基于模型的方案优化等工作。沉箱和码头BIM 模型见图2。

图2 沉箱和码头BIM 模型Fig.2 BIM model of caisson and wharf

3.2 漫游展示

漫游展示能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对未来的工程实体进行身临其境的全方位的审视；可以从任意角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种运动模式[4]。而且，在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较。能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验。

3.3 工艺演示

本工程疏浚工程量大、面积广，是制约码头施工进度的重要工序，且疏浚还包含挖泥及炸礁清渣。为了清晰地表达疏浚过程，以码头前沿疏浚为主线，采用分层、分段的开挖工艺，及开挖过程中的船舶配置情况，利用BIM 模型进行三维演示（见图3），清晰直观。

图3 疏浚工艺演示Fig.3 Demonstration of dredging process

3.4 疏浚算量

将原泥面测量数据和施工后地质测量数据导入到Civil 3D 中，创建体积曲面，可准确计算2个曲面间的体积，求出疏浚工程量。也可利用Civil 3D 中的放坡功能进行地形设计，设计边坡时，将目标曲面设定为原地面，选择合适的放坡规则，确定挖填方坡度，向指定方向上创建放坡，边坡创建完毕后利用放坡填充功能创建坡底，即得到设计曲面，进而计算设计疏浚量[5]。

3.5 图纸会审

在BIM 建模的过程中，等同于将工程的建设过程在电脑上进行了预演，可有效发现因二维图纸设计造成的图纸问题，辅助技术人员提高图纸会审水平。例如发现设计图纸中预埋螺栓丝扣长度过短不满足要求、结构图纸与预埋件图纸位置不符等问题。三维建模图纸会审机制，可有效避免现场返工，提升现场施工效率，节约施工成本。

3.6 进度推演

利用Fuzor 软件，将施工进度计划与BIM 模型挂接，进行4D 施工进度模拟，管理人员可通过进度推演，分析进度编排是否合理，便于及时编排和调整进度计划。例如：护舷的安装原计划紧跟磨耗层流水施工，不利于磨耗层的成品保护，可以考虑码头面基层施工完成后再进行护舷安装，最后浇筑磨耗层，保证成品质量[6]。

3.7 辅助场地布置

施工场地布置是施工组织设计中的重要部分，大型临建设施及施工现场的布设是项目安全高效施工的前提和基础。通过Revit 与Lumion 等专业软件，将绘制完成的二维场地布置规划图，三维可视化展示，对北部湾预制场的场地地形、既有设施、周边环境、施工区域、临时道路及设施、加工区域、材料堆场、施工机械等进行规划布置和分析优化，实现场地布置科学合理性。

通过渲染的BIM 三维模型可直接感受现场实体效果，体现了以相关信息数据为基础建立三维模型，并将它们之间的关系通过三维的形式表现出来，与传统二维图纸相比，表达更加直观。沉箱预制场三维模型如图4 所示。

图4 沉箱预制场三维模型Fig.4 Three-dimensional model of caisson prefabricated yard

3.8 方案模拟

工程在施工阶段会遇到许多问题，而BIM 施工方案模拟在其中扮演的角色是可视化以及交互性。首先通过Revit 等专业软件进行模型创建，再通过Fuzor 等动画软件进行模型动画编辑，形成动态视频，最后将原始文件以施工逻辑串联成完整的视频。通过视频预先演示施工现场的现有条件、施工顺序、复杂工艺以及重点难点解决方案。通过施工方案模拟，可针对性地讨论方案的可行性、安全性、经济性等关键问题，同时也可协助项目管理者管理现场的施工进度控制、施工质量控制，达到节约成本，减少工期的目的。

3.9 碰撞检查

在电脑BIM 软件中提前预警工程项目中各不同专业在空间上的碰撞冲突[7]。利用BIM 软件平台的碰撞检测功能，根据各专业管线发生冲突时，有压管让无压管，小管线让大管线，施工容易的避让施工难度大的，再考虑管材厚度、管道坡度、最小间距以及安装操作与检修空间等，结合实际综合布置避让原则，完成结构与设备管线图纸之间的碰撞检查，加快各专业人员对图纸问题的解决效率。

本项目利用BIM 软件平台碰撞检测功能，预先发现了预制场钢筋整体绑扎吊装架图纸中存在的碰撞冲突问题，通过及时反馈设计单位，进行施工方案优化与高度控制等措施，减少由此产生的变更申请单，避免后期施工因图纸问题带来的停工以及返工，不仅提高施工质量，确保施工工期，还节约大量的施工和管理成本，也为现场施工及总承包管理打好基础，创造可观的经济效益。

3.10 标语展牌规划

通过BIM 专业建模与渲染软件Revit、Lumion等，对预制场及施工现场永久性宣传标语、标识标牌进行建模和渲染。提前展示预制场标牌的尺寸、颜色等仿真效果。结合BIM 技术的可视化对预制的标语展牌进行现场模拟并开展三维交底，使现场制作不再仅仅依靠平面图纸提高认知度，避免因理解不当而造成的返工现象，加快施工速度，提高现场标语展牌制作效率。

3.11 云端全景漫游

将BIM 渲染的全景照片导入到720 云，可生成全景漫游[8]。利用二维码技术与BIM 模型进行结合，将模型转换为云端轻量化的数据，项目现场人员可通过PC 终端、WEB 端或移动端随时随地扫描二维码，进行项目的三维查看、浏览、标记。同时全景漫游支持VR 设备，可与现场虚拟环境深度交互，产生身临其境的沉浸感，能为体验者带来更加直观的体验感受。码头全景漫游如图5 所示。

图5 码头全景漫游Fig.5 Wharf panorama tour

3.12 基于Dynamo 的批量处理

3.12.1 批量导出工程量

选择要提取出工程量的模型，利用Dynamo的Element Get Parameter Value By Name 节点获取体积参数，提取相应模型的体积、名称和数量，利用Element Name 节点获取图元名称，用List Count 节点获取各个图元的数量，为这些模型创建序号，将提取出的数据排序、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。

3.12.2 批量导出设计坐标

利用Dynamo 中的Get Location 节点获取图元相对坐标，同时获取族编码参数，再将相对坐标转换为绝对坐标。最后利用Data Export Excel 节点将坐标值和构件编码导出到Excel 中。

3.12.3 模型快速编码

利用Dynamo 的Curve Points At Equal Segment Length 节点在已有BIM 模型的线上生成指定数量的点，利用List Filter By Bool Mask 和List Map 等节点判断点与图元的相交情况并将相交的筛选出来，然后用Sequence 等节点创建相应的编码，最后用Element Set Parameter By Name 节点把相应的编码添加到相应的构件中。

3.13 BIM+Unity 3D 应用

利用RFID 芯片可将现场预制台座选择、钢筋下料、钢筋绑扎、模板支立、混凝土浇筑、沉箱养护、沉箱横移及各工序验收等统筹一体，过程关键工序数据采集并上传，通过二次开发实现BIM+Unity 3D 联动模式，实时展示现场施工进度。

沉箱预制场台座处设置RFID 芯片，实现现场生产变化实时通讯，系统配备专用扫码枪，一键录入信息，记录现场每道工序的开始和完成时间，现场施工实际情况即刻上传至后台数据库。

通过二次开发，将沉箱预制场、钢筋、模板、混凝土、大型设备等BIM 模型导入到Unity 3D 软件中，利用Unity 访问后台数据指令，通过Socket协议，连接后台数据库，实时读取RFID 芯片最新数据信息。通过设置各工序流程的返回值，Unity 3D 软件自动完成现场施工工序，实现BIM模型与现场施工同步联动，达到虚拟与现实实时交互的效果，实现沉箱预制的数字孪生。

3.14 BIM 协同管理平台

本项目采用自主研发的BIM 协同管理平台，支持模型轻量化、安全质量管理、进度管理、文档管理及费用管理等；平台支持手机端、电脑端操作，相关人员可以将现场的质量问题和验收上传至平台，并要求相关参与方人员落实及整改，实现质量、安全巡检、整改闭环、报表管理、实测实量及质量验收，提升质量和安全管理水平。

4 应用效果

4.1 技术方面

通过BIM 技术，能更轻易地发现图纸问题，快速提取工程量，赋能临建规划设计、工艺模拟等技术准备工作，使技术准备工作更具体、更具操作性和实用性，有效提高工作效率和质量。

4.2 管理方面

以BIM 技术为突破口，将现场资料、质量、安全、进度等管理任务与BIM 协同管理平台相挂接，实现信息集成化，提高沟通和协作的效率。如资料管理，将各方资料收集存储于云端，避免了人员流动造成的资料流失；现场安全巡查、质量巡查等问题及时通过平台传递到个人，形成闭合，完成后可自动生成表单，实现管理闭合。

4.3 经济方面

通过BIM 技术发现的图纸问题、设计优化等内容，有效避免了现场返工的发生，也为项目节约了施工成本；通过工艺模拟和施工进度推演项目进度，避免了工序交叉存在的冲突问题，确保了流水作业施工，为项目节约了大量成本。

4.4 社会方面

将BIM 技术与传统水工项目相结合，获得了监理、业主等外部单位的一致好评，该项目同时取得了多项BIM 大奖，打响了公司的品牌形象，取得了良好的社会效益。

5 结语

BIM 技术在沉箱重力式码头施工过程中，通过三维可视化模型的建立，可以应用于漫游展示、工艺演示、工程算量、图纸会审、进度推演、场地布置、方案模拟、进度推演、协同管理等工作。BIM 技术在本项目的成功应用，减少了项目的不确定性和不可预见性，提高了施工时建立、理解、传递项目信息的效率和降低出错的概率，使项目管理更精细化，从而帮助项目提高质量、控制工期、降低成本，赋能项目管理，提升了管理水平，对于类似工程具有较强的推广和借鉴意义。