李 穎，趙雁飛，閆曉璐，張立國

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

BIM技術在翻車機房設計中的應用

李 穎，趙雁飛，閆曉璐，張立國

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

結合唐山港曹妃甸港區(qū)煤碼頭三期工程翻車機房項目，詳細介紹了BIM技術在施工圖設計過程中的應用。工程實踐表明，從建模到碰撞檢測和優(yōu)化設計，BIM技術的應用大大提高了設計效率，并可為類似工程設計提供有益的技術借鑒。

BIM；Revit；Naviswoeks；翻車機房；碰撞檢測

引 言

隨著信息時代的高速發(fā)展，數(shù)字三維立體化已成為未來的趨勢，BIM技術應運而生。BIM是Building Information Modeling的縮寫，簡稱建筑信息模型。美國《NBIMS》和英國標準協(xié)會等組織均對BIM進行了定義，而黃強［1］則將其總結為“聚合信息，為我所用”。從二維到三維，從計算機繪圖到協(xié)同設計，從工程設計、施工、運營之間點到點的對接，到貫穿于建筑全壽命周期的信息化模型，BIM技術給我們的設計模式帶來了全新的變革。

BIM技術于2002年引入工程建設行業(yè)，經過十多年的發(fā)展，在發(fā)達國家已經逐步普及應用，并已制定了相關BIM標準［2，3］。近兩年，BIM技術在國內的推廣速度非常之快，而有關BIM技術的國家和地方政策也陸續(xù)出臺［4，5］。作為建筑行業(yè)重要分支的水運行業(yè)，BIM也在從概念慢慢轉向實施［6，7］。尤其是隨著工業(yè)發(fā)展高度自動化和集成化，專業(yè)化碼頭已成為港口發(fā)展中的主力軍，這種碼頭各功能分區(qū)明確，卻又聯(lián)系緊密，工藝和管線錯綜復雜，對項目的設計、施工和運營提出了更高要求，也要求項目本身具有良好的可持續(xù)性。BIM技術因其具有三維可視化、協(xié)同設計性、多維模擬性、可優(yōu)化性和綜合檢測等優(yōu)越的特性，恰恰迎合了水運行業(yè)發(fā)展的要求。

本文結合唐山港曹妃甸港區(qū)煤碼頭三期工程翻車機房施工圖設計，介紹BIM技術在實際工程設計中的應用，以期為類似專業(yè)化碼頭設計提供有益的技術借鑒。

1 工程概述

唐山港曹妃甸港區(qū)煤碼頭三期工程位于曹妃甸一港池西岸側，南端與已建的曹妃甸煤碼頭二期工程相鄰，北端與曹妃甸港區(qū)通用散貨泊位工程相接。翻車機房是本工程的重要設施之一，其功能是用于翻卸由鐵路運抵港口的煤炭車輛。

翻車機房主體結構尺寸約49 m×62 m，為全地下式結構，地面高程5.4 m，地下底高程-14.5 m。翻車機房主體結構共分為3層，機房內設三翻式翻車機3臺，均布置于頂層和中層，中層及以下設有格柵、接卸漏斗等設備，機房底部設有輸煤皮帶機，與地面皮帶機設備通過地下廊道連接，廊道長約168 m，爬升角度約12°。機房采用三線三翻的反循環(huán)式裝卸工藝，故廊道與火車入口同側。此外，機房內還安裝有多個配套專業(yè)的管線設施，故整個翻車機卸車系統(tǒng)是在有限空間內高度集中的多專業(yè)協(xié)作運轉的復雜流程。

2 傳統(tǒng)設計模式下的技術難點

由于翻車機房項目的復雜性，傳統(tǒng)的設計模式下存在諸多技術難點。

2.1 基礎異型結構多

翻車機基礎為全地下式結構，在有限的空間內需滿足多個功能分區(qū)的要求，且每個功能區(qū)內設備預埋件繁多，故翻車機房多為非常規(guī)的異型結構。傳統(tǒng)設計模式下，設計人員需通過想象將復雜的空間結構轉化成平面圖紙來表達。這就要求設計人員具有很好的空間想象能力和基本繪圖基礎，即使這樣也很難避免圖面上的筆誤。

2.2 管線錯綜復雜

機房內共布置7套管線系統(tǒng)，分別為通風、干式除塵、干霧除塵、給水消防、排水、控制和供電系統(tǒng)。這7套管線系統(tǒng)分3層主環(huán)網在機房內穿行，管線錯綜復雜，結構孔洞也非常之多。傳統(tǒng)設計模式下，各專業(yè)先分別布設管網，再交由專門的人員進行管線綜合，管綜人員需在二維圖紙的基礎上結合良好的空間想象能力來分析各管線系統(tǒng)之間、管線與結構之間的碰撞沖突，并逐一各與專業(yè)溝通解決方案，各專業(yè)人員再據(jù)此進行修改，然后再按上過程重復操作。整個管綜過程中，要通過多次反復才能基本調通線路，非常耗時，且在每次修改過程中，都可能出現(xiàn)圖面的錯漏，這種錯誤不斷累加，也是后續(xù)設計的隱患。

2.3 主體結構形式多樣布置緊湊

本工程的構筑物由以下幾部分組成：下部主體結構、主體支護結構、地面大棚及樁基礎、地下廊道及樁基礎、廊道支護結構、降水井系統(tǒng)、火車梁及樁基礎、定位車梁及樁基礎和電纜溝。各個結構之間布置緊湊，極易發(fā)生碰撞和沖突，且主要集中在以下幾點：

1）大棚樁基礎布置于下部結構主體和主體支護結構之間，出于經濟性的考慮，本工程的主體與圓形支護結構之間空間本來就非常有限，加之灌注樁基礎的施工和設計都對結構間距有嚴格的要求，故此處的設計是工程中的一個易碰撞點。

2）火車梁緊鄰定位車梁，尤其是在火車梁的夾輪器和軌道橫處較常規(guī)火車梁寬很多，故需在定位車梁局部布設凹槽才能將二者錯開。

3）本工程采用了反循環(huán)卸車工藝，即廊道和火車入口端在同側，故在寬約45 m范圍的地下隱蔽工程內，集中了廊道及樁基礎、廊道地連墻及對撐、火車梁樁基礎、定位車梁樁基礎和降水井等多條結構系統(tǒng)，加之灌注樁的安全距離要求等，此處為本工程結構設計中的最復雜的碰撞點。

2.4 施工程序復雜

由于本工程地下結構形式較多，加之與煤碼頭二期工程鄰近，施工空間有限，所以施工程序也極其復雜，尤其是涉及到了深基坑的開挖和降水等工序，這對設計的計算條件也有很大影響。因此，如何確定合理的施工組織計劃是本工程的重點和難點。

基于以上幾點分析，本工程在施工圖設計中引入了BIM技術。

3 基于Revit的模型建立

本次設計主要基于Revit進行基礎建模，并應用 Navisworks進行后期處理，考慮到不同渲染需求，還結合使用了3D max渲染器，建成模型效果如圖1和圖2所示。建模步驟依次為：軸網和高程建?！鷪龅亟！ёo結構及降水井建模→翻車機房下部結構、廊道建模及軌道梁系統(tǒng)建模→翻車機房上部結構建模及管線建模。

圖1 翻車機房建筑信息模型

圖2 隱藏場地和大棚模型

3.1 Revit族的概念

族是構成Revit項目的基本元素，同時也是參數(shù)信息的載體。Revit有3種類型：系統(tǒng)族、可載入族和內建族。系統(tǒng)族已在軟件中預定義，可直接用于建立項目基本圖元，如軸網、墻、樓板和樓梯等，并可以在項目和樣板之間復制、粘貼或者傳遞系統(tǒng)族模型?？奢d入族為用戶自定義創(chuàng)建的獨立.raf格式的族文件，一般為異型構件，用戶可根據(jù)需求載入到相應項目文件中，并基于該族類型靈活創(chuàng)建不同參數(shù)的構件；內建族是當前項目中新建的族，僅可用于該項目的特定對象，例如自定義墻的處理，不可在不同項目間傳遞?；谝陨献宓母拍詈吞攸c，本項目在設計過程中合理靈活的運用了族功能，這也提高了項目設計的效率。

3.2 中心模型和軸網高程系統(tǒng)的建立

本項目涉及專業(yè)較多，采用基于工作集的協(xié)同設計方式，即多個設計人員同時操作同一個模型。先由項目經理在主服務器上建立中心模型，并根據(jù)設計分工在中心模型里創(chuàng)建多個工作子集和權限（圖3），再經由局域網絡映射到多個的 PC端，設計人員便可在本工作集允許的權限下在自己的PC端進行協(xié)同設計。

圖3 基于工作集的多專業(yè)協(xié)作界面

但在進行多專業(yè)協(xié)同之前，項目經理先統(tǒng)一規(guī)劃并建立本項目的軸網和高程系統(tǒng)。軸網包括設備系統(tǒng)軸網和墻體軸網，分別為火車軸線CD1～CD3、定位車軸線DW1～DW3、墻體的數(shù)字軸1～12軸和字母軸A～J軸。高程系統(tǒng)主要分-12.2 m底層、-0.7 m中層和5.314 m頂層。基于以上預定義的共享高程和軸網，各工作子集的設計人員再進行各自建模工作。

3.3 場地建模

Revit提供了場地建模功能，但僅是一個基于網格的表面，無法根據(jù)復雜形狀進行開挖和回填模擬。建模以三維實體的形式預先建好并擺放在相應位置，需要開挖時使其消隱，需要回填時使其還原，由于翻車機房形狀復雜，每次開挖回填都有不同的要求，所以每個開挖回填塊的形狀基本上各不相同，開挖回填塊不具備可重復利用的可能，基于這樣的情況，本次場地建模使用內建模型，為了方便后期處理，把這些模型的類型歸為“場地”。

3.4 支護結構建模

支護結構包括翻車機房主體結構支護和廊道結構支護兩大部分。其中翻車機房主體的支護結構包括設置于主體結構外側的圓形地連墻和支撐地連墻的帽梁、圈梁、豎肋結構。廊道的支護結構包括兩片側墻、一片端墻以及地連墻的支撐結構，側墻和端墻均采用直線型的地下連續(xù)墻結構。建支護結構大多為規(guī)則截面的墻體和梁，故可以利用Revit中已有的系統(tǒng)族建立。對圓形地連墻內的豎肋等，利用拉伸和融合的功能新建可載入組（圖4），插入中心模型進行建模。

圖4 支護結構模型

3.5 翻車機房下部結構

翻車機房主體結構共分為 3層，分別為底板層、漏斗層和頂板層。

底板層為皮帶機層，頂高程-12.2 m。沿火車走線方向，布置 BF1～BF3三線皮帶機，中間通過調整機房配重的回填倉格隔開。皮帶機兩側為吊裝孔、風機孔、人孔等，各功能區(qū)用隔墻分區(qū)。底板排水系統(tǒng)為0.1～0.3mm深的排水溝，最終匯總至東西兩側風機間內的集水坑內。中層為漏斗層，板頂高程為-0.7 m，共 3條火車線CD1～CD3，每條火車線下設置 6個漏斗，與底板層的皮帶機系統(tǒng)對應，漏斗架設在下層隔墻和漏斗梁上。漏斗層與頂板板間設有扶壁支撐，該層主環(huán)網管線從扶壁上開洞穿過。頂板層與場地地坪高程基本一致，頂板上分別設有27 m×36.0 m和 12 m×36.0 m 的開孔，此開孔用于布置CD1～CD3火車線的翻車機轉子，開孔四周均設有加強梁（圖5）。

圖5 翻車機房下部結構模型

三層樓板、局部的隔板、標準外墻和隔墻、孔洞等均為多數(shù)為標準構件，可通過軟件自帶的系統(tǒng)族建立即可，其余異型構件則需通過新建族等特殊功能來實現(xiàn)。如底板的U型伸縮縫和排水溝，通過內建模型中的拉伸和空心剪切和融合功能來模擬（圖6），集水坑則利用“樓板邊”功能創(chuàng)建集水坑壁（圖7）。而Revit中沒有墻體族樣板，漏斗支撐墻只能通過內建模型來完成（圖8）。漏斗梁則基于梁構件的族模板建立的。

圖6 底板分割縫

圖7 集水坑建模

圖8 異型墻體內建模型

3.6 翻車機房軌道梁建模

火車軌道梁CD1～CD3主要由標準軌道梁、夾輪器、軌道衡和車檔段組成，其中CD1和CD3以廊道地連墻支護結構為基礎外，CD3采用灌注樁基礎。三條定位車軌道梁DW1～DW3分別與火車梁相鄰，間距3.39 m，同樣采用灌注樁基礎（圖9）。

圖9 火車梁及定位車梁模型

樁是以系統(tǒng)族中的柱為模板來建立的?；疖嚵?、夾輪器梁、軌道衡、定位車梁均為異型構件，且每種梁的不同結構段的模板也均不相同，但主要區(qū)別在于異型坑的位置和數(shù)量，而坑的尺寸和深度均相同。通過梁的族模板，分別建立以上幾種構件的基本族文件，并將坑洞的數(shù)量和未知進行參數(shù)化定義（圖10、圖11），將族文件導入到項目后，即可通過調整族參數(shù)來實現(xiàn)不同結構段的建模，這也大大提高了建模效率，使得模型更加精簡。

圖10 火車梁的梁族文件

圖11 定位車標準段的梁族文件

3.7 翻車機房廊道建模

翻車機房的廊道結構包括單孔 BF3與雙孔BF1/BF2兩條廊道，廊道總長約168 m，由-12.2 m爬升至地面5.4 m，爬升角度約11°（圖12）。

圖12 廊道模型

廊道為地下箱涵結構，通過載入族的形式建立，建模相對簡單，但廊道結構是一個不斷向上攀爬的結構，每段廊道的布置相對麻煩，需設計人員根據(jù)公制體量族的屬性和廊道的爬升曲線逐一定位。

3.8 翻車機房上部結構建模

翻車機房上部鋼結構大棚的組成主要包括墻體、屋面、樓梯、門窗、建筑設備設施等（圖13）。BIM技術在國內是起源于建筑行業(yè)，故上部結構的構件基本都可以通過系統(tǒng)族來建立，僅部分大棚柱角承臺基礎為異型結構，利用了“公制模型”族樣板來建立。

圖13 翻車機房上部結構模型

3.9 管線建模

翻車機房除主體結構內安裝有7套管線系統(tǒng)，按專業(yè)分為暖通、供電和給排水3個工作子集。暖通專業(yè)包括通風、干式除塵和干霧除塵系統(tǒng)，供電專業(yè)包括供電和控制系統(tǒng)，給排水專業(yè)負責給水消防和排水系統(tǒng)。

BIM技術建模與傳統(tǒng)CAD繪圖的主要區(qū)別在于參數(shù)化和信息化，即基于族類型定義相關參數(shù)并自動生成構件，這不僅僅避免了CAD繪圖中經常出現(xiàn)的尺寸不準，還可以大大提高建模效率。尤其是對于管線專業(yè)建模，這一優(yōu)勢更加突出。以通風系統(tǒng)為例，繪制風管時選擇“默認矩形風管”，在“類型屬性”中完善“管件-布管系統(tǒng)配置”信息，缺失內容在系統(tǒng)族庫“機電-風管管件-矩形”中按需載入，如矩形彎頭、Y型三通、軟連接、過渡件等。繪制時，在平面視圖中直接分段給定風管尺寸、高程、走向、長度，軟件會自動在變徑處或變高程處添加過渡件，在轉彎處添加彎頭。繪制豎管時，如與水平管段連不上，可以在三維視圖里，選中待連管或管件，使用“布線解決方案”，大部分連接問題都可解決（圖14）。

圖14 通風系統(tǒng)模型

4 協(xié)同設計和碰撞監(jiān)測

協(xié)同設計是BIM技術的最大特點和優(yōu)勢，尤其是基于中心模型的協(xié)同設計方式，可實現(xiàn)不同專業(yè)的實時協(xié)作。在本工程的建模過程中，水工結構專業(yè)先根據(jù)軸網和高程系統(tǒng)建立主要樓層和墻體構件，暖通、供電和給排水專業(yè)人員在此基礎上開展布線工作。在此實時協(xié)同的設計模式下，各專業(yè)人員在建模的過程中，可根據(jù)其他專業(yè)的建模情況適當?shù)淖龀稣{整，提前避免了明顯的碰撞和沖突。

當然基于實時協(xié)同的設計模式不能完全的避免碰撞和沖突，軟件還提供了碰撞檢測功能。雖然Revit中也可以高亮顯示碰撞點，但是由于Revit并不會將其他部分暗淡顯示，導致畫面較為混亂，相比之下，Navisworks給出的結果則鮮明得多，而且還會根據(jù)選擇將視角切換至碰撞發(fā)生處，所以本項目使用Navisworks做碰撞檢測。由于，本工程的復雜性，管線與管線之間、管線與結構之間、結構與結構之間的檢測原則均不相同，有的避免物理碰撞即可，有的還有安全距離的要求，故需根據(jù)不同的原則進行多次檢測。檢測結果顯示，確實存在多處沖突點，如圖 15顯示了由于管道位置與開口位置不協(xié)調導致碰撞?；谝陨辖Y果，與各專業(yè)協(xié)商后及時調整模型，將碰撞沖突降最低限，滿足施工現(xiàn)場可控的要求。此外，正是由于BIM基于參數(shù)化的建模方式和協(xié)同設計平臺，使得碰撞調整過程非常順利，且效率很高。

圖15 管道位置與開口位置不協(xié)調導致碰撞

5 圖紙和工程量

BIM 技術雖然實現(xiàn)二維到三維的轉變，但傳統(tǒng)的平面圖紙還是設計成果不可或缺的部分。在三維模型中，可根據(jù)圖紙的表現(xiàn)需求來自由定義平面、立面和剖面的位置，軟件則會自動生成對應的二維圖紙，經尺寸、標注和說明的處理后即可出版。Revit的明細表功能可以自動統(tǒng)計項目中各類圖元對象的工程量，但統(tǒng)計規(guī)則和格式等均按照建筑行業(yè)的原則制定，故在水運行業(yè)的應用中還需通過專門插件才能實現(xiàn)。

此外，軟件還可以把項目中多個視圖或明細表布置在同一張圖紙中，并將圖紙轉化成CAD軟件的常用格式，以便和傳統(tǒng)的設計模式銜接，進行圖紙的校核、校審等工作。

6 施工模擬

施工模擬使用Navisworks中的Timeliner模塊進行，該模塊不僅可以制作施工模擬動畫，更有實際意義的是，它可以用來做進度跟蹤，用戶在設定施工工序的同時，Timeliner模塊會生成甘特圖。施工模擬不僅僅是一個展示性的功能，在模擬施工的過程中，還可能發(fā)現(xiàn)設計過程中忽略的問題，為設計計算提供依據(jù)，并形成生動直觀的可視化成果。

7 結 語

相比傳統(tǒng)的設計模式，BIM技術具有諸多優(yōu)點，如參數(shù)化構件、三維可視化、多專業(yè)協(xié)同、碰撞檢測、出圖、工程量統(tǒng)計和動畫展示等等，尤其是對翻車機房工程而言，不僅解決了傳統(tǒng)設計模式下的諸多難題，還大大提高了設計效率。

1）參數(shù)化建模的方式，不僅避免了傳統(tǒng)CAD繪圖中的尺寸誤差，還使得模型修改更加方便，避免了大量的重復性工作。

2）基于BIM三維可視化的視圖和實時協(xié)同的設計模式，各專業(yè)設計人員在建模過程中即可根據(jù)其他專業(yè)的建模情況實時做出調整，提前避免了大量的碰撞和沖突，并使得各專業(yè)間的溝通更加直觀和暢通。再結合碰撞檢測功能，BIM技術輕松解決了本工程中的技術難點。

3）基于三維模型，Revit可自動繪制平面二維圖紙并提取工程量，不僅準確且效率高。此外，Revit還提供了與傳統(tǒng)cad文件的接口，操作更靈活。

4）由于本工程的特殊性，施工組織順序是設計計算的輸入條件。Navisworks在制作漫游動畫和施工模擬方面，操作便捷，并可以將進度動畫、視點動畫和場景動畫等相結合，從而對施工現(xiàn)場進行模擬和指導，并對設計工作提供了幫助。

但目前BIM技術在水運行業(yè)的應用還處于起步階段，還存在一定的局限性：

1）由于BIM技術在國內由建筑行業(yè)發(fā)展而來，故在水運工程的應用中，基本族庫還有諸多不適應性，開發(fā)專業(yè)性的族樣板和建立標準的族庫是突破局限的關鍵。

2）工作集是的協(xié)同模式雖可以基本滿足設計要求，但在權限規(guī)定和協(xié)同操作等方面存在較多缺陷和漏洞，數(shù)據(jù)安全性問題也是較大的隱患。

3）Revit的自動出圖功能在一些細節(jié)問題上還有待改善，還需結合CAD的相關操作才能達到出圖標準。明細表功能需也結合專業(yè)插件才能實現(xiàn)在水運行業(yè)的應用。

［1］黃強.論 BIM：第一章［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2016.

［2］National BIM Standard-US TM［S］.2015.

［3］AEC（UK） BIM Standard［S］.2012.

［4］2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要［Z］.2011.

［5］關于征求關于推薦BIM技術在建筑領域應用的指導意見（征求意見稿）意見的函［Z］.2013.

［6］趙淵，吳鵬程，傅瑜.上海國際航運服務中心西船閘工程 BIM 技術的實踐與應用［J］.港口技術，2011，（11）：24-27.

［7］張向東.BIM 在內河航運樞紐工程的應用實踐和展望［J］.2015，（12）：253-254.

Application of BIM Technique in Design of Car-dumper Shed

Li Ying，Zhao Yanfei，Yan Xiaolu，Zhang Liguo
（CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Based on car-dumper shed of coal terminal phase-3 project at Tangshan Port Caofeidian Harbor，a detailed introduction is made to the application of BIM technique in the construction drawing design.The engineering practice shows that the application of BIM technique improves the design efficiency in the process of model building，impact detection and optimum design，which will provide refrences for similar projects.

BIM； Revit； Navisworks； car-dumper shed； impact detection

U653.92

A

1004-9592（2016）05-0051-06

10.16403/j.cnki.ggjs20160513

2016-05-27

李穎（1985-），女，工程師，從事港口工程水工結構設計。