BIM在復(fù)雜多曲面船閘輸水廊道建造中的應(yīng)用

1、基于BIM+理論的船閘工程建設(shè)新模式王學(xué)鋒1，吳鵬程1,2，黃天榮2，趙淵2（1 上海海事大學(xué)物流研究中心，上海 ；2 上海國際航運服務(wù)中心開發(fā)有限公司，上海 ；）摘 要：運用系統(tǒng)工程理念，首次提出BIM+理論進行船閘工程的建設(shè)。通過BIM技術(shù)與3D打印、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的有機結(jié)合，進行了船閘工程的設(shè)計優(yōu)化、施工管理及運營管理等工作，實現(xiàn)了基于BIM+理論的船閘工程建設(shè)新模式。工程實踐表明，該模式簡單高效，破解了船閘工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)建設(shè)的難題，具有廣闊應(yīng)用前景，可為類似工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)與技術(shù)借鑒。關(guān)鍵詞：建筑信息模型，船閘工程，BIM+，優(yōu)化中圖分類號： TU599 文獻標識碼：A doi：10.

2、3969j.issn.1007-9629.2012.01.007Application of BIM in the construction of lock engineering and its BIM+ theoryIn West Ship Lock Engineering of Shanghai International Shipping Service Center CaseXuefeng Wang1, Pengcheng Wu1, 2,Yuan Zhao2(1. Research Center of Logistics, Shanghai Maritime University,

3、Shanghai, China）(2. Shanghai International Shipping Service Center Development Co. Ltd, Shanghai, China）Abstract: Based on West Lock project of Shanghai International Shipping Service Center, do research on applications using BIM technology in different phases of the West Lock project: to analog tec

4、hnology process (yacht inbound and outbound processes, harbor basin routine dredging process or water draining when a distress happen, the lock gate gates inside and outside repairing process, etc.); to optimize the design plan(optimization of process design, optimization of metal structures, optimi

5、zation of water conveyance system, optimization of hydraulic structures design); to achieve the immersive roaming platform in the designing stage of western lock; combine the BIM technology, Internet of things technology and operation management: proposed to build the BIM+ platform theory and the wh

6、ole lifecycle information management platform of project.Key words: BIM; Lock Engineering; “BIM+”theory1.引 言BIM（Building Information Model,建筑信息模型）是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，對建筑物理和功能特征進行數(shù)字式表達，并集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的一種工程數(shù)據(jù)模型1。由于BIM技術(shù)具備信息共享及虛擬建模的優(yōu)勢， 21世紀以來BIM的應(yīng)用取得了突破性進展，正逐步成為一種取代二維圖紙的新型信息模型。在我國，BIM正日益得到重視與應(yīng)用，先后有北京奧運會水立方、上海

7、世博會地下變電站、上海中心以及上海迪斯尼等重點項目應(yīng)用了該項技術(shù)2。然而，當前BIM的應(yīng)用主要局限于工民建、市政等領(lǐng)域，BIM在水運工程領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步3，由于水運工程是建筑業(yè)的重大組成部分，推進BIM技術(shù)在水運工程的應(yīng)用，勢必對全面促進我國建筑業(yè)信息化 4、提高企業(yè)競爭力與效益等有著巨大的積極意義。以上海國際航運服務(wù)中心西船閘輸水廊道前端為例，介紹了BIM在船閘輸水廊道前端復(fù)雜多曲面異形空間設(shè)計及優(yōu)化中的應(yīng)用，并結(jié)合BIM三維模型對復(fù)雜多曲面異形空間進行了模板拆分、拼接、安裝以及工程量統(tǒng)計等工作，提高了施工精度，縮短了施工工期與節(jié)能成本，為工程順利竣工提供了有力保障。BIM在上海國際航運

8、服務(wù)中心西船閘輸水廊道實現(xiàn)了成功應(yīng)用，并取得了良好的效果，可為類似的水運工程項目應(yīng)用BIM技術(shù)提供了典范與寶貴的借鑒經(jīng)驗。2.工程概況上海國際航運服務(wù)中心位于上海市虹口區(qū)北外灘匯山地塊，東起秦皇島路輪渡站，西至公平路輪渡站，北側(cè)為擬建的大連路泵站搬遷工程，南臨黃浦江。由于項目為公共環(huán)境工程，項目進行了別具一格的創(chuàng)新濱水景觀設(shè)計5，其亮點之一便是在地塊設(shè)置了西船閘將游艇碼頭與黃浦江相連。為保證船閘輸水穩(wěn)定、減小噪聲以及節(jié)水、節(jié)地等，項目創(chuàng)新設(shè)計了垂直于河道的內(nèi)循環(huán)單側(cè)輸水系統(tǒng)6 ，輸水廊道前端采用了復(fù)雜多曲面異形結(jié)構(gòu)設(shè)計保證輸水，如圖1所示。 (a) 船閘輸水系統(tǒng) (b) 復(fù)雜多曲面輸水廊道圖1

9、 輸水系統(tǒng)及輸水廊道異形曲面由于該輸水系統(tǒng)為首創(chuàng)，有關(guān)復(fù)雜多曲面輸水廊道的建造并無先例，而工藝要求混凝土結(jié)合面平整光滑、無錯縫，且澆筑時不允許能漏漿、掛漿、蜂窩等現(xiàn)象。同時，本工程進度要求緊、施工難度大，為了保障工程的順利按時實施，項目決定大膽引進BIM三維建模技術(shù)指導(dǎo)這種復(fù)雜多曲面異型空間的設(shè)計與施工。3.空間信息及優(yōu)化3.1空間信息三維展示由于船閘輸水廊道為一典型的復(fù)雜多曲面異形結(jié)構(gòu)，形狀較為復(fù)雜，而且也非常不規(guī)則，平面CAD的二維圖紙很難將設(shè)計意圖表達清楚，容易造成參建各方對圖紙理解不一致，造成出錯甚至釀成重大工程質(zhì)量事故。傳統(tǒng)的二維圖紙如圖2所示。 圖2 輸水系統(tǒng)及輸水廊道異形曲面二維

10、圖紙為準確表達復(fù)雜的設(shè)計意圖，減少理解偏差，提高項目參建各方的溝通效率，項目組基于BIM技術(shù)建立了船閘輸水廊道三維實體模型，并在此模型上加以空間尺寸標注，非常直觀定量表達出船閘輸水廊道的形狀、尺寸以相對關(guān)系等，實現(xiàn)了船閘輸水廊道復(fù)雜多曲面異形空間設(shè)計。通過這一三維實體模型的展示，參建各方真正掌握了設(shè)計意圖，有力指導(dǎo)了船閘輸水廊道的建造。模型圖詳見圖3。圖3 船閘輸水廊道空間信息3.2設(shè)計信息優(yōu)化3.2.1帶狀輪廓修改通過對輸水廊道三維模型進行詳細檢查，發(fā)現(xiàn)了原先設(shè)計的進水口左側(cè)帶狀輪廓過于復(fù)雜，會大大增加模板施工的難度及造價，于是將原來帶狀輪廓改成線狀。此外，仔細研究輸水廊道前端內(nèi)部空間后發(fā)現(xiàn)

11、，過小的空間可能會導(dǎo)致檢修操作空間狹小，在與船閘未來運營單位溝通后，在輸水廊道前端右側(cè)增加了檢修爬梯，以方便從側(cè)邊進行檢修，詳見圖4。增加檢修扶梯 (a) 修改前 (b) 修改后圖4 船閘輸水廊道設(shè)計優(yōu)化3.2.2圓倒角變直BIM三維模型還顯示，輸水廊道輪廓的圓弧倒角曲面擬合收縮均過于復(fù)雜，嚴重影響了后期模板的安裝及施工質(zhì)量，在不影響水力條件和規(guī)范要求的前提下，對輸水廊道設(shè)計進行進一步的優(yōu)化，將區(qū)域內(nèi)500圓倒角全部平滑過渡200直倒角，如圖5所示。 (a) 修改前 (b) 修改后圖5 船閘輸水廊道設(shè)計優(yōu)化4.施工模板及優(yōu)化由于前端輸水廊道空間結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，其配套的異形多曲面模板吊裝比較困難，

12、而施工精度要求高，施工難度大，因此項目組結(jié)合BIM技術(shù)對模板工程進行專項的設(shè)計與優(yōu)化。4.1模板加工方案經(jīng)過研究，項目組提出兩套輸水廊道前端的模板加工方案。方案一是BIM+數(shù)控機床，整個輸水廊道前端按照復(fù)雜程度分為三大塊，每塊模板在數(shù)控機床上獨立成型后駁運到現(xiàn)場后吊裝、焊接；方案二則是BIM+可拆卸鋼模板，將復(fù)雜多曲面異形結(jié)構(gòu)拆分為八部分，每部分單獨加工生產(chǎn)，采用鋼板和模板支撐分塊焊接和拼裝，最后再拼接成型。上述兩方案中，方案一技術(shù)可行、工程質(zhì)量有保障，但經(jīng)濟性欠差，且鋼板加上支撐體系重量偏大，吊裝、拼接異常困難，而施工現(xiàn)場操作空間有限，如采用駁船浮吊，作業(yè)半徑過長限制了單次起吊的重量。而方案

13、二的加工工藝則較為成熟可靠，安裝較為便捷，施工質(zhì)量同樣可以控制，最為重要的是方案二的模板可拆卸，這樣在后期的東船閘工程可重復(fù)利用，經(jīng)濟技術(shù)指標優(yōu)勢明顯。綜上，經(jīng)技術(shù)可行性及經(jīng)濟性比較，最終選定方案二為輸水廊道復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的模板加工方案，將復(fù)雜的曲面拆分為八部分單獨加工后，再運輸?shù)浆F(xiàn)場拼裝成型。4.2基于BIM的優(yōu)化為配合模板施工，BIM在輔助模板設(shè)計、驗證模板拆分方案、校核模板生產(chǎn)、進行模板安裝和拆模模擬分析等環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要作用，涵蓋了模板設(shè)計、生產(chǎn)、拆分到安裝四個環(huán)節(jié)?？梢哉f， BIM技術(shù)的應(yīng)用貫穿了西船閘輸水廊道前端異形結(jié)構(gòu)施工的全過程。4.2.1模型通過與模板生產(chǎn)廠商溝通，初步了解模板設(shè)

14、計方案及生產(chǎn)加工細節(jié)，根據(jù)跟生產(chǎn)廠商溝通的結(jié)果，建立了模板的BIM三維實體模型，并以此為基礎(chǔ)輔助模板細部設(shè)計、進行拆分嘗試等，以最終提出切實可行的拆分方案，滿足制作方便、安裝準確及與吊裝的要求。模板三維實體模型如圖6所示。圖6 模板深化設(shè)計4.2.2生成拆分方案對于模板的拆分，實際上有無數(shù)種不同的方案可供選擇。結(jié)合工程施工經(jīng)驗，考慮到工序流程、拆分方便及準確安裝等，運用BIM技術(shù)有針對性地進行了拆分和安裝模擬，發(fā)揮了BIM技術(shù)特有的虛擬結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)勢，最后把模板拆分為如圖7的八大塊。圖7 模板拆分方案4.2.3校核模板拼接為了確保施工中無漏漿、掛漿、蜂窩等現(xiàn)象，根據(jù)模板生產(chǎn)后的實測數(shù)據(jù)，采用BI

15、M技術(shù)進行了模板的拼接復(fù)核，如果量測縫隙小于/等于2mm，就不需要采取止?jié){措施，如大于2mm，就根據(jù)縫隙的具體情況采取止?jié){條或其他措施，避免漏漿或掛漿等問題。拼縫模擬及實照可分別參見圖8、圖9。 圖8 模板拼接模擬 圖9 現(xiàn)場模板實照 4.2.4模擬安裝和拆模利用BIM技術(shù)的虛擬漫游功能，對模板工程進行了模擬安裝及拆模模擬，參建各方因此清楚知道整個拼接安裝的空間結(jié)構(gòu)，并得出了最窄位置的準確定位，了解施工難點及關(guān)鍵工序，并有針對性地采取了措施，并為腳手架的布置提供了重要信息。最終，本模板工程施工準備充分，實現(xiàn)了完全的預(yù)控，保證了施工質(zhì)量。相關(guān)模擬可見圖10、圖11。 (a) 虛擬漫游入口 (b)

16、 內(nèi)部虛擬漫游 (c)最窄位置圖10虛擬漫游及模板最窄位置確定4.2.5模板工程算量通過三維建模、設(shè)計優(yōu)化及施工模擬等，項目組擁有了最貼近真實構(gòu)筑物的三維BIM模型，以及大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和文檔資料。基于這些信息，輕松實現(xiàn)了模板的工程量精確統(tǒng)計，為模板的實際施工、預(yù)算及決算等工作提供準確數(shù)據(jù)。統(tǒng)計具體數(shù)據(jù)如下：前端輸水廊道迎水面積306.89m2，而輸水廊道前端的6mm鋼模板體積為.49cm3，換算后得到輸水廊道前端的模板總重量12.15T。具體的每塊模板信息見下表1。表1前段輸水廊道模板各項技術(shù)指標表編號面積（m2）體積(cm3)模板重量(T)模板+支撐重量(T)113.4180468.870.

17、633.31226.91.51.276.65331.89.171.57.88444.97.072.1211.11540.31.571.99.96653.77.972.5313.29722.54.921.065.57824.19.431.145.98合計257.99.512.1563.75備注：支撐重量的計算公式：支撐重量1m2*200kg4.2.6現(xiàn)場吊裝模擬根據(jù)上述精確統(tǒng)計得到的每塊鋼模板重量，利用BIM技術(shù)的虛擬施工功能7,8，對后續(xù)模板的現(xiàn)場安裝吊裝，進行了虛擬施工模擬，如圖11所示。圖11虛擬塔吊施工由上圖可見，塔吊的作業(yè)半徑可以覆蓋到輸水廊道前端的工程位置，但已接近塔吊作業(yè)半徑的末端

18、，施工時需要輕拿輕放、謹慎操作。同時，由于本塔吊最大起吊重量為3.5T，而表1中最重的模板為2.53T，施工方案中的塔吊承重能完全滿足要求，也證明基于BIM的模板分割合理、拆裝可行。5.實施效果通過BIM技術(shù)進行船閘輸水廊道的建造，參建各方的溝通效率得到明顯提升，尤其對施工的指導(dǎo)作用非常大，分部分項工程驗收合格率達到100%，施工質(zhì)量得到了保證，并最大程度減少了返工，工程建設(shè)收到了極好的效果。與原先的施工進度計劃9相比，剔除其他因素影響，采用BIM技術(shù)使西船閘項目提前竣工23天，實現(xiàn)了縮短工期與節(jié)約成本雙豐收。而作為主要科技創(chuàng)新成果之一，上海國際航運服務(wù)中心成功申報并獲得了2014中國港口協(xié)會

19、科技進步一等獎10 ，這充分說明了BIM技術(shù)不局限于能節(jié)約工期與成本，更是項目增值與提升企業(yè)品質(zhì)的利器。6.結(jié)論與展望通過本例可見，應(yīng)用 BIM技術(shù)，可輕松實現(xiàn)船閘輸水廊道復(fù)雜多曲面異形空間施工難題的破解。該項技術(shù)簡單易行、效果顯著，不但能節(jié)約工期與成本，更能使項目增值及提升企業(yè)品質(zhì)。作為建筑業(yè)的重大組成部分，水運工程中存在許多復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物，推動BIM在水運工程的應(yīng)用，將能有效破解這些復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物的建造難題，BIM在水運工程領(lǐng)域存在著廣泛的應(yīng)用空間，這也是全面促進我國建筑業(yè)信息化、提升我國水運建設(shè)相關(guān)企業(yè)競爭實力與增加其經(jīng)濟效益的必由之路。參考文獻1美國國家BIM 標準NBIMS 的BIM 簡介J.美國國家建筑科學(xué)研究院, 2006.