鋼管板樁組合三維設(shè)計(jì)及拓展應(yīng)用

李家華，陳家悅，陳良志，黃黎明

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

2010年以來，BIM技術(shù)在水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用與日俱增[1]、得到了廣泛關(guān)注[2]。作為一種全新的理念和技術(shù)，各種類型的工程項(xiàng)目都可以通過BIM技術(shù)找到解決問題的方法[3]。隨著以BIM為首的數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)積累，碼頭類項(xiàng)目的BIM應(yīng)用案例逐漸增多、應(yīng)用階段逐漸完善，不同類型的碼頭項(xiàng)目在尋找適合自身特點(diǎn)的BIM技術(shù)應(yīng)用路線和解決方案，工程與BIM技術(shù)的結(jié)合也愈發(fā)成熟。碼頭工程涉及專業(yè)多、構(gòu)筑物之間的關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)技術(shù)模式下存在信息表述復(fù)雜、協(xié)同設(shè)計(jì)困難、數(shù)據(jù)傳輸能力差等問題[4]。

BIM技術(shù)在碼頭設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用日漸成熟，并逐步呈現(xiàn)出水運(yùn)特色，許多企業(yè)結(jié)合項(xiàng)目的數(shù)字化應(yīng)用開展了BIM技術(shù)的研究工作[5-6]。自動(dòng)化碼頭工程的設(shè)計(jì)復(fù)雜度更高，特別是涉及基礎(chǔ)樁基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更是關(guān)系到整體設(shè)計(jì)的安全性和耐久性。在設(shè)計(jì)階段通過BIM技術(shù)開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，并使枯燥的設(shè)計(jì)過程變成了真實(shí)、生動(dòng)的視覺體驗(yàn)；在三維模型場(chǎng)景基礎(chǔ)上對(duì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化及碰撞檢測(cè)，有效規(guī)避了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量[7]。以BIM模型為主要載體的信息表達(dá)方式將會(huì)發(fā)揮重要的信息傳遞和信息表達(dá)作用，推動(dòng)水運(yùn)工程行業(yè)的數(shù)字化、信息化發(fā)展[8]，必將對(duì)水運(yùn)行業(yè)的進(jìn)步產(chǎn)生無可估量的影響。

目前鋼管板樁組合是大型自動(dòng)化碼頭常用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，采用二維設(shè)計(jì)難以準(zhǔn)確清晰地表達(dá)樁基之間的相對(duì)關(guān)系和實(shí)際長(zhǎng)度，通過開展三維設(shè)計(jì)并結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行深入拓展應(yīng)用可有效解決樁基模型數(shù)量多、樁長(zhǎng)隨地質(zhì)變化、樁基屬性字段缺失、樁基編碼難等問題。針對(duì)南沙四期項(xiàng)目，筆者結(jié)合自動(dòng)化碼頭鋼管板樁組合的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，開展了鋼管板樁組合的三維設(shè)計(jì)及拓展應(yīng)用；為提高三維設(shè)計(jì)質(zhì)量，采用基于BIM技術(shù)的拓展應(yīng)用方法；建立了一套基于設(shè)計(jì)階段鋼管板樁組合三維設(shè)計(jì)及其拓展應(yīng)用的BIM+解決方案，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的提升和優(yōu)化上取得了顯著成果。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目地處廣州港南沙港區(qū)，是粵港澳大灣區(qū)核心門戶以及連接珠三角兩岸城市群的樞紐性節(jié)點(diǎn)，地理位置優(yōu)越。東南側(cè)緊鄰已建的南沙港區(qū)工程，陸域西側(cè)有規(guī)劃物流園區(qū)及規(guī)劃鐵路物流中轉(zhuǎn)站等。建設(shè)16個(gè)集裝箱泊位、4個(gè)工作船泊位，見圖1。由于持力層埋深大、泥面高、基槽開挖量和外拋量大，而附近缺少拋泥點(diǎn)，同時(shí)由于環(huán)保政策等因素砂石料價(jià)格大幅度上漲，所以碼頭主體結(jié)構(gòu)采用鋼管板樁組合結(jié)構(gòu)，可以減少開挖回填量、加快施工速度，同時(shí)能夠滿足自動(dòng)化碼頭荷載的抗彎需求。

圖1 項(xiàng)目BIM模型

2 技術(shù)路線

在鋼管板樁組合設(shè)計(jì)過程中采用三維設(shè)計(jì)的方法，將BIM技術(shù)與碼頭的三維設(shè)計(jì)及拓展應(yīng)用進(jìn)行結(jié)合，旨在提高碼頭設(shè)計(jì)的精確性、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和交叉、提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也為碼頭未來建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過程的信息化、數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。整體技術(shù)路線見圖2。首先搭建項(xiàng)目的三維協(xié)同平臺(tái)，根據(jù)工作分工為設(shè)計(jì)人員分配權(quán)限和賬號(hào)，基于軟件開展不同泊位、不同工作分區(qū)的協(xié)同設(shè)計(jì)，建立項(xiàng)目整體鋼管板樁組合的三維模型，檢查拉桿與相鄰錨碇結(jié)構(gòu)之間、軌道梁基礎(chǔ)之間潛在的碰撞問題。同時(shí)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，實(shí)時(shí)調(diào)整及優(yōu)化樁基長(zhǎng)度；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)最終沉樁數(shù)據(jù)，外部導(dǎo)入數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)三維鋼管板樁組合模型跟隨實(shí)際樁長(zhǎng)變化。在三維模型創(chuàng)建過程中，將與設(shè)計(jì)相關(guān)的字段屬性指令賦予到鋼管板樁設(shè)計(jì)三維模型中，并根據(jù)JTS/T 198-1—2019《水運(yùn)工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[9]對(duì)模型的主要構(gòu)件進(jìn)行分類編碼工作，批量添加水運(yùn)工程分類編碼。鋼管板樁的三維設(shè)計(jì)根據(jù)施工要求進(jìn)行分區(qū)分段，并在模型中預(yù)留施工屬性字段，可以滿足施工階段模型使用和信息需求。

圖2 項(xiàng)目技術(shù)應(yīng)用路線

3 三維設(shè)計(jì)及拓展應(yīng)用

3.1 三維協(xié)同設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的鋼管板樁組合主體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以滿足大型自動(dòng)化碼頭復(fù)雜的荷載工況要求。碼頭前沿線并非直線，采用鋼管板樁組合進(jìn)行設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)角拐彎處拉桿及錨碇結(jié)構(gòu)沖突的現(xiàn)象；后軌道梁等間距布置了管樁作為支撐，結(jié)構(gòu)之間交叉繁多，見圖3。在設(shè)計(jì)開展前，對(duì)設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)手段進(jìn)行統(tǒng)一部署，搭載了設(shè)計(jì)協(xié)同管理平臺(tái)，給設(shè)計(jì)人員分配賬號(hào)和權(quán)限，獨(dú)立開展三維設(shè)計(jì)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)參照其他設(shè)計(jì)人員的成果。通過采用三維協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，對(duì)交叉段等重點(diǎn)區(qū)域可進(jìn)行多專業(yè)共同設(shè)計(jì)、避免交叉，相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)質(zhì)量上有了很大的提高，尤其是轉(zhuǎn)角過渡段，大幅提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量及精確度。

圖3 項(xiàng)目轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)段

3.2 三維地質(zhì)模型

鋼管板樁組合的三維設(shè)計(jì)與項(xiàng)目的地質(zhì)情況密不可分，樁基進(jìn)入地質(zhì)持力層的高程并不相同。三維地質(zhì)模型具有現(xiàn)實(shí)直觀、任意剖切、批量出圖及準(zhǔn)確算量等功能，在鋼管板樁組合的三維設(shè)計(jì)中起到輔助的作用，確保鋼管板樁組合各樁基的長(zhǎng)度更加精確、減少造價(jià)誤差，有利于項(xiàng)目的預(yù)算控制和成本管理。為了提升鋼管板樁組合樁長(zhǎng)的準(zhǔn)確性，建立了項(xiàng)目的三維地質(zhì)模型，見圖4，通過外部參照的方式導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件中，實(shí)時(shí)優(yōu)化樁長(zhǎng)。通過三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建可準(zhǔn)確計(jì)算鋼管板樁組合前側(cè)需要開挖的土方量及分類土情況，對(duì)項(xiàng)目的開挖計(jì)算效率有一定的提升。

圖4 三維地質(zhì)模型

3.3 批量創(chuàng)建模型

本項(xiàng)目共有16個(gè)泊位，水工基礎(chǔ)采用鋼管板樁結(jié)構(gòu)，樁基數(shù)量更是多達(dá)近萬根，且包含多種樁基種類，如鋼板樁、鋼管樁、PHC樁及用于碼頭區(qū)域的水泥攪拌樁，結(jié)合三維地質(zhì)模型的三維設(shè)計(jì)會(huì)帶來樁底高程的差異化，無法通過傳統(tǒng)手段實(shí)現(xiàn)批量的陣列復(fù)制，導(dǎo)致鋼管板樁模型創(chuàng)建難度大。結(jié)合軟件自帶的編程工具進(jìn)行了程序編譯，調(diào)用碼頭中樁基參數(shù)的模塊，包括樁長(zhǎng)、樁徑等參數(shù)，一鍵生成不同類型的樁基模型，實(shí)現(xiàn)了智能批量建模，節(jié)省建模時(shí)間，方便后期參數(shù)化調(diào)整，見圖5。通過該方法，可快速生成不同類型、不同參數(shù)的鋼管板樁模型，還可以快速生成施工圖和樁基明細(xì)表，提高了建模效率和工程量的準(zhǔn)確性。

圖5 批量創(chuàng)建模型

3.4 樁長(zhǎng)實(shí)時(shí)修正

設(shè)計(jì)階段的鋼管板樁三維模型基于三維地質(zhì)確定樁長(zhǎng)，樁長(zhǎng)為固定值。實(shí)際過程中，往往由于真實(shí)地質(zhì)的復(fù)雜性以及施工過程的偏差，導(dǎo)致樁長(zhǎng)與設(shè)計(jì)時(shí)不一致，樁基入土的深度與設(shè)計(jì)情況有所差異，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)與施工階段模型無法統(tǒng)一。如果在三維模型中手動(dòng)修改各個(gè)樁基的參數(shù)，將會(huì)帶來

巨大的重復(fù)工作量。為延伸BIM模型在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，同時(shí)提升三維設(shè)計(jì)的智慧化水平，通過編程工具調(diào)用子模塊獲取各樁基的參數(shù)訪問接口(圖6)，通過與外部表格進(jìn)行聯(lián)動(dòng)的方式完成數(shù)據(jù)的讀取和同步，實(shí)現(xiàn)了模型根據(jù)實(shí)際沉樁記錄數(shù)據(jù)反向驅(qū)動(dòng)三維模型中樁工的調(diào)整、碼頭自動(dòng)化完成更新。還進(jìn)一步完善了該功能的易用性，只需將沉樁表格數(shù)據(jù)放置在電腦中的指定位置，打開編程工具進(jìn)行刷新和執(zhí)行后，模型會(huì)自動(dòng)識(shí)別樁長(zhǎng)變化，模型數(shù)據(jù)與實(shí)際沉樁數(shù)據(jù)一一匹配，解決了施工階段的重復(fù)建模和信息斷層問題，提升了BIM的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)和全生命周期應(yīng)用水平。

圖6 樁長(zhǎng)實(shí)時(shí)修正

3.5 設(shè)計(jì)施工一體化

在BIM應(yīng)用過程中，業(yè)主對(duì)設(shè)計(jì)和施工的一致性和延續(xù)性提出了明確的要求，因此設(shè)計(jì)階段的三維模型需考慮施工階段的需求，按照施工要求進(jìn)行分區(qū)分段的編號(hào)，并在設(shè)計(jì)階段三維模型中預(yù)留施工需要的字段屬性。依據(jù)鋼管板樁組合區(qū)段的分解，采用以分項(xiàng)工程的單個(gè)專業(yè)作為模型的最小文件單位。項(xiàng)目中樁基可根據(jù)泊位、樁型及里程進(jìn)行編號(hào)，樁型簡(jiǎn)寫板樁BC、PHC樁PHC，序列號(hào)根據(jù)里程從小到大遞增編號(hào)，如海輪2#泊位鋼管樁按里程從小到大的第1根樁編號(hào)為HL2#GZ0001。同時(shí)根據(jù)施工單位對(duì)設(shè)計(jì)階段BIM模型的要求，模型構(gòu)件須預(yù)留施工階段構(gòu)件的信息字段，如水工專業(yè)對(duì)模型構(gòu)件(主要是鋼管樁、PHC樁、板樁)擴(kuò)展補(bǔ)充屬性信息(圖7)，使用程序語言批量賦予模型構(gòu)件屬性，滿足施工階段的屬性及編號(hào)需求，加強(qiáng)了BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段及施工階段的關(guān)聯(lián)性，提高效率、減少工作量。

圖7 預(yù)留屬性信息字段

3.6 構(gòu)件編碼

項(xiàng)目應(yīng)用過程中，施工方對(duì)鋼管板樁組合的模型提出了構(gòu)件編碼的需求，以滿足BIM模型在后續(xù)項(xiàng)目施工階段乃至全生命周期中高效信息化管理和應(yīng)用的要求。水運(yùn)工程的BIM模型編碼體系結(jié)合軟件功能二次開發(fā)了分類編碼的工具，通過提前錄入水運(yùn)工程分類編碼庫，編碼工具可以讀取族對(duì)象參數(shù)和族類別，構(gòu)件屬性與分類編碼可以自動(dòng)識(shí)別掛接，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件與編碼的有效結(jié)合，見圖8。使用該方法可進(jìn)行項(xiàng)目文件范圍內(nèi)的所有構(gòu)件賦碼，減少人工賦碼工作量，為水運(yùn)工程構(gòu)件編碼的推廣提供了一條有益可行的新思路。

圖8 構(gòu)件編碼

4 結(jié)語

1)采用三維設(shè)計(jì)的手段設(shè)計(jì)大型復(fù)雜項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)具有可視化、直觀化、標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn)，可以通過三維模型準(zhǔn)確清晰地表達(dá)設(shè)計(jì)方案，有利于設(shè)計(jì)方案的比選和最終確定，是設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)。

2)自動(dòng)化碼頭鋼管板樁組合設(shè)計(jì)難度大，尤其是在不同泊位之間的轉(zhuǎn)角銜接段，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)難以滿足高精度、高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的要求。通過協(xié)同設(shè)計(jì)的手段，不同設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時(shí)查看相鄰結(jié)構(gòu)段的模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、有效減少項(xiàng)目之間的交叉碰撞問題，一定程度上提升了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

3)鋼管板樁組合三維設(shè)計(jì)過程中存在模型建模難、樁長(zhǎng)隨地質(zhì)變化、模型屬性字段缺失、樁基編碼難等問題，采用軟件中模塊化編程工具進(jìn)行二次開發(fā)，可以補(bǔ)充和完善三維模型的應(yīng)用價(jià)值、提高三維設(shè)計(jì)效率，使BIM技術(shù)在自動(dòng)化碼頭管板組合設(shè)計(jì)中的應(yīng)用更加具有價(jià)值。