鋼管板樁組合三維設計及拓展應用

李家華，陳家悅，陳良志，黃黎明

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

2010年以來，BIM技術在水運基礎設施中的應用與日俱增[1]、得到了廣泛關注[2]。作為一種全新的理念和技術，各種類型的工程項目都可以通過BIM技術找到解決問題的方法[3]。隨著以BIM為首的數字化技術的快速發展和技術積累，碼頭類項目的BIM應用案例逐漸增多、應用階段逐漸完善，不同類型的碼頭項目在尋找適合自身特點的BIM技術應用路線和解決方案，工程與BIM技術的結合也愈發成熟。碼頭工程涉及專業多、構筑物之間的關系復雜，傳統二維設計技術模式下存在信息表述復雜、協同設計困難、數據傳輸能力差等問題[4]。

BIM技術在碼頭設計階段的應用日漸成熟，并逐步呈現出水運特色，許多企業結合項目的數字化應用開展了BIM技術的研究工作[5-6]。自動化碼頭工程的設計復雜度更高，特別是涉及基礎樁基結構的設計更是關系到整體設計的安全性和耐久性。在設計階段通過BIM技術開展三維協同設計工作，提高設計效率和質量，并使枯燥的設計過程變成了真實、生動的視覺體驗；在三維模型場景基礎上對方案進行設計優化及碰撞檢測，有效規避了設計風險并提高了設計質量[7]。以BIM模型為主要載體的信息表達方式將會發揮重要的信息傳遞和信息表達作用，推動水運工程行業的數字化、信息化發展[8]，必將對水運行業的進步產生無可估量的影響。

目前鋼管板樁組合是大型自動化碼頭常用的結構基礎，采用二維設計難以準確清晰地表達樁基之間的相對關系和實際長度，通過開展三維設計并結合項目特點進行深入拓展應用可有效解決樁基模型數量多、樁長隨地質變化、樁基屬性字段缺失、樁基編碼難等問題。針對南沙四期項目，筆者結合自動化碼頭鋼管板樁組合的設計特點，開展了鋼管板樁組合的三維設計及拓展應用；為提高三維設計質量，采用基于BIM技術的拓展應用方法；建立了一套基于設計階段鋼管板樁組合三維設計及其拓展應用的BIM+解決方案，在項目設計的提升和優化上取得了顯著成果。

1 項目概況

項目地處廣州港南沙港區，是粵港澳大灣區核心門戶以及連接珠三角兩岸城市群的樞紐性節點，地理位置優越。東南側緊鄰已建的南沙港區工程，陸域西側有規劃物流園區及規劃鐵路物流中轉站等。建設16個集裝箱泊位、4個工作船泊位，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，同時由于環保政策等因素砂石料價格大幅度上漲，所以碼頭主體結構采用鋼管板樁組合結構，可以減少開挖回填量、加快施工速度，同時能夠滿足自動化碼頭荷載的抗彎需求。

圖1 項目BIM模型

2 技術路線

在鋼管板樁組合設計過程中采用三維設計的方法，將BIM技術與碼頭的三維設計及拓展應用進行結合，旨在提高碼頭設計的精確性、減少設計錯誤和交叉、提高設計效率，同時也為碼頭未來建設、運營過程的信息化、數字化奠定基礎。整體技術路線見圖2。首先搭建項目的三維協同平臺，根據工作分工為設計人員分配權限和賬號，基于軟件開展不同泊位、不同工作分區的協同設計，建立項目整體鋼管板樁組合的三維模型，檢查拉桿與相鄰錨碇結構之間、軌道梁基礎之間潛在的碰撞問題。同時構建三維地質模型，實時調整及優化樁基長度；結合現場最終沉樁數據，外部導入數據后驅動三維鋼管板樁組合模型跟隨實際樁長變化。在三維模型創建過程中，將與設計相關的字段屬性指令賦予到鋼管板樁設計三維模型中，并根據JTS/T 198-1—2019《水運工程信息模型應用統一標準》[9]對模型的主要構件進行分類編碼工作，批量添加水運工程分類編碼。鋼管板樁的三維設計根據施工要求進行分區分段，并在模型中預留施工屬性字段，可以滿足施工階段模型使用和信息需求。

圖2 項目技術應用路線

3 三維設計及拓展應用

3.1 三維協同設計

項目的鋼管板樁組合主體基礎結構可以滿足大型自動化碼頭復雜的荷載工況要求。碼頭前沿線并非直線，采用鋼管板樁組合進行設計可能出現轉角拐彎處拉桿及錨碇結構沖突的現象；后軌道梁等間距布置了管樁作為支撐，結構之間交叉繁多，見圖3。在設計開展前，對設計方式和設計手段進行統一部署，搭載了設計協同管理平臺，給設計人員分配賬號和權限，獨立開展三維設計，同時可以實時參照其他設計人員的成果。通過采用三維協同設計的方式，對交叉段等重點區域可進行多專業共同設計、避免交叉，相較于傳統二維設計，在設計質量上有了很大的提高，尤其是轉角過渡段，大幅提升了設計質量及精確度。

圖3 項目轉角結構段

3.2 三維地質模型

鋼管板樁組合的三維設計與項目的地質情況密不可分，樁基進入地質持力層的高程并不相同。三維地質模型具有現實直觀、任意剖切、批量出圖及準確算量等功能，在鋼管板樁組合的三維設計中起到輔助的作用，確保鋼管板樁組合各樁基的長度更加精確、減少造價誤差，有利于項目的預算控制和成本管理。為了提升鋼管板樁組合樁長的準確性，建立了項目的三維地質模型，見圖4，通過外部參照的方式導入三維設計軟件中，實時優化樁長。通過三維地質模型的創建可準確計算鋼管板樁組合前側需要開挖的土方量及分類土情況，對項目的開挖計算效率有一定的提升。

圖4 三維地質模型

3.3 批量創建模型

本項目共有16個泊位，水工基礎采用鋼管板樁結構，樁基數量更是多達近萬根，且包含多種樁基種類，如鋼板樁、鋼管樁、PHC樁及用于碼頭區域的水泥攪拌樁，結合三維地質模型的三維設計會帶來樁底高程的差異化，無法通過傳統手段實現批量的陣列復制，導致鋼管板樁模型創建難度大。結合軟件自帶的編程工具進行了程序編譯，調用碼頭中樁基參數的模塊，包括樁長、樁徑等參數，一鍵生成不同類型的樁基模型，實現了智能批量建模，節省建模時間，方便后期參數化調整，見圖5。通過該方法，可快速生成不同類型、不同參數的鋼管板樁模型，還可以快速生成施工圖和樁基明細表，提高了建模效率和工程量的準確性。

圖5 批量創建模型

3.4 樁長實時修正

設計階段的鋼管板樁三維模型基于三維地質確定樁長，樁長為固定值。實際過程中，往往由于真實地質的復雜性以及施工過程的偏差，導致樁長與設計時不一致，樁基入土的深度與設計情況有所差異，最終導致設計與施工階段模型無法統一。如果在三維模型中手動修改各個樁基的參數，將會帶來

巨大的重復工作量。為延伸BIM模型在設計階段的應用，同時提升三維設計的智慧化水平，通過編程工具調用子模塊獲取各樁基的參數訪問接口(圖6)，通過與外部表格進行聯動的方式完成數據的讀取和同步，實現了模型根據實際沉樁記錄數據反向驅動三維模型中樁工的調整、碼頭自動化完成更新。還進一步完善了該功能的易用性，只需將沉樁表格數據放置在電腦中的指定位置，打開編程工具進行刷新和執行后，模型會自動識別樁長變化，模型數據與實際沉樁數據一一匹配，解決了施工階段的重復建模和信息斷層問題，提升了BIM的數據傳導和全生命周期應用水平。

圖6 樁長實時修正

3.5 設計施工一體化

在BIM應用過程中，業主對設計和施工的一致性和延續性提出了明確的要求，因此設計階段的三維模型需考慮施工階段的需求，按照施工要求進行分區分段的編號，并在設計階段三維模型中預留施工需要的字段屬性。依據鋼管板樁組合區段的分解，采用以分項工程的單個專業作為模型的最小文件單位。項目中樁基可根據泊位、樁型及里程進行編號，樁型簡寫板樁BC、PHC樁PHC，序列號根據里程從小到大遞增編號，如海輪2#泊位鋼管樁按里程從小到大的第1根樁編號為HL2#GZ0001。同時根據施工單位對設計階段BIM模型的要求，模型構件須預留施工階段構件的信息字段，如水工專業對模型構件(主要是鋼管樁、PHC樁、板樁)擴展補充屬性信息(圖7)，使用程序語言批量賦予模型構件屬性，滿足施工階段的屬性及編號需求，加強了BIM技術在設計階段及施工階段的關聯性，提高效率、減少工作量。

圖7 預留屬性信息字段

3.6 構件編碼

項目應用過程中，施工方對鋼管板樁組合的模型提出了構件編碼的需求，以滿足BIM模型在后續項目施工階段乃至全生命周期中高效信息化管理和應用的要求。水運工程的BIM模型編碼體系結合軟件功能二次開發了分類編碼的工具，通過提前錄入水運工程分類編碼庫，編碼工具可以讀取族對象參數和族類別，構件屬性與分類編碼可以自動識別掛接，實現了構件與編碼的有效結合，見圖8。使用該方法可進行項目文件范圍內的所有構件賦碼，減少人工賦碼工作量，為水運工程構件編碼的推廣提供了一條有益可行的新思路。

圖8 構件編碼

4 結語

1)采用三維設計的手段設計大型復雜項目的結構具有可視化、直觀化、標準化的優點，可以通過三維模型準確清晰地表達設計方案，有利于設計方案的比選和最終確定，是設計發展趨勢。

2)自動化碼頭鋼管板樁組合設計難度大，尤其是在不同泊位之間的轉角銜接段，傳統二維設計難以滿足高精度、高標準設計的要求。通過協同設計的手段，不同設計人員可以實時查看相鄰結構段的模型，優化設計方案、有效減少項目之間的交叉碰撞問題，一定程度上提升了設計的質量和效率。

3)鋼管板樁組合三維設計過程中存在模型建模難、樁長隨地質變化、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行二次開發，可以補充和完善三維模型的應用價值、提高三維設計效率，使BIM技術在自動化碼頭管板組合設計中的應用更加具有價值。