朱偉南

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

BIM技術(shù)在城市隧道工程中的應(yīng)用

朱偉南

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

近幾年隨著BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域深入應(yīng)用，也取得了很多的功案例和經(jīng)驗(yàn)，相比較建筑領(lǐng)域，市政工程項(xiàng)目對(duì)于BIM技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)滯后，尤其是道路、橋梁、管道以及隧道等市政基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)條件復(fù)雜，設(shè)計(jì)、施工管理的手段仍然陳舊，投資控制薄弱，亟需通過(guò)有效的技術(shù)管理手段，提升工程整體質(zhì)量技術(shù)在市政工程行業(yè)得到日益深入的應(yīng)用與推廣。本文以楊高南路新建隧道工程為例，重點(diǎn)講述BIM在城市隧道工程中的技術(shù)應(yīng)用。

BIM技術(shù)應(yīng)用;三維協(xié)同設(shè)計(jì);工程算量

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.13

引言

BIM(Building Information Modeling)是一種全新的理念，它涉及到從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等一系列創(chuàng)新和變革，是將來(lái)市政行業(yè)信息化的發(fā)展的必然趨勢(shì)。BIM 技術(shù)的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目生命期管理，提高市政行業(yè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的科學(xué)技術(shù)水平，促進(jìn)市政行業(yè)全面信息化和現(xiàn)代化，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

BIM建筑信息模型這一技術(shù)于上世紀(jì)70年代起源于美國(guó)，后傳播至英國(guó)、日本以及韓國(guó)等地，已逐漸成為建筑行業(yè)發(fā)展的主流方向。BIM全生命周期管理解決了復(fù)雜項(xiàng)目的信息溝通難題，該技術(shù)于本世紀(jì)初傳入中國(guó)，近年來(lái)市政建設(shè)行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域逐漸開始嘗試采用BIM技術(shù)，為提高設(shè)計(jì)和管理水平而探索。

隧道工程從地理形置上可以分為敞開段、暗埋段、合建段，從空間結(jié)構(gòu)上可以劃分為：道路結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)電結(jié)構(gòu)等，隧道工程是屬于復(fù)雜的系統(tǒng)工程項(xiàng)目。

1 隧道工程前期BIM應(yīng)用規(guī)劃

1.1 項(xiàng)目概況

楊高路(世紀(jì)大道-浦建路)改建工程范圍北起世紀(jì)大道下立交(世紀(jì)大道環(huán)島桃林路)，南至浦建路(浦建路跨線橋)，工程范圍全長(zhǎng)約1 975m，道路等級(jí)為城市主干路。

本工程建設(shè)內(nèi)容為道路、隧道結(jié)構(gòu)、橋梁(張家浜橋)、雨污水排管、交通標(biāo)志標(biāo)線、信號(hào)燈、通風(fēng)、監(jiān)控、供配電、建筑、綠化等相關(guān)道路附屬設(shè)施及前期綠化與管線搬遷工作等。

圖1 項(xiàng)目規(guī)劃

1.2 BIM應(yīng)用目標(biāo)

隧道工程的設(shè)計(jì)涉及到參與的部門、專業(yè)人員較多，資料交接與溝通次數(shù)頻繁，屬于復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為了解決本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)、施工技術(shù)難點(diǎn)擬制定以下應(yīng)用目標(biāo)：

1)探索隧道工程的三維設(shè)計(jì)流程；

2)通過(guò)建立隧道圍護(hù)、結(jié)構(gòu)、橋梁、機(jī)電等模型可以檢查不同專業(yè)之間的空間位置關(guān)系，復(fù)核設(shè)計(jì)圖紙，驗(yàn)證施工時(shí)的可操作性等；

3)施工招標(biāo)過(guò)程中工程量校核。

1.3 BIM應(yīng)用環(huán)境

本項(xiàng)目選用了達(dá)索3DEXPERIENCE平臺(tái)作為解決方案，該平臺(tái)作為一個(gè)全生命周期的管理平臺(tái)(PLM)，能夠滿足多專業(yè)、跨部門的項(xiàng)目人員基于同一個(gè)CAD載體，在同一個(gè)環(huán)境下展開協(xié)同設(shè)計(jì)、方案討論等工作，項(xiàng)目協(xié)同工作是一個(gè)數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)共享和集成的過(guò)程。在達(dá)索V6平臺(tái)新增加了市政工程的模塊包(CIVIL ENGINEERING)，該模塊建筑、橋梁專業(yè)的一些構(gòu)件類型，它的架構(gòu)是一個(gè)典型的客戶端/服務(wù)器端(Client/Server)軟件架構(gòu)系統(tǒng)。

圖2 軟件架構(gòu)

1.4 BIM實(shí)施方案

根據(jù)本項(xiàng)目定義應(yīng)用目標(biāo)，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，制定建模標(biāo)準(zhǔn)和流程，配置應(yīng)用環(huán)境； 建模之前需要設(shè)計(jì)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹，指定項(xiàng)目成員，分配項(xiàng)目任務(wù)、設(shè)定成員角色的權(quán)限； 明確不同專業(yè)人員模型交接的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一平臺(tái)上進(jìn)行模型搭建和管理的工作。

圖3 項(xiàng)目分配

1.5 BIM團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)

根據(jù)BIM項(xiàng)目實(shí)施的內(nèi)容和要求，BIM團(tuán)隊(duì)的建立最頂層需要項(xiàng)目總工負(fù)責(zé)BIM技術(shù)的審核，中間層由BIM項(xiàng)目負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)制定關(guān)鍵技術(shù)路線及任務(wù)的分派、執(zhí)行層由設(shè)計(jì)人員，軟件二次開發(fā)人員，系統(tǒng)管理員等不同角色負(fù)責(zé)具體的執(zhí)行工作，具體人員如表1所示。

表1 BIM團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)

序列項(xiàng)目角色人員1技術(shù)顧問(wèn)道路專業(yè)總工結(jié)構(gòu)專業(yè)負(fù)責(zé)人2BIM項(xiàng)目負(fù)責(zé)人專業(yè)負(fù)責(zé)人3設(shè)計(jì)人員道路工程師結(jié)構(gòu)工程師橋梁工程師機(jī)電設(shè)計(jì)師建筑工程師4IT支持組軟件技術(shù)主管軟件技術(shù)工程師5系統(tǒng)管理員系統(tǒng)維護(hù)人員

2 隧道工程的BIM應(yīng)用

2.1 協(xié)同設(shè)計(jì)的工作流程

傳統(tǒng)隧道工程項(xiàng)目一般都是由道路專業(yè)負(fù)責(zé)人通過(guò)方案會(huì)等形式與各配合專業(yè)充分溝通后，完成道路平面、縱斷面和橫斷面的設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)模型及數(shù)據(jù)文件提交給橋隧、排水、通風(fēng)、照明、管線綜合、景觀等相關(guān)專業(yè)，各專業(yè)再進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。三維協(xié)同設(shè)計(jì)創(chuàng)新了傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式，由道路工程設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人員牽頭，前期先在設(shè)計(jì)軟件中定義工程項(xiàng)目主體道路中心線，在中心線上創(chuàng)建樁號(hào)的地理位置，并在模型結(jié)構(gòu)樹上發(fā)布相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。后期的設(shè)計(jì)人員在已設(shè)計(jì)的道路中心線上，確定隧道結(jié)構(gòu)、頂、底、側(cè)墻等厚度、變形縫位置等等，并與建筑、機(jī)電、通風(fēng)、照明、排水等專業(yè)溝通確定設(shè)施設(shè)備的布設(shè)位置，完成后續(xù)的深化建模工作。

2.2 項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循自頂而下的設(shè)計(jì)方法，在總體設(shè)計(jì)初期就要從工程裝配的最高層面上考慮工程的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，定義整個(gè)工程的關(guān)鍵定位、布置基準(zhǔn)、及各個(gè)構(gòu)筑物相對(duì)位置關(guān)系，自上而下傳遞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息表達(dá)(表2)。

表2 項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目名稱一級(jí)結(jié)構(gòu)樹二級(jí)結(jié)構(gòu)樹三級(jí)結(jié)構(gòu)樹楊高路隧道工程項(xiàng)目骨架模型設(shè)計(jì)參數(shù)道路中心線樁號(hào)位置結(jié)構(gòu)外輪廓面參數(shù)發(fā)布(中心線及樁號(hào)位置等)道路標(biāo)示標(biāo)線、路牌、鋪裝、瀝青、排水溝等隧道結(jié)構(gòu)模型分支骨架主體結(jié)構(gòu)節(jié)段號(hào)墻、梁、板、柱、側(cè)石、通風(fēng)口、人行出入口、車庫(kù)出入口等人行出入口人行出入口序號(hào)墊層、底板、側(cè)墻、樓梯、出入口頂蓬、臺(tái)階等車庫(kù)出入口左、右出入口墊層、底板、側(cè)墻、橫梁等匝道左、右匝道側(cè)墻、墊層、底板、頂板、側(cè)石、防撞墩隧道圍護(hù)模型分支骨架灌注樁、圍檀、攪拌樁加固、攪拌樁、地下連續(xù)墻、工法樁、混凝土支撐鋼支撐、地基加固等橋梁分支骨架上部結(jié)構(gòu)主梁、塔、拉索、錨箱等下部結(jié)構(gòu)沉臺(tái)、樁基、支座、墊層附屬設(shè)施瀝青、欄桿、路燈、標(biāo)線建筑消防泵房、設(shè)備泵房、雨水泵房、設(shè)備間、墻、頂板、底板、集水坑等機(jī)電水暖電管道、設(shè)備、消防、給水管、排水管、電力、電氣管等照明、潛水排污泵

圖4 創(chuàng)建模型結(jié)構(gòu)樹

2.3 隧道工程的骨架模型

(1)由道路專業(yè)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在最頂層的結(jié)構(gòu)樹上創(chuàng)建骨架，模型骨架設(shè)計(jì)指在對(duì)整個(gè)隧道工程的設(shè)計(jì)流程和結(jié)構(gòu)充分理解后，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的工程范圍運(yùn)用主要的線框控制元素對(duì)整個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的總體控制，形成類似樹干結(jié)構(gòu)的骨架模型，并建立有效的參數(shù)信息傳遞框架及設(shè)計(jì)方法，將已完成的草繪、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、幾何特征、相關(guān)參數(shù)發(fā)布到模型樹的相關(guān)節(jié)點(diǎn)下，確保能實(shí)現(xiàn)通過(guò)骨架線框驅(qū)動(dòng)模型的功能。

圖5 道路中心線及樁號(hào)骨架模型

(2)建立完項(xiàng)目的骨架模型后，其它不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員可以基于骨架模型開展設(shè)計(jì)工作任務(wù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人在項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹下創(chuàng)建隧道圍護(hù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地下人行通道的模型等，建筑設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人創(chuàng)建雨水泵房、消防泵水、污水泵房、配電間等建筑模型，機(jī)電專業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人創(chuàng)建機(jī)電的模型。滿足不同專業(yè)之間的人間開以同步基于一個(gè)模型展開設(shè)計(jì)工作，即時(shí)的發(fā)現(xiàn)不同專業(yè)間的模型是否存在干涉現(xiàn)象，設(shè)計(jì)是否存在缺陷。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)模型

圖7 隧道機(jī)電模型

MEP模型

2.4 創(chuàng)建鋼筋模型

BIM鋼筋模型是對(duì)結(jié)構(gòu)施工的一次“預(yù)演”，建模過(guò)程也是一次全面的模校審過(guò)程。在此過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)大量設(shè)計(jì)施工問(wèn)題，提前細(xì)化鋼筋的下料排布，建模完成后利用已建BIM模型進(jìn)行施工模擬輔助施工，也可以通過(guò)鋼筋模型計(jì)算工程用量并生成用料清單列表，便于編寫物質(zhì)采購(gòu)計(jì)劃，加強(qiáng)工程鋼筋用量控制。

三維鋼筋布置主要依托三維模型的結(jié)構(gòu)面，用戶可以在三維模型中，選取一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)面后指定鋼筋的布置范圍、保護(hù)層厚度、間距、鋼筋類型、直徑等信息，通過(guò)創(chuàng)建好的鋼筋模型，可以提取鋼筋的屬性參數(shù)，鋼筋的根數(shù)、長(zhǎng)度、重量、總重等生成Excel文件。

市政工程的項(xiàng)目鋼筋種類與數(shù)量比較龐大，不宜采用傳統(tǒng)的手工建模方式，耗費(fèi)大量的時(shí)間精力，效率不高，容易發(fā)生錯(cuò)誤?？梢酝ㄟ^(guò)CATIA的產(chǎn)品知識(shí)模板(Engineering Template)及Engineering Rule Capture兩個(gè)模塊，快速陣列鋼筋模型，具體的執(zhí)行操作如下：

1)提取隧道結(jié)構(gòu)模型的外表面作為鋼筋模板的輸入條件；

2)設(shè)定鋼筋保護(hù)層的厚度，并發(fā)布成參數(shù)；

3)通過(guò)CATIA二維線框命令草繪不同類型鋼筋的大樣圖；

4)利用CATIA提供的掃掠命令生成鋼筋的三維模型，并作為鋼筋模板的源文件；

5)通過(guò)EKL語(yǔ)言快速生成生維的模型；

let C(Curve)

let P(Point)

let Pl(Plane)

let i(Integer)

let n(Integer)

let rad(length)

rad=Rebar_Radius

i=1

n=int(length(`Geometrical Set.2Extract.1`)/Length.1)-1

for i while i<=n

{

P=pointoncurve(`Geometrical Set.2Extract.1`，`Geometrical Set.2startPoint`，i*Length.1，true)

C=CreateOrModifyDatum(“Curve”，`GeometricalSet.2`，`RelationsKnowledge Pattern.1List.1`，i)

Pl=planenormal(`Geometrical Set.2Extract.1`，P)

C=intersect(Pl，`External ReferencesSurface.1`)

i=i+1

}

6)生成鋼筋模型；

7)生成鋼筋的統(tǒng)計(jì)表。

2.5 BIM工程算量

(1)構(gòu)件拆分原則

在創(chuàng)建BIM模型之前，需要確定隧道工程各專業(yè)分部分項(xiàng)列表，制定基于BIM模型的工程算量開項(xiàng)列表，并提供滿足招標(biāo)要求的土建、機(jī)電、裝修工程量輔助統(tǒng)計(jì)，包括標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件及特殊結(jié)構(gòu)的鋼筋用量等，具體的構(gòu)件的拆分應(yīng)按照隧道的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系及施工工藝順序來(lái)制定，如隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以按照樁號(hào)的位置進(jìn)行地理位置上的拆分，具體到每一個(gè)節(jié)段可以按照墊層、底板、側(cè)墻、中隔墻、頂板、側(cè)石、鋪裝、瀝青等不同的部位再進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分，如圖9所示。

圖8 鋼筋BIM模型

表3 鋼筋統(tǒng)計(jì)表

名稱構(gòu)件部位鋼筋直徑單根質(zhì)量單根長(zhǎng)度值總重SD_JG_Y20_RB02側(cè)墻DN51.58NL5150786956.39SD_JG_Y20_RB02側(cè)墻DN61.58NL6150786956.39SD_JG_Y20_RB02側(cè)墻DN161.58NL16219205437.48SD_JG_Y20_RB02側(cè)墻DN170.888NL17660841.025SD_JG_Y20_RB02底板DN24.83NL23034021395.2SD_JG_Y20_RB02底板DN2a6.31NL2a700012897.6SD_JG_Y20_RB02底板DN2b6.31NL2b600011055.1SD_JG_Y20_RB02底板DN33.85NL32865016104.2SD_JG_Y20_RB02底板DN183.85NL182192033081.7SD_JG_Y20_RB02底板DN190.888NL1915604955.15SD_JG_Y20_RB02底板DN201.58NL2014951379.47

(2)圍護(hù)與結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)件拆分列表清單

表4 構(gòu)件拆分表

序列類型構(gòu)件名1結(jié)構(gòu)模型拆分底板、左側(cè)石、右側(cè)石、中央防撞墩、左側(cè)墻、右側(cè)墻、中板、頂板、縱向施工縫、中隔墻、瀝青、墊層、鋪裝2圍護(hù)模型拆分灌注樁、圍檀、攪拌樁加固、攪拌樁、地下連續(xù)墻、工法樁、混凝土支撐、鋼支撐、鋼連系梁、鋼格構(gòu)柱

(3)提取BIM工程量

通過(guò)公式計(jì)算得到每組構(gòu)件的工程量數(shù)據(jù)，完成所有的構(gòu)件模型后，在軟件中自定義Excel報(bào)表模板，執(zhí)行輸出報(bào)表命令系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)獲取BIM模型工程量數(shù)據(jù)，如表5所示：

(4)BIM模型的工程量與施工招投標(biāo)提供的工程量復(fù)核

通過(guò)BIM得到的工程量可以與投資監(jiān)理單位通過(guò)傳統(tǒng)的計(jì)量方法得到的工程量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于差異較大的項(xiàng)再進(jìn)行復(fù)核，提高工程計(jì)量的準(zhǔn)確性：

圖10 工程量校核

3 BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用存在問(wèn)題分析

(1)設(shè)計(jì)單位多，三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用能力參差不齊，模型的應(yīng)用深度很難統(tǒng)一，項(xiàng)目的進(jìn)度無(wú)法精確把控;

(2)單一軟件平臺(tái)無(wú)法完成工程中涉及的所有BIM應(yīng)用點(diǎn)，選用的軟件多，格式無(wú)法統(tǒng)一，模型整合難度大;

(3)項(xiàng)目各階段對(duì)模型要求不同，模型的重用性效率低;

(4)BIM軟件中可利用構(gòu)件太少，需要花費(fèi)大量的人力去完善隧道工程的構(gòu)件庫(kù)，建模效率低下。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)BIM技術(shù)在楊高南路隧道工程中的成功應(yīng)用，證明了BIM這種全新的三維設(shè)計(jì)方式，它不僅能滿足當(dāng)前市政設(shè)計(jì)的需求，還能通過(guò)現(xiàn)代化的協(xié)同設(shè)計(jì)理念為業(yè)主提供高質(zhì)量、規(guī)范化、清晰化、具體化的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。同時(shí)BIM還能實(shí)現(xiàn)市政基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目從策劃、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)項(xiàng)目的全生命周期管理，真正完成項(xiàng)目的整體交付。未來(lái)BIM將會(huì)帶動(dòng)市政行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，業(yè)主、設(shè)計(jì)公司、施工單位、材料供應(yīng)商、運(yùn)維管理公司將由BIM緊密的聯(lián)系起來(lái)，這將是市政行業(yè)的一場(chǎng)全新的變革。

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BIM Technology Application in Urban Tunnel Engineering

Zhu Weinan

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(GROUP)Co.，Ltd.，Shanghai200092,China)

With in-depth application in the field of construction BIM technology in recent years，cases have also made a lot of work and experience，compared with construction，municipal engineering project for the application of BIM technology is relatively lagging behind，especially roads，Bridges，municipal infrastructure such as pipelines and tunnel，complicated construction conditions，the means of design，construction management is still old，investment control is weak，needs through effective technology management，improve the whole quality engineering technology in municipal engineering industry has increasingly in-depth application and promotion.With new Yang Gaona road tunnel project as an example，this paper focuses on the BIM technology application in urban tunnel project.

BIM Technical; 3D Collaborative Design; Engineering Calculation

朱偉南(1983-),男，中級(jí)工程師，上海市政總院數(shù)字工程中心BIM工程師。主要負(fù)責(zé)BIM技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用。

TU17；U452.2;U455

A

1674-7461(2016)05-0071-07