BIM 技術(shù)在上海穿越共同溝地下通道建設(shè)中的應(yīng)用分析

張鵬飛

(上海世博發(fā)展(集團)公司，上海 200125)

1 項目背景

上海世博園區(qū)B 片區(qū)央企總部基地是后世博開發(fā)項目重要組成部分，工程位于世博園區(qū)“一軸四館”西側(cè)，為了實現(xiàn)世博B 片區(qū)央企總部內(nèi)部地下空間大連通，在博成路下方需要設(shè)置3條南北向地下連接通道?，F(xiàn)有博成路東西向橫穿B 片區(qū)央企總部基地，其下方有一條已經(jīng)建成并正在使用的東西走向共同溝，共同溝斷面尺寸為3.3(寬)m ×3.8(高)m。通道采用明挖法施工工藝，施工期間共同溝進行原位保護，難度極大。(圖1)

圖1 2#通道基坑圍護平面示意圖

此外整條共同溝內(nèi)在施工期間處于運營狀態(tài)，內(nèi)部敷設(shè)的電力、電信、上水等管線對沉降敏感度高，保護難度大，因此通道施工需要選擇一種安全性及可靠度的工藝，封閉圍護結(jié)構(gòu)。博成路下的共同溝為保障世博園區(qū)的正常運營起到至關(guān)重要的作用，這也對穿越博成路共同溝的三條地下通道的施工提出了非常嚴(yán)峻的考驗。主要難點如下:

1.1 共同溝的斷面大、管線綜合度高

1.2 共同溝沉降控制要求高

共同溝設(shè)計單位給予施工控制指標(biāo)為伸縮縫差異沉降≤10mm，總沉降量≤20mm;

1.3 共同溝結(jié)構(gòu)復(fù)雜

1.4 共同溝原位保護難度高

由于博成路下方共同溝在完善世博園區(qū)功能上的重要性，故無法在通道施工前對共同溝進行遷改，只能在通道施工期實施原位保護;

1.5 三條通道的基坑圍護體系未封閉

由于共同溝橫穿圍護結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致共同溝斷面范圍內(nèi)的鉆孔灌注樁圍護結(jié)構(gòu)不能連續(xù)施作，間隔的長度為3.3m。3.3m 長的圍護結(jié)構(gòu)如果無法封閉，基坑施工是無法實施的;

1.6 施工影響到承壓水層

三條通道采用明挖法施工，均要穿越上海最大的共同溝，通道頂板距共同溝底板最小凈距僅0.5m;基坑開挖面積較大，距基坑坑底僅2.7m 處就有承壓水層;

1.7 施工現(xiàn)場作業(yè)面小

現(xiàn)場場地較小，機械設(shè)備不容易移位;

1.8 施工工期緊

因此，應(yīng)用BIM 技術(shù)輔助輔助決策、設(shè)計、施工，控制進度和成本成為各方共識。

2 BIM 技術(shù)應(yīng)用

為了能夠兼顧效率和流程，在世博B 片區(qū)央企總部基地，將BIM 的服務(wù)對象定義為既滿足BIM 應(yīng)用的總體要求，同時又能輔助業(yè)主的項目管理工作。為了實現(xiàn)這一BIM 應(yīng)用目標(biāo)，世博B片區(qū)項目在BIM 實施過程中采用了矩陣式的實施/管理體系，如圖2 所示。在這樣的矩陣式BIM 實施/管理體系中領(lǐng)導(dǎo)也對各方的職責(zé)作了明確規(guī)定。

圖2 矩陣式的實施/管理體系

圖3 設(shè)計單位通道BIM 模型

在2013 年8 月份首次應(yīng)用BIM 技術(shù)對2#通道施工方案進行模擬(圖4)了之后，業(yè)主方組織設(shè)計、施工單位，并邀請專家參與評審，對之前的施工方案進行了如下調(diào)整:1)根據(jù)施工模擬后各方提出的建議，設(shè)計單位目前已將第二道鋼支撐南側(cè)的位置進行了調(diào)整，這樣在后期結(jié)構(gòu)施工時大約可節(jié)約半個月的時間;2)另一方面，出于對共同溝底部MJS斜樁施工完成后基坑安全性的考慮，經(jīng)專家評審后MJS 斜樁改為直樁，但考慮到仍有風(fēng)險，原有的封鋼板仍保留，因此次方案調(diào)整對現(xiàn)場施工進度基本無影響;3)受到土質(zhì)情況的影響，基坑邊緣處污水管清障方案由原有的大開挖調(diào)整為施打鋼板樁方案，此處調(diào)整已影響現(xiàn)場的工期。

圖4 2#通道Delmia 施工模擬視頻截圖

2013 年12 月1 日，BIM 工程師和施工單位重新對施工進度進行了模擬，由于現(xiàn)場施工進度已出現(xiàn)拖延，本次模擬已考慮加快挖土和換撐的速度，同時考慮縮短底板的養(yǎng)護時間。截至2013 年12 月17 日，2#通道已完成第四道支撐施工，雖然由于管線清障等因素的影響，施工單位在前期樁基和懸吊施工時比原進度計劃(2013 年8 月版)出現(xiàn)了拖延，但是通過增加作業(yè)班組，加快挖土速度，縮短了延誤的工期，與重新模擬得到的新的進度計劃保持高度的一致，同時如采用技術(shù)手段縮短底板養(yǎng)護時間，再加之第二道換支撐范圍已縮小，無疑為順利通車提供了有利的支持。

對違建處理不能過于強硬，應(yīng)給予建造人一定的時間補辦審批手續(xù)。針對于擴建違章等情況，需要責(zé)令建造人在規(guī)定時間內(nèi)拆除。隨著我國法律制度的不斷完善，超土地建設(shè)情況的發(fā)生率顯著降低。

通過第二次施工進度模擬，驗證了2#通道可以于2014 年4 月底完成道路恢復(fù)，但仍對以下風(fēng)險點進行了預(yù)警:1)天氣因素的影響。由于施工時已進入冬季，會面臨較多的雨雪天，同時氣溫也會降低，或多或少的會影響后期的施工進度;2)管線恢復(fù)由專業(yè)單位進行，進度控制存在一定的困難。

針對天氣因素影響，BIM 工程師建議提前進行人員調(diào)配，在晴好天氣時適當(dāng)增加作業(yè)人員，確保12 月30 日完成底板施工和春節(jié)前完成地下二層中板回筑施工，針對管線恢復(fù)事宜，業(yè)主提前組織有關(guān)專業(yè)單位進場，加強協(xié)調(diào)力度，確保管線恢復(fù)的工期。

3 BIM 技術(shù)的應(yīng)用價值分析

從國內(nèi)外BIM 技術(shù)在工程項目建設(shè)中的應(yīng)用情況看，BIM 可以在項目建設(shè)的各個階段發(fā)揮價值。另外4D 仿真以其直觀可視化特性揭露施工過程中施工空間、設(shè)施、資源之間可能存在的沖突和不足，以利施工計劃的改進，可顯著提高計劃的可實施性。對工程重難點部位，依托模型進行虛擬現(xiàn)實施工，即通過預(yù)拼裝、預(yù)施工可以提前發(fā)現(xiàn)實際施工過程中可能出現(xiàn)的問題或質(zhì)量安全隱患，在施工方案階段就得以優(yōu)化。

在世博B 片區(qū)通道項目中，BIM 的應(yīng)用價值主要在設(shè)計和施工兩階段得到了充分體現(xiàn)。

3.1 BIM 在通道項目設(shè)計階段的應(yīng)用價值

3.1.1 通過BIM 實現(xiàn)可視化設(shè)計，規(guī)避設(shè)計盲點

在設(shè)計初期，應(yīng)用BIM 模型推敲設(shè)計方案的合理性，控制連通道與共同溝之間的空間定位(圖5)。設(shè)計過程隨時可以調(diào)出相應(yīng)的三維截圖，向業(yè)主與專家匯報方案，論證可行性，保證溝通過程中信息的順暢表達，同時也能避免不同設(shè)計主體設(shè)計交互中的信息傳達錯誤。

圖6 校核標(biāo)高

在結(jié)構(gòu)設(shè)計與BIM 設(shè)計相互交流的過程中，可以通過BIM 設(shè)計與二維設(shè)計的校核發(fā)現(xiàn)諸如結(jié)構(gòu)標(biāo)高尺寸不一致、實際圍護樁數(shù)量與設(shè)計圖紙?zhí)峁┑墓こ塘坎环系葐栴}，及時糾正，減少設(shè)計圖紙的變更次數(shù)，提高出圖質(zhì)量(如圖6-7)。

圖7 施工圖精度的三通道與共同溝

圖8 共同溝與地道橫剖面關(guān)系圖

3.1.3 體現(xiàn)設(shè)計細節(jié)，優(yōu)化設(shè)計方案

通過BIM 模型清楚反映了在2 號通道的共同溝處未封閉空間的大小以及斜打樁的最小長度以及平面位置;同時，通過BIM 在設(shè)計工作中的應(yīng)用輔助設(shè)計人員設(shè)計出合理的“增加豎向鋼圍檁+鋼橫列板”的方案，來確?；娱_挖的安全性。

在類似穿越共同溝地下通道施工項目這種復(fù)雜工程設(shè)計方案的形成過程中，通常二維圖紙和效果圖不能完全展示項目形態(tài)，只能依靠BIM 模型來展示(圖8)。通過BIM 模型可以預(yù)警如果施工保障措施不到位將會出現(xiàn)的變形過大，導(dǎo)致基坑失穩(wěn)和共同溝開裂等嚴(yán)重后果。對BIM 暴露出來的工程問題，專家與相關(guān)單位反復(fù)溝通和驗證，重新設(shè)計新的圍護方案，降低了工程的風(fēng)險，推動了工程的順利實施。

3.1.4 高精度BIM 模型，貫通設(shè)計施工

設(shè)計方將完全達到施工深度的BIM 模型交付予施工單位，順利實現(xiàn)工程BIM 信息的有效傳遞與過度。通過后期相互配合與方案討論，施工方在原有靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，預(yù)演了整個工程的施工動態(tài)模擬并合理安排好實施工期，保證施工進度可控。

3.2 BIM 技術(shù)在通道項目施工階段的應(yīng)用價值

3.2.1 BIM 虛擬建造便于對復(fù)雜工序的理解

懸吊下共同溝下土體開挖，共同溝下圍護結(jié)構(gòu)是邊開挖邊封閉鋼板的，一次開挖通常不能暴露過多，并且共同溝下縱橫向支撐挖土也比較困難，通過BIM 演示在挖機高度及開挖范圍內(nèi)確定共同溝下每一次開挖的深度及收土順序，加快開挖速度并保證開挖安全。

3.2.2 BIM 對進度計劃的有效管控

博成路三條地下連通道工程在圍護施工階段，涉及到了鉆孔灌注樁、三軸攪拌樁、高壓旋噴樁、MJS 工法樁，機械設(shè)備比較多，而現(xiàn)場施工場地又非常小，工期非常緊。通過BIM 將三個通道及施工現(xiàn)場3D 模型與施工進度相鏈接，并與施工資源和場地布置信息集成一體，建立4D 施工信息模型。實現(xiàn)建設(shè)項目施工階段工程進度、人力、材料、設(shè)備、成本和場地布置的動態(tài)集成管理及施工過程的可視化模擬。

經(jīng)過反復(fù)分析和斟酌，采用了三款軟件Naviswork(圖9)、Synchro(圖10)、Delmia(圖4)，分別對穿越博城路的地下2 號通道進行了4D 施工模擬，輸出3 個視頻文件并提出工期預(yù)警。

圖9 2#通道Navisworks 施工模擬視頻截圖

圖10 2#通道Synchro 施工模擬視頻截圖

4 結(jié)語

后世博地下空間開發(fā)工程應(yīng)用BIM 技術(shù)輔助決策、設(shè)計、施工是成功的，在確保世博園區(qū)綠色施工，共同溝運營條件下，成功對共同溝圍護結(jié)構(gòu)進行了封閉，保證了基坑開挖的安全及共同溝的穩(wěn)定。目前地下空間開發(fā)正以蓬勃之勢發(fā)展，BIM 技術(shù)非常有價值。本文針對此問題提供了一種新思路及方法，并在下穿共同溝通道中得到很好的應(yīng)用BIM，具有較大的推廣潛力。

在穿博成路共同溝三條地下通道項目中應(yīng)用BIM技術(shù)表明:結(jié)合上海市科委《后世博大型建筑群體數(shù)字化協(xié)同管理關(guān)鍵技術(shù)研究》課題研究，通過BIM 技術(shù)虛擬建造，做到了:一是在技術(shù)上解決了大斷面共同溝下施工明挖地下通道難點;二是安全上保證了運營中共同溝及基坑的安全;三是工期上節(jié)約了40 天，在2013年春節(jié)前完成3 個通道主體結(jié)構(gòu)施工，保證了博成路在亞信峰會前通車要求;四是利用BIM 技術(shù)優(yōu)化工藝，相對比與頂管法節(jié)約了1 100 萬。因此，該項目BIM 技術(shù)的應(yīng)用，是國內(nèi)科研和生產(chǎn)結(jié)合的一個成功典范，也是BIM 技術(shù)應(yīng)用的成功案例。

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