BIM技術(shù)在大型城市隧道工程
——紫之隧道中的應(yīng)用初探

鄭 楠 陳 沉

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 310014)

BIM技術(shù)在大型城市隧道工程
——紫之隧道中的應(yīng)用初探

鄭 楠 陳 沉

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 310014)

BIM技術(shù)作為利用三維幾何模型對建筑按構(gòu)件進行精確表達的信息集成平臺，具有直觀性、可分析性、可共享性和可管理性的特性。國內(nèi)目前最大的城市山體隧道群——杭州市紫之隧道工程在土建第三標(biāo)段中采用BIM技術(shù)作為設(shè)計施工一體化管理平臺，對BIM 技術(shù)在大型隧道工程中的應(yīng)用進行了探索和實踐。

BIM技術(shù)； Microstation PowerCivilR； 隧道三維模型； 集成應(yīng)用

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.12

1 引言

BIM技術(shù)的概念最早由美國的Chuck Eastman博士在三十年前首次提出，后由Autodesk公司基于Autocad平臺進行開發(fā)推廣，發(fā)展至今已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)建筑領(lǐng)域信息技術(shù)應(yīng)用的一大熱點。BIM誕生之初代表Building Information Modeling，意為建筑信息建模，后來，這一概念拓展為Building Information Management[1]。BIM已經(jīng)由最初對建筑按構(gòu)件進行信息化表達，逐漸轉(zhuǎn)化為建筑整體的信息集成； 由單純的建立建筑模型，轉(zhuǎn)化為建筑信息集成和交互的平臺。

BIM技術(shù)在我國大型工程項目中出現(xiàn)許多應(yīng)用實例。在國家游泳中心、上海世博會中國國家館、天津港國際郵輪碼頭、杭州火車東站等國家重點項目中，BIM被作為數(shù)據(jù)集成和項目管理的平臺，已經(jīng)從單穿的技術(shù)應(yīng)用深入到包含成本管理、進度管理、質(zhì)量管理方面的項目管理集成應(yīng)用中來，并向基于網(wǎng)絡(luò)的多方協(xié)同應(yīng)用轉(zhuǎn)變[2-5]。

杭州市紫金港路-之江路隧道工程(以下簡稱紫之隧道)穿越西湖景區(qū)山體，全長14.1km，是國內(nèi)目前最大的城市山體隧道群工程。其設(shè)計、施工、運營各環(huán)節(jié)涉及專業(yè)眾多，施工外部環(huán)境復(fù)雜，工程質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)施工過程管理流程已不能很好適應(yīng)本工程建設(shè)的需要。以杭州市紫之隧道工程為背景，基于Bentley MicrostationRV8i平臺，采用PowerCivilR軟件，以Project WiseR作為數(shù)據(jù)交互平臺，對BIM技術(shù)在大型隧道工程設(shè)計、施工管理過程中的具體應(yīng)用、模型消費、數(shù)據(jù)發(fā)布進行實踐探索。

2 項目概況

2.1 隧道工程概況

紫之隧道(紫金港路-之江路)工程位于浙江省杭州市。隧道南起之浦路，北至紫金港路，穿越西湖西部群山，線路全長約14.1km(西線長14.084 km，東線長14.067 km)，其中隧道長約13.9km，共三條隧道，是全國目前建設(shè)規(guī)模最大的城市山體隧道群工程。工程總體規(guī)模為雙向六車道，為機動車專用隧道，建成后將成為杭州市南北交通大動脈。

2.2 工程特點和難點

紫之隧道土建第Ⅲ標(biāo)段東線隧道長度3 290m，西線隧道長度3 300m，整體為山嶺隧道。該標(biāo)段隧道沿線地形、地質(zhì)情況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)難度大。設(shè)計過程涉及地勘、線路、隧道結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、給排水等9大專業(yè)，十余個子項的設(shè)計內(nèi)容。又由于隧道地處西湖景區(qū)，建設(shè)過程中環(huán)境控制條件嚴格，外部環(huán)境制約條件多，施工場地狹窄，對設(shè)計、施工一體化程度要求高。

圖1 紫之隧道

2.3 BIM應(yīng)用目標(biāo)

為了保證項目實施進度和對項目設(shè)計、施工過程進行有效管理，該標(biāo)段引入BIM技術(shù)框架，作為工程設(shè)計施工一體化管理平臺，在設(shè)計、施工過程中進行設(shè)計方案優(yōu)化，施工成本預(yù)測，施工組織優(yōu)化，實現(xiàn)項目進程把控，信息采集和質(zhì)量控制的管理目的。

2.4 軟件平臺

項目采用Bentley MicrostationR系列軟件作為軟件平臺。整個軟件平臺架構(gòu)分為四個部分：DTM地形三維系統(tǒng)，地質(zhì)三維設(shè)計系統(tǒng)，隧道三維設(shè)計系統(tǒng)和協(xié)同工作平臺。

所采用的BIM應(yīng)用軟件模塊主要為：地質(zhì)三維設(shè)計系統(tǒng) GeostationR，隧道設(shè)計軟件Bentley Powercivil SS4R，以及統(tǒng)一管理環(huán)境和公共數(shù)據(jù)訪問框架的協(xié)同設(shè)計平臺Project Wise。

3 模型建立

紫之隧道土建第三標(biāo)段的BIM模型主要由地形地質(zhì)模型和隧道主體模型兩部分組成。地形、地質(zhì)模型和隧道主體模型的精確定位結(jié)合和全參數(shù)化的隧道主體建模是此次BIM模型最大的特點。

3.1 地形地質(zhì)模型建立

隧道建設(shè)以地形、地質(zhì)條件為背景，精確的地形、地質(zhì)模型的創(chuàng)建是整個隧道BIM建模的基礎(chǔ)。

在隧道模型建模之初，首先確定坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)，列出隧道起點與終點的高程信息、坐標(biāo)信息，在地形地質(zhì)模型中精確定位。通過對項目范圍內(nèi)等高線數(shù)據(jù)進行修正和補全，首先在Bentley GeopackR中將等高線數(shù)據(jù)處理成為數(shù)字三角網(wǎng)，進而形成數(shù)字地面模型。建模流程如圖2所示。在GeostationR軟件環(huán)境中將處理完畢的不同層級地質(zhì)模型以及該區(qū)域所存在的斷層、滑坡體等信息整合為一體，形成紫之隧道Ⅲ標(biāo)地形地質(zhì)模型(見圖3)。

圖2 數(shù)字地面模型創(chuàng)建流程

圖3 地質(zhì)模型

圖4 隧道參數(shù)化橫斷面模板設(shè)計

3.1 參數(shù)化隧道結(jié)構(gòu)模型建立

隧道三維模型的特點是采用Power CivilR平臺下的全參數(shù)化建模方式，優(yōu)勢在于可對結(jié)構(gòu)尺寸，襯砌形式等進行后期修改、更新，避免了重復(fù)建模。

隧道平縱曲線在PowerCivilR軟件中完成空間擬合，精度達到0.01m，并實現(xiàn)了按照樁號進行橫斷面管理。隧道橫斷面建模則可實現(xiàn)全參數(shù)化設(shè)計，即斷面信息可最終由參數(shù)點表達，便于后期模型修改和更新，并創(chuàng)建支護斷面類型庫文件供調(diào)用(見圖4)。隧道襯砌，防水層，兩側(cè)的管溝均關(guān)聯(lián)相對應(yīng)的材料屬性，后期可實現(xiàn)工程量的自動計算和統(tǒng)計。橫斷面與平縱曲線相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)沿空間線路準(zhǔn)確放樣，不同襯砌段間精準(zhǔn)對接。

在橫通道、地下風(fēng)機房連接處等結(jié)構(gòu)相交區(qū)域，利用隧道結(jié)構(gòu)三維模型實現(xiàn)了襯砌的精確相貫，解決了在二維環(huán)境下難以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件表達難題(見圖5)。

圖5 地下風(fēng)機房和風(fēng)井模型

4 BIM模型應(yīng)用

BIM作為基于信息技術(shù)，利用三維幾何模型對建筑按構(gòu)件進行精確表達的集成平臺，具有直觀性、可分析性、可共享性和可管理性的特性。[1][8]BIM模型在工程中的應(yīng)用即是對這四種特性的充分運用。

(1)結(jié)合地質(zhì)屬性查詢，利用BIM模型優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)各專業(yè)聯(lián)動

在土建第Ⅲ標(biāo)段中， 2號、3號隧道洞口間距較小，形成毗鄰隧道，洞口污染物擴散易形成竄流。周邊有龍井茶保護區(qū)、居民點等環(huán)境敏感點。洞口設(shè)計與地形地質(zhì)分析、通風(fēng)井布置、污染物擴散規(guī)律和現(xiàn)場施工場地布置等聯(lián)動，在傳統(tǒng)在二維設(shè)計中難以實現(xiàn)。

利用BIM模型作為數(shù)據(jù)平臺，各專業(yè)設(shè)計成果在統(tǒng)一模型環(huán)境中集成，通過參數(shù)化的模型結(jié)合通風(fēng)分析軟件，結(jié)合地形模型和地質(zhì)信息的讀取完成風(fēng)井和洞口的定位，并通過三維模型進行了現(xiàn)場施工場地優(yōu)化布置和施工機械選型，解決了這一問題。設(shè)計結(jié)果直觀，和現(xiàn)場情況吻合度高，可直接與施工方案銜接，避免了設(shè)計施工過程的重復(fù)，設(shè)計程序得以優(yōu)化。

(2)按里程切取地形地質(zhì)剖面，地質(zhì)屬性查詢配合施工方案的制定

圖6 隧道和地質(zhì)模型剖面圖

地形地質(zhì)模型與隧道模型耦合，隧道BIM模型不單表達隧道自身結(jié)構(gòu)，而且支持選取不同襯砌段生成該襯砌段地質(zhì)縱剖面圖，也能夠輸入任意樁號得到剖面圖，能剖面圖中查詢里程樁號、埋深和地質(zhì)屬性，多個視圖保持聯(lián)動(見圖6)。在施工過程中，勘察信息可直觀的讀取，施工人員能及時掌握掌子面的地層、地質(zhì)信息，對不良地質(zhì)和危險地層進行及時反饋，解決了傳統(tǒng)隧道工程中需根據(jù)平面地質(zhì)圖紙進行開挖面地層推測的問題。

2#隧道西線掌子面施工里程K5+307的白虎灣生態(tài)茶園處為長距離淺埋偏壓地段施工。通過查詢準(zhǔn)確的地質(zhì)模型，掌握開挖掌子面周邊的圍巖地質(zhì)條件、埋深等信息，配合掌子面地質(zhì)情況的變化，及時調(diào)整施工方案，降低了施工風(fēng)險，順利的通過了白虎灣生態(tài)茶園。

(3)工程量精確統(tǒng)計，報表生成、成本分析

圖7 工程量報表

建模完成的精確隧道模型，可對各部分模型進行準(zhǔn)確的工程量提取。隧道工程不同于一般建筑工程，在隧道的開挖過程中，其不可控制的因素相對較多，使得建筑材料實際用量和設(shè)計理論計算差距較大。

PowerCivilR在隧道橫斷面參數(shù)化建模時就對隧道襯砌，鋼筋等構(gòu)件賦予了材料屬性，模型建立后可自動同步生成工程量。

通過在PowerCivilR中所提取的工程量，與施工單位每個月進行的成本分析相結(jié)合，可進行材料的消耗量、各階段的成本的分析，及時掌握原材料使用、調(diào)配情況，對施工過程的成本管控具有重要作用。

(4)進行結(jié)構(gòu)、管線碰撞檢查，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計細部表達，提高施工效率

隧道工程中，匝道隧道與主線隧道連接處、隧道與車行橫通道等結(jié)構(gòu)交匯處等，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給排水、消防管道、強弱電管溝也在此交匯，在二維設(shè)計環(huán)境中難以表達，施工環(huán)節(jié)則需要現(xiàn)場放樣。設(shè)計過程重復(fù)，施工時工期較長，施工質(zhì)量也難以保證。在BIM環(huán)境中，這類空間問題則可以得到快速解決，并能準(zhǔn)確表達，直接供施工階段使用(見圖8)。

圖8 交叉口結(jié)構(gòu)模型

本項目中利用華東院自身開發(fā)的基于MicrostationR平臺運行的鋼筋設(shè)計模塊，完善了隧道結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)了鋼筋這一主要建筑材料的自動配筋(見圖9)，自動計量和大樣生成，在隧道主線與橫通道等結(jié)構(gòu)交叉處可生成精確的鋼筋大樣，對提高了現(xiàn)場施工效率。

圖9 交叉口配筋模型

(5)工程數(shù)據(jù)集成，關(guān)聯(lián)模型，實時查詢

在大型隧道工程中，所需要的圖紙、報表等工程相關(guān)信息、資料數(shù)量龐大。本項目中，BIM模型以隧道三維模型為索引，實現(xiàn)了按樁號查找管理信息、資料的功能。

圖11 I-model及現(xiàn)場交底

隧道襯砌支護、預(yù)支護措施、施工工法，機電附屬工程等設(shè)計文檔按照不同圍巖類型與隧道模型直接關(guān)聯(lián)。用戶可通過模型直接打開關(guān)聯(lián)文件，訪問查詢?nèi)自O(shè)計資料(如圖10)，并可將隧道的施工信息添加進去，進行比對，可及時掌握施工過程中的變動，實現(xiàn)建設(shè)管理問題量化分析，大大提高了隧道工程中信息采集、處理和查詢的效率。

圖10 在模型中查詢相關(guān)圖檔信息

(6)通過ipad，i-model形式以及三維PDF模式實現(xiàn)模型輕量化

本工程的BIM模型及相關(guān)信息最后均可以i-model的形式進行輕量化，打印到PDF中，或發(fā)布到移動終端如iPad、PC機中，進行模型漫游展示，現(xiàn)場決策會商。

(7)結(jié)合監(jiān)測、采購信息，進行隧道運營維護管理

最終的BIM模型還可與第三方監(jiān)測進行結(jié)合，將監(jiān)測信息與模型關(guān)聯(lián)，對現(xiàn)場施工質(zhì)量、安全、工程量及進度進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)評估。也可根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，依照精確的施工進度管理采購計劃，跟蹤合同執(zhí)行情況。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)應(yīng)用于紫之隧道土建第三標(biāo)段設(shè)計、施工和后期運營的全生命周期中，成為項目進行工程數(shù)據(jù)采集，建設(shè)過程集成管理，把控項目進程的綜合管理平臺。起到了縮加快工程建設(shè)進度，節(jié)約建筑材料，優(yōu)化設(shè)計、施工方案的作用，實現(xiàn)了重要的經(jīng)濟和技術(shù)效益。

隨著BIM應(yīng)用軟件的不斷發(fā)展，以及BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的逐步建立，BIM在隧道工程等領(lǐng)域的應(yīng)用點將不斷得以開發(fā)，對于豐富和完善BIM在全建筑行業(yè)的應(yīng)用有良好的補充完善和促進作用。

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Application of BIM Technology in the ZI ZHI Tunnel Project

Zheng Nan， Chen Chen

(PowerchinaHuadongEngineering，Hangzhou310014,China)

BIM technology as the use of three-dimensional geometric model of the building by means of an accurate expression of information integration platform，intuitive，analyzable，can be shared and manageability features.BIM technology currently used for large construction projects，in the tunnel project is rarely applied precedent.In this Article，in the background of the largest city tunnel group-Hangzhou purple tunnel engineering，explore the Application of BIM technology in large-scale tunnel project.

BIM Technology； Microstation PowerCivilR； 3D Tunnel Model； Integrated Application

鄭楠(1984-)，女，工學(xué)碩士，工程師。主要從事隧道及地下空間的設(shè)計及研究工作。

TU17

A

1674-7461(2016)05-0065-06