深中通道人工島建設(shè)“揭秘”

文｜王帥 魯盛

圖1 深中通道位置示意圖

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在沿海地區(qū)特別是沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，土地、岸線資源日益緊張，一些影響國計(jì)民生的重大建設(shè)項(xiàng)目已經(jīng)無地可用，適合港口建設(shè)的優(yōu)良岸線也所剩不多，為了尋找新的岸線和土地資源，人們逐步把目光投向海洋，近年來填海造地呈現(xiàn)加快的趨勢。由于人工島具有周邊空間開闊、受到干擾小、拓展空間廣闊、可創(chuàng)造深水岸線和對(duì)生態(tài)影響相對(duì)較小的特點(diǎn)，可以避免沿岸圍墾所造成的生態(tài)影響，因此，以人工島為主要開發(fā)方式和載體的海洋資源開發(fā)越來越受到行業(yè)的認(rèn)可和重視。目前采用人工島形式建設(shè)的項(xiàng)目主要包括海上油氣平臺(tái)、海上機(jī)場、深水港口、海上城市、工業(yè)島以及海上橋隧轉(zhuǎn)換的人工島銜接等。

BIM作為一種全新的理念和技術(shù)，正在引發(fā)工程建設(shè)行業(yè)一次史無前例的變革。BIM源自美國，逐漸擴(kuò)展到歐洲、亞洲的日本及新加坡等發(fā)達(dá)國家。我國從2003年開始引進(jìn)BIM技術(shù)，近年來政府相關(guān)單位、各行業(yè)協(xié)會(huì)與專家、設(shè)計(jì)單位、施工企業(yè)、科研院校等陸續(xù)開始重視并推廣BIM，然而目前我國BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用都主要集中在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)，其他行業(yè)包括水運(yùn)建設(shè)行業(yè)均處在起步階段。為了加快BIM技術(shù)在水運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，有必要盡快開展水運(yùn)工程BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)BIM應(yīng)用軟件等方面的應(yīng)用和研究。

研究表明，BIM作為支撐建設(shè)行業(yè)的新技術(shù)，涉及不同應(yīng)用方、不同專業(yè)、不同項(xiàng)目階段的應(yīng)用，絕非一個(gè)或一類軟件可以解決的，BIM的發(fā)展離不開軟件的支持。本文立足于實(shí)際工程項(xiàng)目，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)在深圳至中山跨江通道西人工島BIM應(yīng)用過程中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)人工島BIM應(yīng)用的成套解決方案進(jìn)行研究和探討，希望以此推動(dòng)BIM在水運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。

新技術(shù)助力世界級(jí)重大跨海交通工程

深圳至中山跨江通道位于我國廣東省珠江中游核心區(qū)域，東起深圳機(jī)場南側(cè)，終于中山馬鞍島橫門，將珠江口東岸深莞惠經(jīng)濟(jì)區(qū)與西岸的江中珠經(jīng)濟(jì)區(qū)近距快捷地連接起來，該通道北距虎門大橋約30km，南距港珠澳大橋約40km。本工程是集超寬超長海底隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程，規(guī)?？涨啊⒔ㄔO(shè)條件異常復(fù)雜、綜合技術(shù)難度再上新高，是我國繼港珠澳大橋之后的又一項(xiàng)世界級(jí)的重大跨海交通工程。

工程建設(shè)內(nèi)容包括沉管隧道，伶仃航道橋、橫門東航道橋以及其他非通航孔橋，東、西人工島，三座碼頭，沉管預(yù)制場及浮運(yùn)航道，特種裝備海洋平臺(tái)專用航道，龍橫航道，施工航道等。其中，人工島總體設(shè)計(jì)和島體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司負(fù)責(zé)完成，人工島的基本功能是通過填海筑島形成穩(wěn)定陸域，實(shí)現(xiàn)海上橋梁與隧道的順暢銜接，滿足島上建筑物的布置需要，并提供基本掩護(hù)功能，保障主體建筑物的正常運(yùn)營。

本項(xiàng)目所有專業(yè)BIM建模內(nèi)容包括：三維地質(zhì)、基坑開挖回填、島壁結(jié)構(gòu)（鋼圓筒、島堤結(jié)構(gòu)和扭王塊體護(hù)面等）、地基處理以及施工碼頭等。BIM技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于人工島工程技術(shù)手段及設(shè)計(jì)理念將產(chǎn)生重大影響，從而為項(xiàng)目施工建造提供必要的信息模型和技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)提高工程質(zhì)量效益、數(shù)字化管理水平等方面也具有很好的促進(jìn)作用。

本項(xiàng)目以Bentley系列軟件為基礎(chǔ)，搭建項(xiàng)目數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)深中通道人工島設(shè)計(jì)過程信息模型的建立及相關(guān)深化應(yīng)用。平臺(tái)涉及的主要BIM軟件及其在項(xiàng)目BIM實(shí)施過程中所扮演的主要角色如表1所示。

人工島BIM應(yīng)用提高效率

以本項(xiàng)目西人工島BIM實(shí)施為例，主要應(yīng)用過程包括：建立項(xiàng)目信息協(xié)同管理平臺(tái)；建立各專業(yè)BIM設(shè)計(jì)模型；基于BIM模型進(jìn)行必要的工程分析；建立BIM綜合模型進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)；基于BIM模型優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過BIM模型生成二維視圖等。

BIM協(xié)同設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)不同，將基于統(tǒng)一的BIM模型數(shù)據(jù)源，保持?jǐn)?shù)據(jù)良好的關(guān)聯(lián)性與一致性，完成高度的數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的充分使用。深中通道西人工島工程的BIM應(yīng)用，基于ProjectWise（以下簡稱PW）協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，如圖2所示，利用流程管理、權(quán)限管理及知識(shí)積累功能，以文件級(jí)協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的集中存儲(chǔ)與訪問，從而縮短項(xiàng)目周期，增強(qiáng)信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，提高各參與方協(xié)同工作的效率。

表1 項(xiàng)目人工島BIM實(shí)施主要使用軟件列表

對(duì)于一個(gè)大型工程而言，其工程范圍往往很大，甚至達(dá)到幾百公里以上，雖然很多結(jié)構(gòu)模型比較復(fù)雜，但是往往不同結(jié)構(gòu)段可能會(huì)采用相同結(jié)構(gòu)形式或由相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過組合而成，如果對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行建模，毫無疑問將增加很多重復(fù)性的工作，使得工作效率大打折扣，同時(shí)也會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)的負(fù)荷。因此，要強(qiáng)化分專業(yè)、分區(qū)，用不同的圖紙來存儲(chǔ)模型的概念。不同專業(yè)的模型，應(yīng)分成不同的文件存儲(chǔ)，通過參考的方式來進(jìn)行總裝，盡量減小一個(gè)文件的存儲(chǔ)負(fù)荷。

專業(yè)內(nèi)的不同構(gòu)件對(duì)象，可以采取分文件的方式建模，使用文件參考組裝。尺寸規(guī)格相同的構(gòu)件重復(fù)使用時(shí)，應(yīng)盡量使用“共享單元”的形式插入，可以有效地控制文件大小。如結(jié)構(gòu)模型，多結(jié)構(gòu)段模型相同則無需將模型重復(fù)復(fù)制，僅需要在總裝模型上對(duì)同一層模型進(jìn)行重復(fù)參考，并修改標(biāo)高即可。人工島模型的裝配分四個(gè)層級(jí)（項(xiàng)目總裝、專業(yè)分裝、結(jié)構(gòu)組裝和設(shè)計(jì)模型）進(jìn)行，裝配層級(jí)關(guān)系如圖3所示。

圖2基于ProjectWise的深中通道西人工島項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

圖3深中通道人工島模型裝配層級(jí)關(guān)系圖

圖4西人工島三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建

圖5基于GeoPak建立的基坑開挖及回填模型

人工島BIM建模過程。地勘資料是工程建設(shè)的基礎(chǔ)資料，工程區(qū)的地質(zhì)分布情況是相關(guān)設(shè)計(jì)工作的重要依據(jù)，而三維地質(zhì)模型能夠全方位呈現(xiàn)地層環(huán)境和巖性分布情況，為人工島結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更加科學(xué)的判斷依據(jù)。本項(xiàng)目采用華創(chuàng)匯翔基于MicroStation開發(fā)的三維地質(zhì)模型系統(tǒng)，建模過程主要包括數(shù)據(jù)庫端的地質(zhì)勘探鉆孔信息數(shù)據(jù)錄入管理和圖形端的三維地質(zhì)模型建立兩大部分。首先，根據(jù)地勘資料在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫端依次對(duì)地層環(huán)境、巖性環(huán)境、鉆孔布置、鉆孔巖性分布和地質(zhì)勘探線布置等信息進(jìn)行錄入和設(shè)置，待所有信息核對(duì)無誤后，接著在系統(tǒng)圖形端導(dǎo)入鉆孔和勘探剖面巖性分布信息，并依據(jù)上述信息建立人工島三維地質(zhì)模型，地質(zhì)模型成果如圖4所示。

由于工程區(qū)覆蓋層上部土體整體承載力強(qiáng)度均較低，壓縮性高，不宜直接作為隧道及人工島的基礎(chǔ)持力層，因此需采用基坑開挖回填中粗砂的方案，對(duì)上述覆蓋層進(jìn)行軟土處理，將人工島島壁結(jié)構(gòu)下方淤泥進(jìn)行挖除并換填中粗砂。結(jié)合軟件平臺(tái)的特點(diǎn)，選用GeoPak建立西人工島基坑開挖回填模型，如圖5所示。

島壁結(jié)構(gòu)BIM建模內(nèi)容主要包括鋼圓筒及弧形副格倉、島堤結(jié)構(gòu)以及扭王塊體護(hù)面等。本項(xiàng)目采用大直徑鋼圓筒沿人工島外圈振沉至持力層，并在圓筒之間打設(shè)鋼弧板構(gòu)成副格倉，構(gòu)筑安全、可靠的隧道基坑施工期止水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速成島止水的同時(shí)，避免了傳統(tǒng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了島上隧道施工的作業(yè)面。利用MicroStation軟件在人工島的整體定位軸網(wǎng)中建立了鋼圓筒及弧形副格倉的三維模型，如圖6所示。

圖6鋼圓筒及副格倉模型的創(chuàng)建

圖7基于OBM的島堤結(jié)構(gòu)（非轉(zhuǎn)角堤段和階梯擋浪墻）建模

圖8基于PC的島堤結(jié)構(gòu)（島頭轉(zhuǎn)角復(fù)雜堤段）建模

圖9扭王塊體建模及島堤護(hù)面扭王塊體的擺放

三維建模破解難題

島堤結(jié)構(gòu)作為人工島的主體擋浪結(jié)構(gòu)，在建模過程中存在一些技術(shù)難點(diǎn)，如島堤結(jié)構(gòu)與前期開挖后的地形相交，與地基處理模型相切，與施工碼頭結(jié)構(gòu)相切，按等間距施工縫擺放階梯擋浪墻等，上述這些問題使建模難度加大，單純依靠一款專業(yè)軟件很難解決所有問題。在綜合相關(guān)軟件主要優(yōu)勢和特點(diǎn)的情況下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)考慮同時(shí)采用專業(yè)線性建模軟件PowerCivil（簡稱PC）和Open Bridge Modeler（簡稱OBM）進(jìn)行建模，利用PC完成島堤放坡段及轉(zhuǎn)彎處結(jié)構(gòu)的建模，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與地形的自然銜接以及轉(zhuǎn)彎處結(jié)構(gòu)的平滑過渡；利用OBM完成堤身主體結(jié)構(gòu)和階梯狀擋浪墻的建模，解決島堤與其他結(jié)構(gòu)物的切割問題以及按等間距施工縫擺放擋浪墻的問題。建模過程分別如圖7與圖8所示。

此外，堤身護(hù)面扭王塊體的擺放在設(shè)計(jì)和施工階段也一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，如何擺放能夠達(dá)到比較好的消浪效果和如何從成本角度控制塊體的數(shù)量等問題到目前為止還沒有一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)論。本項(xiàng)目人工島島堤堤身軸線方向?yàn)椴灰?guī)則弧線設(shè)計(jì)，堤身護(hù)面塊體的擺放較規(guī)則護(hù)面而言更加復(fù)雜，在建立本項(xiàng)目島堤扭王塊體護(hù)面模型時(shí)，將不規(guī)則護(hù)面拆分為若干個(gè)規(guī)則護(hù)面，然后再在規(guī)則護(hù)面上按照交錯(cuò)布置的原則整齊擺放扭王塊體。實(shí)際操作中，利用MicroStation CONNECT版本提供的接口，通過二次開發(fā)MDL應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了任意平面塊體擺放的功能，很好地解決了扭王塊體護(hù)面建模的問題，大大提高了建模的效率。扭王塊體護(hù)面模型如圖9所示。

陸域形成和地基處理設(shè)計(jì)范圍包括島壁結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)回填和地基處理、島壁結(jié)構(gòu)地基處理（擠密砂樁和鋼圓筒內(nèi)地基處理）。根據(jù)施工工序的安排，首先要在西小島鋼圓筒基坑側(cè)采用3排高壓旋噴樁進(jìn)行止水，然后按照西小島、西大島、鋼圓筒的工程范圍分別進(jìn)行地基處理，形成陸域。陸域形成回填與軟基處理堆載相結(jié)合，降水聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后能達(dá)到工后沉降要求，考慮原狀土預(yù)壓處理固結(jié)沉降以及回填砂自身的振沖密實(shí)。結(jié)合陸域形成和地基處理的設(shè)計(jì)方案，利用MicroStation建立各施工工序的三維可視化模型，如圖10所示，可用于人工島施工過程的模擬和施工方案的優(yōu)化。

西人工島北側(cè)設(shè)置有施工碼頭一座，采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，按200噸級(jí)救援船舶靠泊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其基本功能是為深中通道橋、島、隧提供交通事故應(yīng)急救援或人員緊急轉(zhuǎn)移等基本救援保障功能。施工碼頭的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于碼頭前后方與島壁銜接處均為弧線，難以確定基床平面圖的邊緣線；同時(shí)由于碼頭后方與大圓筒相連，致使墻后回填塊石的工程量難以統(tǒng)計(jì)。通過AECOsim Building Designer（簡稱ABD）建立施工碼頭模型，幫助設(shè)計(jì)人員確定基床輪廓線，同時(shí)能夠方便地統(tǒng)計(jì)施工碼頭工程量。

施工碼頭的建模思路為將預(yù)制沉箱、系靠船設(shè)備和四腳空心方塊等對(duì)其他工程有使用價(jià)值的構(gòu)件建立單元，豐富水運(yùn)工程項(xiàng)目單元庫，如圖11所示。

對(duì)于拋石基床、回填塊石以及面層墊層等僅針對(duì)本項(xiàng)目的構(gòu)件，使用MicroStation進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，并通過ABD對(duì)其賦予屬性信息。首先編輯屬性定義，定義工程所需的屬性信息，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)豐富數(shù)據(jù)組的目的；然后定義各構(gòu)件名稱并添加相應(yīng)屬性信息，亦可實(shí)現(xiàn)豐富數(shù)據(jù)組對(duì)象的目的。待上述各個(gè)構(gòu)件建立完畢后，即可將其進(jìn)行定位組裝形成最終的施工碼頭三維可視化模型，如圖12所示。

單一的素混凝土往往難以滿足結(jié)構(gòu)所需承擔(dān)荷載的要求，鋼筋的布置可大大提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，因此，配筋工作是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。施工碼頭的胸墻及沉箱部分為鋼筋混凝土材料，需對(duì)其進(jìn)行鋼筋布置，以滿足結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度要求。本項(xiàng)目采用華創(chuàng)匯翔基于MicroStation開發(fā)的三維配筋系統(tǒng)進(jìn)行配筋。在建立結(jié)構(gòu)三維配筋模型之前，需根據(jù)規(guī)范確定如混凝土等級(jí)、各配筋面保護(hù)層厚度等參數(shù)，然后依據(jù)專業(yè)規(guī)范及配筋計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)各面層的布筋間距及鋼筋類型，確定內(nèi)外鋼筋的布筋方向。在鋼筋信息確定無誤之后，將信息錄入到面布筋選項(xiàng)中，即可布置多種類型及型式的鋼筋組，鋼筋組的信息同步存儲(chǔ)于配筋體的各個(gè)面上。此外，在完成結(jié)構(gòu)的三維配筋模型之后需對(duì)模型進(jìn)行校核，確保模型的準(zhǔn)確性。施工碼頭沉箱及胸墻三維配筋模型如圖13所示。

圖10西人工島陸域形成及地基處理模型

圖11 水運(yùn)工程項(xiàng)目元件庫的建立

圖12沉箱結(jié)構(gòu)建模及施工碼頭整體結(jié)構(gòu)模型的組裝

圖13施工碼頭沉箱及胸墻結(jié)構(gòu)三維配筋模型

圖14深中通道西人工島BIM模型成果

數(shù)字化平臺(tái)提升項(xiàng)目管控水平

本項(xiàng)目基于數(shù)字化平臺(tái)，利用先進(jìn)的BIM技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了深中通道西人工島各專業(yè)BIM模型的創(chuàng)建，順利完成了人工島項(xiàng)目實(shí)施，最終整體BIM模型成果如圖14所示。

圖15深中通道西人工島BIM模型應(yīng)用展示

同時(shí)，為了發(fā)揮BIM更大的價(jià)值，從可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等特征出發(fā)，本項(xiàng)目完成了基于深中通道人工島BIM模型的深化應(yīng)用，如：實(shí)現(xiàn)了專業(yè)間可視化協(xié)同及設(shè)計(jì)優(yōu)化復(fù)核，輸出二維圖紙及屬性信息和工程量的快速統(tǒng)計(jì)，基于BIM模型的施工工序模擬以及移動(dòng)端應(yīng)用等，如圖15所示。

本項(xiàng)目的順利實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了人工島BIM信息化立體模型的建立，展現(xiàn)了BIM技術(shù)在人工島項(xiàng)目中對(duì)于提高工效、確保質(zhì)量、提升項(xiàng)目管控水平等方面的重要應(yīng)用價(jià)值。通過BIM手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)方案及施工工序的模擬分析，直觀形象地展示了工程全貌，各專業(yè)間實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)成果及信息的有效傳遞和交互式溝通，并改變了傳統(tǒng)的人工繪圖及算量模式，從而大幅提升了人員工作效率及設(shè)計(jì)成果質(zhì)量，同時(shí)對(duì)于節(jié)約項(xiàng)目工期及成本、提升項(xiàng)目效益及數(shù)字化管理水平也具有重要促進(jìn)作用。

BIM在深中通道西人工島項(xiàng)目中的應(yīng)用，是BIM在水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的一次嘗試和探索。通過BIM技術(shù)手段的運(yùn)用，充分發(fā)揮了BIM在可視化、仿真性、協(xié)同性和一體化等方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢，為人工島工程項(xiàng)目在三維展示、優(yōu)化設(shè)計(jì)、協(xié)同工作和施工模擬等方面發(fā)揮了重要作用，這是傳統(tǒng)技術(shù)手段所不具備的。數(shù)字化平臺(tái)在深中通道西人工島BIM設(shè)計(jì)過程的成功應(yīng)用，表明該數(shù)字化平臺(tái)能夠滿足人工島設(shè)計(jì)建模的各項(xiàng)要求，同時(shí)能夠適應(yīng)后續(xù)橋梁和隧道工程的技術(shù)銜接，因此該數(shù)字化平臺(tái)符合人工島項(xiàng)目BIM整體實(shí)施的相關(guān)需要。

雖然BIM作為一種全新的理念和技術(shù)，具有無可比擬的優(yōu)勢，但與國外相比，我國現(xiàn)有的行業(yè)體系仍不統(tǒng)一，缺乏較完善的BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各行業(yè)BIM應(yīng)用大環(huán)境不夠成熟，推廣難度較大。BIM技術(shù)和理念的推廣普及仍然面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，尤其是在BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)的制定、BIM軟件平臺(tái)的開發(fā)和各行業(yè)BIM應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新探索等方面，還需要經(jīng)歷一個(gè)積累、探索和創(chuàng)新的過程。