BIM在地下連通道項(xiàng)目中的應(yīng)用—以上海世博園區(qū)央企總部基地項(xiàng)目為例

曹曉瑾（上海建科工程咨詢有限公司，上海200032）

1 項(xiàng)目概述

上海世博園區(qū) B 片區(qū)央企總部基地項(xiàng)目位于世博園區(qū)“一軸四館”西側(cè)。工程規(guī)劃用地面積約18.72 hm2，地上總建筑面積約60萬(wàn)m2，地下總建筑面積約40萬(wàn)m2。

在世博園區(qū) B 片區(qū) B02、B03 地塊之間原道路規(guī)劃設(shè)計(jì)一條東西走向的市政公共道路—博成路；博成路下方是一條已經(jīng)建成并正在使用的東西走向共同溝。為了實(shí)現(xiàn)地下空間統(tǒng)一開(kāi)發(fā)，需要建設(shè)一條地下連通道，橫穿共同溝。

2 項(xiàng)目難點(diǎn)分析

共同溝也稱為“地下綜合管廊”。在該共同溝中，集中了通訊、電力、熱力、燃?xì)?、上水等各種市政管線。該項(xiàng)目的共同溝，其截面尺寸 3.3m×3.8m，是目前上海市最大的一條共同溝。共同溝內(nèi)敷設(shè)有多種專業(yè)的管道，如給水管、排水管、電力管線、通信管線、消防噴淋管線等，用于高效保障世博園區(qū)的正常運(yùn)營(yíng)。

圖1 共同溝內(nèi)部布置圖

博成路下共同溝內(nèi)部布置有伸縮縫及上水管，施工沉降最直接的影響是使共同溝主體結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成共同溝開(kāi)裂漏水；間接會(huì)對(duì)有壓管道帶來(lái)破壞。二者對(duì)于差異沉降非常敏感。因此共同溝設(shè)計(jì)單位對(duì)施工控制指標(biāo)非常嚴(yán)格。

共同溝與1號(hào)通道相交的長(zhǎng)度為 9.4m，與2號(hào)通道相交的長(zhǎng)度為 19.2m，與3號(hào)通道相交的長(zhǎng)度為 9.3m。共同溝與1號(hào)和3號(hào)通道相交的斷面為連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)斷面，斷面形式單一。共同溝與2號(hào)通道相交的斷面較為復(fù)雜，除了標(biāo)準(zhǔn)斷面外，還有共同溝通風(fēng)口及共同溝伸縮縫。共同溝通風(fēng)口內(nèi)設(shè)有防火門及 180 mm 厚防火隔墻，共同溝伸縮縫相當(dāng)于將共同溝截成兩端，原本的共同溝為超靜定結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在變?yōu)閮蓚€(gè)懸臂體系，在同等情況下將產(chǎn)生更大的位移，不利于共同溝懸吊的實(shí)施，也加大了沉降控制的難度。在通道施工期實(shí)施原位保護(hù)的難度很大。

共同溝在實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施功能集聚的同時(shí)，給地下空間開(kāi)發(fā)的原位保護(hù)帶來(lái)了難度。目前在城區(qū)通常采用懸吊法對(duì)管線進(jìn)行原位保護(hù)，共同溝相對(duì)于管線斷面，面積更大、重量更重(標(biāo)準(zhǔn)段重量 12.47 t/m，通風(fēng)口斷面結(jié)構(gòu)自重荷載28.27 t/m)、尺寸更大(標(biāo)準(zhǔn)段斷面 3.3m×3.8m，通風(fēng)口斷面5m×6.2m)，因此懸吊保護(hù)難度更高，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)懸吊案例。

圖2 共同溝斷面布置圖

博成路地下連通道位于博成路下方，施工現(xiàn)場(chǎng)總寬度不到 30m，屬于長(zhǎng)條形場(chǎng)地，而該工程設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁型多樣，有鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、三軸攪拌樁、MJS工法樁。由于工期緊，勢(shì)必要考慮各種設(shè)備交叉施工，但是各個(gè)設(shè)備本身體積大，各自的操作后臺(tái)也較大；同時(shí)水泥、鋼筋等材料需進(jìn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)需要保留一條交通要道，而且鋼筋、格構(gòu)柱、水泥等材料還需提供材料加工場(chǎng)地和堆放場(chǎng)地，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地較小，機(jī)械設(shè)備不容易移位。

3 項(xiàng)目難點(diǎn)解決方案分析

如何對(duì)共同溝進(jìn)行保護(hù)和確保基坑開(kāi)挖的穩(wěn)定性，直接影響到本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，因此有必要對(duì)基坑安全及周邊環(huán)境保護(hù)提出更高的要求。

在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段，優(yōu)先考慮了盾構(gòu)及頂管等非開(kāi)挖技術(shù)。但是擬建場(chǎng)地下障礙物異常復(fù)雜，盾構(gòu)及頂管在推進(jìn)過(guò)程中將面臨共同溝下開(kāi)倉(cāng)換刀、盾構(gòu)及頂管機(jī)被埋等風(fēng)險(xiǎn)，所以盾構(gòu)及頂管方案遭到了排除。

圖3 2號(hào)聯(lián)通道矩形頂管斷面

另外，在基坑開(kāi)挖上，原先考慮采用冷凍法等暗挖技術(shù)，即先對(duì)地下通道基坑的開(kāi)挖范圍實(shí)施冷凍作業(yè)；待凍結(jié)壁厚度滿足開(kāi)挖要求后，實(shí)施開(kāi)挖作業(yè)。但由于在工期上滿足不了要求，因此冷凍法工藝也遭到了排除。

在以上兩項(xiàng)技術(shù)都不能滿足施工要求的情況下，通道只能選用明挖法施工工藝，即通道施工前先封閉博成路；待完成結(jié)構(gòu)及道路修復(fù)后恢復(fù)通車。但明挖法施工工藝較為繁瑣，開(kāi)挖期間需要克服大斷面共同溝懸吊、止水帷幕不封閉等難點(diǎn)；再則，博成路移交時(shí)間緊迫，因此在通道中采用BIM三維虛擬施工建造技術(shù)就顯得異常重要。

3.1 BIM 在懸吊設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

懸吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用BIM模型淘汰了原先的花籃螺絲方案，采用受力簡(jiǎn)單的精軋螺紋鋼方案，克服了局部應(yīng)力集中的問(wèn)題。

圖4 花籃螺絲方案

圖5 精軋螺紋鋼方案

3.2 BIM 在懸吊實(shí)施階段的應(yīng)用

整體懸吊系統(tǒng)的BIM模型，在懸吊施工前實(shí)施場(chǎng)地、材料和設(shè)備的統(tǒng)一規(guī)劃布置，可以加快懸吊施工效率，從而能避免共同溝下土體暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。另外，還可以比較合理地確定懸吊施工順序，方便施工人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工和把控。

圖6 懸吊系統(tǒng)整體模型

4 BIM 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值分析

從國(guó)內(nèi)外BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用情況來(lái)看，BIM 可以在項(xiàng)目建設(shè)的各個(gè)階段發(fā)揮作用。在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段，可以將初步概念模型置入擬建的環(huán)境中形成建筑環(huán)境模型，獲得建設(shè)項(xiàng)目在景觀、氣流、日照等環(huán)境的信息，為建設(shè)方提供決策參照信息；通過(guò)初步設(shè)計(jì)模型的建立，反映建設(shè)方對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的基本功能和需求，為后續(xù)設(shè)計(jì)定位提供依據(jù)；通過(guò)BIM可以對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢查，如專業(yè)規(guī)范檢查、模型與圖紙的一致性檢查、模型精細(xì)度和準(zhǔn)確性核查、跨專業(yè)的碰撞檢查等，提高工程的可建造性；針對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)工程難度較大及專業(yè)性強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、機(jī)電安裝等進(jìn)行深化設(shè)計(jì)建模、參數(shù)檢測(cè)與核算、細(xì)部節(jié)點(diǎn)細(xì)化等，也可以利用BIM進(jìn)行三維深化設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目施工階段，可依照施工場(chǎng)地的布設(shè)方案建模，對(duì)實(shí)際施工過(guò)程中的施工路徑、大型設(shè)施、材料堆放、人員安全通行及防火設(shè)施布置等進(jìn)行仿真模擬，為施工組織設(shè)計(jì)提供優(yōu)化依據(jù)。另外，四維仿真以其直觀可視化的特性揭示施工過(guò)程中施工空間、設(shè)施、資源之間可能存在的沖突和不足，以利于施工計(jì)劃的改進(jìn)，可顯著提高計(jì)劃的可實(shí)施性。對(duì)工程重難點(diǎn)部位，依托模型進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)施工，即通過(guò)預(yù)拼裝和預(yù)施工可以提前發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題或質(zhì)量安全隱患，在施工方案階段就得以優(yōu)化。

通過(guò)世博項(xiàng)目BIM團(tuán)隊(duì)的實(shí)踐和總結(jié)，筆者認(rèn)為，在世博 B 片區(qū)通道項(xiàng)目中，BIM 的應(yīng)用價(jià)值主要在設(shè)計(jì)和施工兩階段得到了充分體現(xiàn)。

4.1 BIM 在通道項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用價(jià)值

4.1.1 減少設(shè)計(jì)變更，提高出圖準(zhǔn)確性

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與BIM設(shè)計(jì)相互交流的過(guò)程中，可以通過(guò)BIM 設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)的校核，發(fā)現(xiàn)諸如結(jié)構(gòu)標(biāo)高尺寸不一致、實(shí)際圍護(hù)樁數(shù)量與設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑墓こ塘坎环系葐?wèn)題，及時(shí)糾正，減少設(shè)計(jì)圖紙的變更次數(shù)，提高出圖的質(zhì)量。

圖7 校核標(biāo)高

圖8 施工圖精度的三通道與共同溝

4.1.2 體現(xiàn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

通過(guò)BIM模型清晰地反映了2號(hào)通道在共同溝處未封閉空間的大小、斜打樁的最小長(zhǎng)度及平面位置。同時(shí)，通過(guò)在設(shè)計(jì)工作中的BIM應(yīng)用輔助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出合理的“增加豎向鋼圍檁+鋼橫列板”的方案，來(lái)確?；娱_(kāi)挖的安全性。

在類似穿越共同溝地下通道施工項(xiàng)目的復(fù)雜工程設(shè)計(jì)方案的形成過(guò)程中，通常二維圖紙和效果圖不能完全展示項(xiàng)目形態(tài)，只能依靠BIM模型來(lái)展示。通過(guò)BIM模型可以對(duì)施工保障措施不到位出現(xiàn)的變形過(guò)大而導(dǎo)致基坑失穩(wěn)及共同溝開(kāi)裂等嚴(yán)重后果作出預(yù)警。對(duì)BIM預(yù)警出來(lái)的工程問(wèn)題，專家及相關(guān)單位反復(fù)溝通和驗(yàn)證，重新設(shè)計(jì)新的圍護(hù)方案，降低了工程的風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)了工程的順利實(shí)施。

4.1.3 用高精度BIM模型貫通設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)

設(shè)計(jì)方將完全達(dá)到施工深度的BIM模型交付給施工單位，順利實(shí)現(xiàn)工程BIM信息的有效傳遞與過(guò)渡。通過(guò)后期相互配合和對(duì)方案的討論，施工方在原有靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，預(yù)演了整個(gè)工程的施工動(dòng)態(tài)模擬并合理安排好實(shí)施工期，保證施工進(jìn)度可控。

圖10 共同溝與地道橫剖面關(guān)系圖

4.2 BIM 技術(shù)在通道項(xiàng)目施工階段的應(yīng)用價(jià)值

4.2.1 BIM 虛擬建造便于對(duì)復(fù)雜工序的理解

在建筑工程施工過(guò)程中，施工組織設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，能夠?yàn)槭┕ぶ该鞣较?，大幅提高施工效率。?duì)于共同溝懸吊的保護(hù)，通過(guò)BIM獨(dú)立編制施工組織設(shè)計(jì)，以形象化的方式演示了挖機(jī)、圍檁施工和土方開(kāi)挖的施工過(guò)程。在得到上級(jí)批準(zhǔn)后，才可以進(jìn)入正式施工階段，加快了開(kāi)挖速度并保證開(kāi)挖安全，進(jìn)而加快了建筑施工的進(jìn)程。

4.2.2 BIM 對(duì)進(jìn)度計(jì)劃的有效管控

地下連通道在施工過(guò)程中，需要進(jìn)行鉆孔灌注樁、三軸攪拌樁、高壓旋噴樁、MJS 工法樁等的施工，所使用的機(jī)械設(shè)備多，現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地狹小、工期緊。在BIM工作環(huán)境下，BIM 模型可以與施工單位的進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，將模型中的每一個(gè)構(gòu)件、部位施工與具體的施工時(shí)間結(jié)合，同時(shí)與施工資源和場(chǎng)地布置信息集合成一體，為決策者帶來(lái)更多參考價(jià)值。

5 BIM 技術(shù)的應(yīng)用體會(huì)

5.1 BIM 應(yīng)用需要有流程為支撐

在BIM應(yīng)用于通道項(xiàng)目之初，整個(gè)團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有事先建立起一套完善的BIM應(yīng)用流程，后續(xù)許多工作的開(kāi)展及各家單位之間的溝通協(xié)作都是在摸索中進(jìn)行的。盡管如此，通過(guò)對(duì)2號(hào)通道應(yīng)用BIM進(jìn)行施工模擬，團(tuán)隊(duì)仍總結(jié)出了在該項(xiàng)BIM應(yīng)用中的一般流程。

BIM 的價(jià)值遠(yuǎn)不止用于施工模擬這一點(diǎn)。如果要在一個(gè)項(xiàng)目的全生命周期運(yùn)用BIM輔助項(xiàng)目管理，那么事先制訂出一套合理的工作流程顯得更為重要。只有在一套各方明確并認(rèn)可的工作流程下，BIM 應(yīng)用工作才能高效有序地開(kāi)展。

5.2 BIM 應(yīng)用需要各方協(xié)作

應(yīng)用BIM技術(shù)最好的模式是 IPD，即基于BIM技術(shù)的綜合項(xiàng)目交付，各方從項(xiàng)目建設(shè)初期就介入項(xiàng)目，使更多的人涉入某些他們應(yīng)該涉入的事，并且聯(lián)合做決定。而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的項(xiàng)目開(kāi)展模式大多為 DB，即：首先設(shè)計(jì)招標(biāo)，出初步設(shè)計(jì)方案；然后進(jìn)入施工圖階段，招總包和監(jiān)理單位；接著進(jìn)入到幕墻等施工階段時(shí)，再招專業(yè)分包。因此，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的這種工程建設(shè)模式對(duì)于BIM工作開(kāi)展并非是最有利的。

在通道項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)合同和施工合同內(nèi)雖沒(méi)有明確關(guān)于BIM的服務(wù)條款約定，但由于各方對(duì)BIM應(yīng)用的認(rèn)識(shí)高度統(tǒng)一，并且在實(shí)施過(guò)程中各方積極配合、緊密協(xié)作、各負(fù)其責(zé)，BIM 的價(jià)值得到了真正體現(xiàn)。

在接下來(lái)的BIM應(yīng)用項(xiàng)目中，建議學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的BIM 組織方式，設(shè)立BIM協(xié)調(diào)員，用以組織協(xié)調(diào)項(xiàng)目各相關(guān)方應(yīng)用BIM進(jìn)行設(shè)計(jì)施工協(xié)調(diào)，提高BIM協(xié)調(diào)的效率。

5.3 BIM 應(yīng)用必須與實(shí)踐相結(jié)合

在對(duì)通道項(xiàng)目中2號(hào)通道進(jìn)行施工模擬時(shí)，業(yè)主方、BIM 咨詢團(tuán)隊(duì)、施工單位和設(shè)計(jì)單位緊密協(xié)作，圍繞通道項(xiàng)目工程實(shí)踐展開(kāi)，實(shí)時(shí)了解項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度并與計(jì)劃進(jìn)度作比較，分析了工期延誤的原因并提出了優(yōu)化建議，真正使BIM技術(shù)在實(shí)踐中體現(xiàn)出了價(jià)值。由于后續(xù)施工方案的調(diào)整，BIM 咨詢單位又協(xié)同施工單位和設(shè)計(jì)單位，修改了現(xiàn)有的世博2號(hào)通道模型，輔助設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了防水和換撐方案的討論和修改。一次又一次的實(shí)踐過(guò)程證明了BIM應(yīng)用與實(shí)踐相結(jié)合的重要性。只有結(jié)合工程實(shí)踐，才能既運(yùn)用好BIM技術(shù)，又更好地發(fā)揮好原有工程管理的基本技術(shù)，使兩者相得益彰，并能在精益建設(shè)的思想下，精確地解決工程實(shí)際問(wèn)題。