市政隧道工程中的BIM技術(shù)應(yīng)用

王維江 郭延義 袁貴鵬

上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080

BIM建筑信息模型這項(xiàng)技術(shù)源于20世紀(jì)70年代的美國(guó)，隨后傳播至英國(guó)、日本以及韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，現(xiàn)已逐漸成為建筑行業(yè)發(fā)展的主流方向。BIM的全生命周期管理充分解決了復(fù)雜項(xiàng)目的信息溝通問(wèn)題，該項(xiàng)技術(shù)于21世紀(jì)初引進(jìn)中國(guó)，目前在房建領(lǐng)域的應(yīng)用已日漸成熟，近幾年來(lái)，市政建設(shè)領(lǐng)域逐漸開(kāi)始嘗試采用BIM應(yīng)用技術(shù)[1-4]，為提高設(shè)計(jì)和綜合管理水平而不斷探索。

1 BIM應(yīng)用規(guī)劃

1.1 工程簡(jiǎn)介

楊高南路（世紀(jì)大道—浦建路）道路改建工程位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴地區(qū)。本工程道路的斷面形式為“主線隧道＋地面輔道”。主線為全封閉隧道形式，北與現(xiàn)有世紀(jì)大道下立交相接，南至現(xiàn)狀浦建路跨線橋。路線全線長(zhǎng)1.327 km，其中新建隧道段長(zhǎng)1.323 km，規(guī)劃紅線寬為50～60 m。地面輔路與藍(lán)村路、花木路及世紀(jì)大道均為平面交叉，采用渠化設(shè)計(jì)聯(lián)合信號(hào)燈控制方式。楊高南路（世紀(jì)大道—浦建路）改建工程共劃分為3個(gè)標(biāo)段。

本工程楊高南路（世紀(jì)大道—浦建路）道路改建工程3標(biāo)為其中的三標(biāo)段，范圍為張家浜橋（不含，樁號(hào)為K2＋305）至工程終點(diǎn)（近桃林路，樁號(hào)為K3＋200）。主要包括道路工程、隧道工程、排水工程、安裝工程、桃林路人行天橋、世紀(jì)大道公交站、隧道結(jié)構(gòu)、世紀(jì)大道地面環(huán)島改造、降壓變電所。

1.2 BIM應(yīng)用目標(biāo)

與一般房建項(xiàng)目相比，市政工程有著諸多不同，主要表現(xiàn)在：復(fù)雜程度高、建設(shè)周期長(zhǎng)、投資金額大、參建單位多、項(xiàng)目管理難度高。為解決施工技術(shù)難點(diǎn)，提升項(xiàng)目管理水平，楊高路3標(biāo)項(xiàng)目綜合以上因素，制訂了以下BIM應(yīng)用目標(biāo)。

1）摸索市政隧道工程三維施工BIM模型的建立。

2）通過(guò)建立市政隧道的圍護(hù)、結(jié)構(gòu)、橋梁、機(jī)電、道路、管道等模型，查看相互之間的空間及位置關(guān)系，為校核設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)施工提供可靠依據(jù)。

3）基于BIM技術(shù)的管理平臺(tái)應(yīng)用。

4）將BIM工程量與投標(biāo)量、預(yù)算量進(jìn)行對(duì)比，為日后決算提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 軟件選擇

本項(xiàng)目采用多平臺(tái)軟件工具建模，充分利用各軟件的特點(diǎn)，達(dá)到最佳BIM應(yīng)用效果。對(duì)信息交換，首先采用中間平臺(tái)進(jìn)行處理，如歐特克公司Navisworks平臺(tái)，這款A(yù)utodesk Navisworks軟件能夠準(zhǔn)確地應(yīng)用AutoCAD和Revit系列等創(chuàng)建出數(shù)據(jù)，可以與來(lái)自其他設(shè)計(jì)軟件的幾何圖形以及信息相結(jié)合，將其作為一個(gè)整體的三維模型導(dǎo)出，同時(shí)可以通過(guò)多種文件格式進(jìn)行同步審閱，而無(wú)需再考慮文件的大小。Navisworks這款軟件可以幫助所有參與方將項(xiàng)目作為一個(gè)整體進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而優(yōu)化從設(shè)計(jì)決策、項(xiàng)目實(shí)施、性能預(yù)測(cè)直至項(xiàng)目綜合管理和運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)（圖1）。

圖1 模型信息交換

1.4 組織架構(gòu)

根據(jù)制訂的目標(biāo)和要求，由項(xiàng)目工程師擔(dān)任技術(shù)顧問(wèn)，負(fù)責(zé)BIM技術(shù)的審核；由BIM工程師負(fù)責(zé)制訂BIM技術(shù)路線，解決BIM技術(shù)難題以及任務(wù)的分配；由各專業(yè)負(fù)責(zé)人建立相應(yīng)模型；由預(yù)算員負(fù)責(zé)BIM成本管控，將BIM工程量清單與預(yù)算清單進(jìn)行比較，分析原因。

2 隧道工程BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 施工模型的建立

施工階段模型與設(shè)計(jì)階段模型存在不同。而本工程將成本、質(zhì)量、進(jìn)度等方面的信息融到模型中。模型拆分既要滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求，也要滿足施工算量的要求。

2.1.1 構(gòu)件族類型預(yù)定義

針對(duì)隧道工程一類的BIM應(yīng)用項(xiàng)目，由于其結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，包含道路、結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、給排水等不同專業(yè)的模型，在建模之前需要對(duì)各類模型的構(gòu)件類型進(jìn)行預(yù)定義，以便在后期的使用過(guò)程中提供便利，如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、過(guò)濾、分析、篩選的不同操作的應(yīng)用。

2.1.2 構(gòu)件命名和編碼標(biāo)準(zhǔn)

將在本工程中涉及到按節(jié)段號(hào)命名的構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一命名, 命名按照“專業(yè)_節(jié)段_構(gòu)件名稱_尺寸”的定義原則；針對(duì)相同構(gòu)件的模型出現(xiàn)在不同的地方（多實(shí)例的構(gòu)件），命名的原則為：從小樁號(hào)到大樁號(hào)，從左至右，從上至下，并且強(qiáng)制規(guī)定沿樁號(hào)前進(jìn)方向左側(cè)（N），沿樁號(hào)前進(jìn)方向右側(cè)（S），由N到S為左右方向。

2.2 鏈接各專業(yè)模型，查看相互之間空間位置關(guān)系

圍護(hù)模型和結(jié)構(gòu)模型完成后，鏈接結(jié)構(gòu)模型和圍護(hù)模型，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中板與第3道支撐相碰，不便于現(xiàn)場(chǎng)施工，與設(shè)計(jì)溝通協(xié)商后重新制訂此處施工方案，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工起到了積極的作用。

2.3 施工現(xiàn)場(chǎng)管理

施工現(xiàn)場(chǎng)的平面策劃、布局、協(xié)調(diào)等工作，可以通過(guò)BIM技術(shù)生成的三維模型來(lái)完成。模擬各種復(fù)雜的施工節(jié)點(diǎn)、施工工藝、施工方案，利用BIM技術(shù)可視化的特性幫助施工人員更好地理解施工方案，并且可以利用BIM應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的工況模擬，進(jìn)而對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)合理的布置，提升項(xiàng)目工作效率（圖2、圖3）。

圖2 挖土工況

圖3 結(jié)構(gòu)工況

2.4 基于BIM技術(shù)的管理平臺(tái)應(yīng)用

基于BIM技術(shù)的平臺(tái)應(yīng)用，由建設(shè)單位、施工單位提出開(kāi)發(fā)需求，軟件公司在獲取開(kāi)發(fā)需求后，繪制開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)流程圖，在得到建設(shè)單位的確認(rèn)后再進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)。本平臺(tái)開(kāi)發(fā)的模塊為：施工進(jìn)度模塊、工程管理模塊、施工安全管理模塊、投資控制管理模塊等幾大模塊。

2.4.1 進(jìn)度管理模塊

通過(guò)BIM模型進(jìn)行可視化的工程進(jìn)度安排，工程進(jìn)度控制的核心技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)，通過(guò)與網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)進(jìn)行集成，可以通過(guò)BIM模型按月、周、天直觀地顯示工程進(jìn)度計(jì)劃，有利于工程管理人員對(duì)不同施工方案進(jìn)行比較，選擇符合進(jìn)度要求的施工方案。

另外，對(duì)于管理者而言，可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)工程計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度的偏差。

2.4.2 質(zhì)量管理模塊

將項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量信息同步記錄在BIM模型中，從而有效地提高質(zhì)量管理效率?；贐IM技術(shù)的施工質(zhì)量管理系統(tǒng)，可以分為材料設(shè)備質(zhì)量管理與施工過(guò)程質(zhì)量管理2個(gè)方面：

1）材料設(shè)備質(zhì)量管理：在基于BIM的質(zhì)量管理中，由施工單位將材料管理的全部信息進(jìn)行記錄，其中包括將各類材料的出廠合格證、質(zhì)量保證書、原廠檢測(cè)報(bào)告、檢驗(yàn)批等信息分別進(jìn)行錄入，并通過(guò)BIM模型進(jìn)行綜合關(guān)聯(lián)。同樣，監(jiān)理單位也可以通過(guò)BIM管理平臺(tái)，進(jìn)行材料信息的審核工作，使材料管理的信息更為準(zhǔn)確、更具有可追溯性。

2）施工全過(guò)程質(zhì)量管理：可以將BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工況相比較，將相關(guān)檢查信息構(gòu)件關(guān)聯(lián)，明確記錄內(nèi)容，便于統(tǒng)計(jì)與日后復(fù)查。

2.4.3 安全管理模塊

基于BIM具有信息完備性和可視化的特點(diǎn)，在施工安全管理方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：

1）重大危險(xiǎn)源的提示。對(duì)于復(fù)雜工程，在施工過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)源的情況，通過(guò)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，可以基于BIM模型查找（三維場(chǎng)景的搜索及具體的構(gòu)筑件查找），可以事先對(duì)重大危險(xiǎn)源進(jìn)行公示。

2）深基坑監(jiān)測(cè)。通過(guò)BIM技術(shù)監(jiān)測(cè)深基坑的點(diǎn)位，通過(guò)三維模型建立完成，再把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。設(shè)置預(yù)警值，當(dāng)出現(xiàn)超預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示哪些點(diǎn)位存在風(fēng)險(xiǎn)，方便及時(shí)做出相應(yīng)的對(duì)策。

2.5 BIM工程算量

2.5.1 構(gòu)件拆分

首先在BIM模型建立之前，要確定市政隧道工程各個(gè)專業(yè)的分部分項(xiàng)列表，并制訂符合BIM工程算量的拆分原則，具體的拆分原則應(yīng)該按照市政隧道結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系以及施工工藝的順序來(lái)確定。比如市政隧道結(jié)構(gòu)可先按照其里程樁號(hào)進(jìn)行劃分，可以具體到每一個(gè)節(jié)段，劃分成墊層、底板、腋角、側(cè)墻、中隔墻、頂板、防撞側(cè)石、混凝土鋪裝、瀝青等不同的部位（圖4）。

圖4 構(gòu)件拆分

2.5.2 圍護(hù)與結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件拆分清單

圍護(hù)與結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件拆分如下：

1）圍護(hù)模型：地下連續(xù)墻、高壓旋噴樁、三軸攪拌樁、鉆孔灌注樁、混凝土支撐、鋼支撐、格構(gòu)柱。

2）結(jié)構(gòu)模型：墊層、底板、側(cè)墻、中隔墻、頂板、防撞側(cè)石、瀝青、混凝土鋪裝。

2.5.3 提取BIM工程量

完成所有的BIM模型后，根據(jù)構(gòu)件類型在明細(xì)表中分別統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)工程量。

2.5.4 將BIM工程量與預(yù)算量進(jìn)行復(fù)核

通過(guò)將BIM導(dǎo)出的工程量與預(yù)算量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)差異較大的再進(jìn)行復(fù)核，并分析原因，提高施工預(yù)算的準(zhǔn)確性。

3 BIM技術(shù)在市政工程中的阻礙分析

1）參與單位眾多，BIM軟件應(yīng)用能力參差不齊，無(wú)法精確把控模型應(yīng)用深度。

2）市政建模軟件缺乏，族庫(kù)不夠豐富，為建模帶來(lái)較大的阻力，效率低下。

3）設(shè)計(jì)模型無(wú)法完美過(guò)渡到施工模型，模型使用價(jià)值無(wú)法更好地體現(xiàn)。

4）單一軟件無(wú)法解決一個(gè)項(xiàng)目的BIM應(yīng)用，學(xué)習(xí)成本較高，各軟件接口不能很好地互通，模型深度不能統(tǒng)一把控，模型整合難度較大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)BIM應(yīng)用技術(shù)在楊高南路道路改建工程3標(biāo)段的成功應(yīng)用，證明了BIM應(yīng)用技術(shù)這種全新的三維項(xiàng)目管理方式，是滿足當(dāng)今城市化發(fā)展需求的。

市政工程所涉及到的專業(yè)工程、結(jié)構(gòu)形式、工程籌劃以及相應(yīng)的協(xié)調(diào)工作復(fù)雜而繁多，工程與工程之間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，極易造成由于信息溝通不暢、資料交接遺漏、工程量統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)以及工程進(jìn)度管理滯后而導(dǎo)致的多類型的技術(shù)和管理問(wèn)題，后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)同樣面臨周期長(zhǎng)、涉及范圍廣、內(nèi)容多等特點(diǎn)。

中心城區(qū)的市政道路工程建設(shè)中存在設(shè)計(jì)、施工技術(shù)與環(huán)境影響等一系列問(wèn)題，因此，適時(shí)對(duì)基于BIM技術(shù)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)一體化管理系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)促進(jìn)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用，提高地下空間開(kāi)發(fā)設(shè)備的研發(fā)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)水平，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步具有非常積極的作用。

BIM技術(shù)在市政項(xiàng)目的應(yīng)用仍然需要技術(shù)上的創(chuàng)新來(lái)推動(dòng)市政行業(yè)的發(fā)展，以為市政行業(yè)帶來(lái)管理方式的變革。