三維數(shù)字化技術(shù)在深圳前海自貿(mào)區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122； 2.浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司，杭州 311122)

引言

前海自貿(mào)區(qū)位于深圳蛇口半島西側(cè)，珠江口東岸，占地面積14.92km2，地處珠三角區(qū)域發(fā)展主軸和沿海功能拓展帶交匯處，分為桂灣、前灣、媽灣三大片區(qū)。前海自貿(mào)區(qū)定位為未來整個珠三角的“曼哈頓”，將側(cè)重區(qū)域合作，重點(diǎn)發(fā)展高端服務(wù)業(yè)、發(fā)展總部經(jīng)濟(jì)，打造區(qū)域中心，并作為深化深港合作以及推進(jìn)國際合作的核心功能區(qū)，其建設(shè)規(guī)模約2 600萬至3 000萬m2。各等級規(guī)劃道路總長度為180km，路網(wǎng)密度約12km/km2； 共設(shè)有9條軌道線路，總長度約32km，線網(wǎng)密度2.4km/km2(高于東京)； 地下空間開發(fā)規(guī)模約800萬m2，開發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度與倫敦CBD相當(dāng)，是紐約曼哈頓CBD開發(fā)量的兩倍以上。前海處于填海區(qū)，地下淤泥層深厚、填石散亂，基坑開挖和支護(hù)施工困難，容易導(dǎo)致設(shè)施變形、開裂，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。合作區(qū)內(nèi)道路、跨街橋、軌道交通、市政管網(wǎng)、地下空間、生態(tài)公園、慢行系統(tǒng)、區(qū)域供冷設(shè)施以及地塊開發(fā)于2013年全面啟動。地上，永久性市政設(shè)施、公共設(shè)施、地塊開發(fā)和臨時性道路、1.5級開發(fā)共同實(shí)施； 地下，已建、在建、擬建的軌道線路與市政設(shè)施、地下道路、地下空間交錯推進(jìn)，形成地上地下互聯(lián)重疊、立體式多元復(fù)合的網(wǎng)狀密集開發(fā)現(xiàn)狀。

為應(yīng)對前海開發(fā)建設(shè)所面臨的體量大、標(biāo)準(zhǔn)高、交叉多、時間緊等眾多建設(shè)難題，前海通過引入先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，BIM的出現(xiàn)正在改變項(xiàng)目參與各方的協(xié)作方式[1-2]，依托BIM三維數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢，創(chuàng)新前海規(guī)劃、設(shè)計、施工等建設(shè)管理模式，為實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行的智慧化管理提供了統(tǒng)一的載體，是新型數(shù)字化城市的典型代表，在此載體的基礎(chǔ)上再整合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、智能信息處理、云服務(wù)等信息技術(shù)，向現(xiàn)代化智慧城市邁進(jìn)[3]。

1 實(shí)景模型與設(shè)計模型的整合應(yīng)用

傳統(tǒng)“一張圖”和“多規(guī)合一”的要求被反復(fù)提到，但是各地實(shí)施的效果不盡如意，規(guī)劃不協(xié)調(diào)現(xiàn)象突出。數(shù)字化立體規(guī)劃采用“GIS+BIM”技術(shù)，從地面到地上地下全三維表達(dá)，綜合反映不同時期整體和局部的規(guī)劃成果。首先通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立高精度實(shí)景模型，基于傾斜攝影的實(shí)景三維建模具有成本低、周期短、精度高、模型與現(xiàn)實(shí)接近特性[4-5]，然后依此建立地理信息模型，再疊加地質(zhì)信息模型和規(guī)劃信息模型，形成“多源合一”的“全信息數(shù)字化沙盤”，可以快速梳理、預(yù)檢和處理各層級規(guī)劃在空間上、功能上和技術(shù)上的問題，動態(tài)監(jiān)控規(guī)劃實(shí)施情況。如地理信息三維實(shí)景模型與設(shè)計信息模型的疊加，可有效查驗(yàn)工程與周邊地塊、建筑物、施工場地之間的關(guān)系，基于混合模型可對交通、周邊配套、日光照射、景觀綠化等進(jìn)行模擬分析。

圖1 分析地面道路與建筑物的空間位置關(guān)系Fig 1 Analysis of the spatial position relationship between roads and buildings

圖2 建筑外立面形象分析Fig 2 Facade analysis of Buildings

圖3 分析地下道路空間位置關(guān)系Fig 3 Analysis of spatial relationship of underground road

圖4 查看地下道路入口情況Fig 4 View the entrance of the underground road

基于實(shí)景模型的道路工程竣工檢查，將設(shè)計圖紙和竣工后的實(shí)景模型疊加，可以很方便的對比出竣工現(xiàn)場和設(shè)計圖紙是否存在偏差。與傳統(tǒng)的景觀方案相比，可以更好地結(jié)合周邊環(huán)境的實(shí)景模型，為景觀方案的對比和選取提供參照依據(jù)。

圖5 夢海大道與桂灣二路路口竣工工程檢查Fig 5 Cross-section completion inspection

圖6 景觀模型與實(shí)景模型的整合應(yīng)用Fig 6 Integration of landscape model and reality model

2 城市級三維地質(zhì)模型創(chuàng)建和應(yīng)用

地質(zhì)數(shù)據(jù)表達(dá)最重要的是建立數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)空間實(shí)體和屬性信息的對應(yīng)[6]，為實(shí)現(xiàn)地質(zhì)元素三維信息模型的建立，前海地質(zhì)三維模型創(chuàng)建采用Geostation平臺，分為數(shù)據(jù)庫和三維模型兩部分。數(shù)據(jù)庫中主要是地質(zhì)元素數(shù)據(jù)，包括項(xiàng)目各階段勘察地質(zhì)資料和大量的施工期地質(zhì)數(shù)據(jù)，由現(xiàn)場基于地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)Geostation收集、編錄而成，包括地形數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、勘探數(shù)據(jù)庫、物探數(shù)據(jù)庫、試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、觀測數(shù)據(jù)庫等。三維模型是基于數(shù)據(jù)庫通過地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)GeoStation建立起來的勘測全信息三維模型，主要包括三維地形、地質(zhì)線框模型、地質(zhì)界面模型、實(shí)體模型[7]。

圖7 前海區(qū)域地質(zhì)三維模型Fig 7 Geological 3d model of Qianhai area

在工程實(shí)際中的應(yīng)用分為不同階段的應(yīng)用。一是進(jìn)場前，參建單位可通過地質(zhì)三維模型和地質(zhì)數(shù)據(jù)庫得到初步地質(zhì)信息，如：地層分布、地層參數(shù)、水文信息等； 二是設(shè)計階段，通過模型為設(shè)計提供基本的地質(zhì)參數(shù)，如各土層物理力學(xué)參數(shù)； 三是施工階段，可以解決實(shí)際圍護(hù)打樁深度的問題，有效節(jié)約投資； 四是前海片區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)三維模型可為片區(qū)內(nèi)地鐵線路及站點(diǎn)保護(hù)、周邊施工影響分析提供判斷參考。

3 從二維圖紙到多維立體式設(shè)計和施工管理

利用BIM技術(shù)快速模擬出城市地下空間、地鐵站點(diǎn)和區(qū)間、待開發(fā)地塊、市政道路、共同溝、管線等縱橫交錯的復(fù)雜邊界關(guān)系，檢查和解決在空間接口、專業(yè)接口等存在問題，復(fù)核設(shè)計成果與規(guī)劃方案的統(tǒng)一性； 可快速梳理出二維圖紙中存在的錯漏碰缺問題，提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量，加快設(shè)計成果的穩(wěn)定，避免反復(fù)施工，減少建設(shè)資金的投入。

圖8 臨海大道地下道路Fig 8 Linhai Avenue Underground Road

圖9 臨濱地下立交Fig 9 Linbin underground interchange

圖10 前海交易廣場Fig 10 Qianhai Exchange Square

圖11 道路、地鐵和綜合管廊組裝模型Fig 11 Assembly model of avenue，subway and integrated pipe gallery

3.1 地下管線設(shè)計調(diào)整

基于設(shè)計院的成果發(fā)現(xiàn)沿路雨污水與地下空間消防通道硬碰撞，雨污水管埋深已無調(diào)整余地，與設(shè)計院基于BIM模型討論后的解決方案是調(diào)整局部結(jié)構(gòu)埋深，繞過雨污水管； 此次檢查發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的設(shè)計缺陷，使得原本在施工過程中才會發(fā)現(xiàn)的問題，暴露在設(shè)計階段，避免了結(jié)構(gòu)拆除重建而造成的系列損失，BIM的應(yīng)用不僅使得設(shè)計質(zhì)量得到很大的提升，而且設(shè)計質(zhì)量的把控也變得更加簡單直觀[8-9]。

圖12 圖紙修改前的組裝模型Fig 12 Assembly model before drawings modification

圖13 圖紙修改后的組裝模型Fig 13 Assembly model after drawings modification

冷管、燃?xì)夤?、雨污水管涵硬碰撞，各管線均有埋深需求，且各管線密布，有壓、無壓管共存，與設(shè)計院基于BIM模型討論后的解決方案是重新校核管線標(biāo)高調(diào)整冷管及燃?xì)夤芨叱蹋?此次檢查發(fā)現(xiàn)了管線嚴(yán)重碰撞點(diǎn)，在設(shè)計過程中清楚梳理管線位置關(guān)系，合理安排管線施工順序，避免管線施工過程中道路的反復(fù)開挖，降低施工對管線造成的破壞。

3.2 復(fù)雜地下空間項(xiàng)目協(xié)調(diào)

以桂灣片區(qū)聽海大道地下空間為例，該區(qū)域范圍原地面道路下臥的是已建成地鐵1、5、11號線(前海灣站、包括前后區(qū)間)，該片區(qū)同期建設(shè)共同溝，對市政管線實(shí)施統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)管理； 同期建設(shè)地下步行系統(tǒng)，連接周邊地塊、公共綠地，它本身也作為城市形象展示區(qū)、文化展廊。地下開發(fā)密度巨大，基于BIM數(shù)字化應(yīng)用解決了復(fù)雜空間管理和高強(qiáng)度地下空間開發(fā)的難題，對節(jié)點(diǎn)模擬，為工序決策、工藝選擇、選型提供參考。

圖14 圖紙修改前的組裝模型Fig 14 Assembly model before drawings modification

圖15 圖紙修改后的組裝模型Fig 15 Assembly model after drawings modification

圖16 地下空間接地塊通道剖面Fig 16 Underground space ground block channel profile

圖17 地鐵出入口剖面Fig 17 Subway entrance and exit profile

3.3 施工方案確定

以臨海大道地下道路為例，一期沿桂灣一路、臨海大道布設(shè)，雙向6車道，隧道主線長3.0km，桂灣車行聯(lián)絡(luò)道主線全長約1.5km，與地下道路有5處接口需要連通。地下道路大部分已完成土建工程，接口預(yù)留未達(dá)到臨海大道紅線； 為減小車行聯(lián)絡(luò)道接口施工對臨海大道道路和管線的影響，需采取工程措施，基于多工程多專業(yè)的三維模型明確了所有接口處施工方案。

接口1：位于放坡范圍內(nèi)的再生水管和雨水管臨時保護(hù)，燃?xì)夤芎屯ㄐ殴茉谶B接段實(shí)施期間改遷至一期施工聯(lián)絡(luò)道上方。若聯(lián)絡(luò)道施工期間管線無使用需求，再生水管和雨水管可廢除后恢復(fù)，通信管和燃?xì)夤芸伤?xiàng)(總長度約為130m)，聯(lián)絡(luò)道施工結(jié)束后施工。

接口5：增加側(cè)面土體加固或其他可保證側(cè)向土體穩(wěn)定措施(如鉆孔樁+旋噴)，保證結(jié)構(gòu)與圍護(hù)間土體的自力性； 超出擋墻范圍管線收至擋墻內(nèi)側(cè)，由聯(lián)絡(luò)道施工時連接。

圖18 接口1施工方案Fig 18 Interface 1 Construction Plan

圖19 接口5施工方案Fig 19 Interface 5 Construction Plan

3.4 用地方案及接口協(xié)調(diào)

以前海交易廣場項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目與周邊市政工程接口復(fù)雜，利用BIM技術(shù)快速地檢查了與毗鄰市政工程的接口關(guān)系，加快設(shè)計成果的穩(wěn)定； 組合了房建模型、地質(zhì)模型與地鐵模型，為沿線地鐵保護(hù)提供了數(shù)字化模型依據(jù)； 整合了房建模型與實(shí)景模型，優(yōu)化了交易廣場用地方案及立面設(shè)計方案。

圖20 交易廣場整合到實(shí)景模型地圖上Fig 20 Exchange Square integrated onto the reality model map

圖21 交易廣場立面方案分析Fig 21 Analysis of the facade of the Exchange Square

圖22 建筑項(xiàng)目與市政工程接口檢查Fig 22 Interface check between building project and municipal project

圖23 建筑與地鐵、地質(zhì)模型整合應(yīng)用Fig 23 Building and subway，geological model integration application

4 現(xiàn)場施工方案和施工進(jìn)度模擬

圖24 基坑圍護(hù)模型施工進(jìn)度模擬Fig 24 Simulation of construction progress of foundation pit retaining model

運(yùn)用BIM技術(shù)，可虛擬化呈現(xiàn)整個施工過程和最后成果，創(chuàng)建三維信息模型過程也是虛擬建造的過程，在實(shí)際工程施工之前已經(jīng)完成了虛擬的過程[10]，能有針對性地減少不必要的返工帶來的人力物力消耗，極大降低管理成本和安全風(fēng)險； 運(yùn)用這一技術(shù)模擬施工方案，可確定最優(yōu)工序和最優(yōu)施工方案，從而達(dá)到時間和資源最優(yōu)化配置的目標(biāo)，還能提前發(fā)現(xiàn)施工過程中可能出現(xiàn)的問題，采取針對性的措施予以提前解決； 復(fù)雜的施工方案通過三維模型呈現(xiàn)，更加通俗易懂，技術(shù)管理者和施工人員可快速有效地掌握各項(xiàng)施工工序?；贐IM的進(jìn)度管理的工作目標(biāo)是利用工程BIM模型一體化應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)實(shí)時面貌的3D可視化展示，主要通過BIM的參數(shù)建模技術(shù)將各個構(gòu)件作業(yè)的工期及其繼承實(shí)體和相關(guān)的派生關(guān)系以參數(shù)的形式表示在BIM中各個構(gòu)件對象上[11]，展現(xiàn)實(shí)際執(zhí)行狀態(tài)和計劃目標(biāo)之間的差異，分析計算各時段工程施工強(qiáng)度，提高項(xiàng)目集群管理模式下進(jìn)度管控水平。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)二維設(shè)計從最初規(guī)劃到最終方案設(shè)計都是以二維圖紙及報告方式體現(xiàn)，信息不完整、表達(dá)手段單一； BIM將工程設(shè)計從二維時代帶入三維時代，BIM能夠提供完整的、與實(shí)際情況一致的城市全信息模型，實(shí)現(xiàn)基于模型對設(shè)計方案進(jìn)行錯漏碰檢查及三維可視化調(diào)整優(yōu)化。利用BIM技術(shù)快速模擬出地下空間、地鐵線站點(diǎn)、待開發(fā)地塊、市政道路、共同溝、管線等縱橫交錯的復(fù)雜邊界關(guān)系，檢查和解決在空間接口、專業(yè)接口等存在的問題，復(fù)核設(shè)計成果與規(guī)劃方案的統(tǒng)一性； 可快速梳理出二維圖紙中存在的錯漏碰缺問題，提高了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量，加快了設(shè)計成果的穩(wěn)定，避免反復(fù)施工，減少建設(shè)資金的投入。工程數(shù)字化的終極目標(biāo)絕不僅僅是要提高現(xiàn)階段的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，它的終極目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化移交和全生命周期管理[12]。

我國已在施工階段利用BIM技術(shù)項(xiàng)目還未覆蓋、超出全部bSa(buildingSMART allicance)應(yīng)用情形，僅集中在成本預(yù)算、3D協(xié)調(diào)、施工深化設(shè)計等少數(shù)簡單應(yīng)用情形中[13]，而前海合作區(qū)作為國內(nèi)首次開展城市級數(shù)字化建設(shè)與智慧化管理的新區(qū)，在開發(fā)建設(shè)全過程引入BIM技術(shù)，深入開展基于BIM數(shù)字化技術(shù)的城市開發(fā)建設(shè)模式和體制機(jī)制創(chuàng)新，已取得豐富的實(shí)施成果，將為國內(nèi)其他新區(qū)開發(fā)建設(shè)提供范例和可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗(yàn)。