淺談BIM技術(shù)在沉管隧道工程中的應(yīng)用

文｜黃福杰 何則干 張為民

沉管隧道具有埋深淺、地基適用性好，與兩岸路網(wǎng)銜接順暢，提高隧道周邊土地價值等優(yōu)勢，在越江跨海通道中得到了越來越多的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)二維設(shè)計面對復(fù)雜沉管隧道工程時，已經(jīng)難以滿足設(shè)計、施工和運營信息一體化應(yīng)用的要求，需要借助全新的設(shè)計手段為項目全生命周期的信息應(yīng)用提供支撐。

BIM 技術(shù)是工程建設(shè)領(lǐng)域引發(fā)的信息化技術(shù)變革，通過可視化三維模型對數(shù)據(jù)和信息進行系統(tǒng)的管理、應(yīng)用，以實現(xiàn)工程項目全生命周期信息化管理，從而提高工程項目建設(shè)的質(zhì)量和效率。

工程概況

以廣州市如意坊放射線工程項目為例。如意坊放射線工程起于內(nèi)環(huán)路如意坊立交處，終點與東南西環(huán)高速及廣珠西線相接，項目按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全長8100m，標(biāo)準(zhǔn)段路寬60m。一期工程北起黃沙大道，南至芳村大道，全長約2.4 公里，含如意坊立交及過江隧道。隧道全長1511m，江中618m 采用沉管法施工。沉管隧道采用單箱三室結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，兩個車行孔和一個管廊孔。車行孔滿足雙向六車道要求，隧道中設(shè)置的管廊孔可滿足管線布設(shè)和日常檢修，包括上下兩層，且能用作臨時避難空間和逃生用通道。

項目建設(shè)條件錯綜復(fù)雜，周邊存在現(xiàn)狀道路、橋梁、在建地鐵等多種構(gòu)筑物影響與制約，其建設(shè)周邊環(huán)境見圖1所示。其中與在建地鐵站點還存在結(jié)構(gòu)上重合部分，需要利用BIM 技術(shù)三維可視化功能，驗證并優(yōu)化常規(guī)設(shè)計方法完成的復(fù)雜節(jié)點設(shè)計方案，統(tǒng)籌項目之間的各種信息。

建模研究

平臺選擇

目前工程領(lǐng)域主要有4 個基礎(chǔ)建模平臺，包括歐特克公司的系列軟件（如Revit、Civil3D 等）、Bentley 公司的系列軟件（如OpenRoads Designer、OpenBridge Modeler、AECOsim Building Designer）等。本項目采用Bentley 系列軟件作為BIM 核心建模平臺。

OpenRoads Designer 是一款應(yīng)用于交通運輸和土木工程設(shè)計的軟件。該軟件提供完整且詳細(xì)的設(shè)計功能，適用于勘測、排水、地下設(shè)施和道路設(shè)計。本項目采用該軟件進行地形、地質(zhì)和路線設(shè)計。

OpenBridge Modeler 是一款三維橋梁設(shè)計軟件，能直接利用OpenRoads Designer 的地形、線路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行橋梁建模。由于隧道建模跟橋梁建模具有類似性，本項目采用OpenBridge Modeler 進行隧道結(jié)構(gòu)建模。

模型標(biāo)準(zhǔn)

模型是承載信息的實體，也是信息輸入、交付和管理的對象，因此，模型的建立是BIM技術(shù)在項目全生命周期中開展應(yīng)用的基礎(chǔ)。為了達(dá)到模型的完整性和準(zhǔn)確性，便于信息在不同階段的傳遞，需要制定項目BIM 標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)軟件功能并結(jié)合本項目的工程特點，同時參考了《中國市政設(shè)計行業(yè)BIM 實施指南》《市政隧道管廊工程BIM 技術(shù)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)手冊，制定了本項目的建模方法、編碼規(guī)則以及應(yīng)用流程。

模型創(chuàng)建

創(chuàng)建能準(zhǔn)確反應(yīng)真實情況的地形和地質(zhì)三維模型是隧道結(jié)構(gòu)三維設(shè)計的前提條件。

通過對項目范圍內(nèi)等高線等數(shù)據(jù)進行修正和補全，在OpenRoads Designer 中將有效地形數(shù)據(jù)通過過濾器進行選擇，創(chuàng)建生成本項目地形曲面，見圖2。

圖1 如意坊隧道與地鐵11 號線關(guān)系示意圖

圖2 地形曲面

圖3 地質(zhì)模型

利用OpenRoads Designer 進行三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建，先通過“地理技術(shù)”選項卡功能將鉆孔數(shù)據(jù)連接進軟件，將鉆孔數(shù)據(jù)創(chuàng)建為三維柱狀模型，再利用三維鉆孔柱狀模型構(gòu)建出地質(zhì)界面，最后利用各層地質(zhì)界面創(chuàng)建完整地質(zhì)三維模型。

參數(shù)化設(shè)計是一種通過參數(shù)驅(qū)動方案調(diào)整的設(shè)計方法。參數(shù)化建模能夠在方案修改時，快速實現(xiàn)模型修改，減少重復(fù)建模工作。

當(dāng)前，參數(shù)化設(shè)計已被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計行業(yè)。由于市政工程項目的復(fù)雜性，設(shè)計過程中經(jīng)常會遇到方案調(diào)整，通過整體參數(shù)化設(shè)計和構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計，能夠在方案修改后快速更新設(shè)計模型，大大提高建模效率。下面以如意坊隧道的創(chuàng)建為例詳細(xì)介紹沉管隧道參數(shù)化、信息化的三維建模方法和流程。

平面線和縱斷面線創(chuàng)建。平縱曲線是隧道的建?；鶞?zhǔn)線，項目通過OpenRoads Designer創(chuàng)建隧道平縱曲線。第一步，新建名為“平縱線”的dgn 文件，選擇適合的項目模板。第二步，將已創(chuàng)建好的地形曲面、地質(zhì)模型、原始地形圖、規(guī)劃隧道中心線等參考進上一步創(chuàng)建的“平縱線.dgn”中，并將地形曲面激活。第三步，根據(jù)設(shè)計規(guī)范和項目主要控制點進行平縱設(shè)計。

本工程范圍內(nèi)有運營中的地鐵6 號線和規(guī)劃地鐵11 號線，兩條線路在如意坊站交匯換乘。過江隧道與規(guī)劃地鐵11 號線區(qū)間及如意坊站存在岸上段平面交叉、江中段近距離并行的關(guān)系。傳統(tǒng)的設(shè)計工具和方法難以精確且直觀地處理如此復(fù)雜的設(shè)計條件，利用OpenRoads Designer 將設(shè)計的平縱擬合成空間三維道路中心線，在三維模型中可根據(jù)設(shè)計控制條件實時調(diào)整，確保設(shè)計方案技術(shù)合理、造價經(jīng)濟和景觀視覺良好。

圖4 高度參數(shù)化的橫斷面模板

在沉管管段設(shè)計時，為方便沉管管段預(yù)制加工，沉管段實際線路縱斷面是由每段沉管直線相連而成，在沉管管段接頭處不設(shè)豎曲線。為滿足這種設(shè)計的建模，需要設(shè)計兩條縱斷面，分別為帶豎曲線和不帶豎曲線的縱斷面。不帶豎曲線的縱斷面用于沉管管段建模，帶豎曲線的縱斷面用于路面鋪裝層和壓重層建模。

隧道橫斷面的設(shè)計。橫斷面是實現(xiàn)隧道參數(shù)化設(shè)計的基礎(chǔ)，參數(shù)及約束關(guān)系都在橫斷面中設(shè)定。第一步，在OpenBridge Modeler 的橫斷面編輯器中通過直接繪制或復(fù)制參考的CAD圖形創(chuàng)建橫斷面模板。第二步，設(shè)置參數(shù)和點約束，圖形的每個交點都是一個可添加參數(shù)約束的控制點，根據(jù)設(shè)計需要設(shè)置合適的參數(shù)，如頂?shù)装搴穸取?cè)墻厚度、隧道內(nèi)凈寬、凈高等。

創(chuàng)建隧道實體模型。第一步，打開Open Bridge Modeler，新建名稱為“隧道”的dgn 文件。第二步，將“平縱線.dgn”參考進新建dgn 文件。第三步，新建橋梁，橋梁名稱輸入“沉管隧道”，橋梁類型選“RC Slab”，并在圖形中選擇參考的無豎曲線的隧道中心線。第四步，根據(jù)隧道變形縫設(shè)置布跨，利用在OpenBridge Modeler中“Place PierLine”工具進行布跨設(shè)計。第五步，通過“Place Deck”工具創(chuàng)建隧道實體模型。在“Place Deck”對話框中選擇對應(yīng)的橫斷面模板，在參數(shù)界面輸入設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)建模。

不同的隧道位置在創(chuàng)建模型時有不同的方法和技巧：岸上敞開段側(cè)墻高度根據(jù)隧道兩側(cè)輔道設(shè)計標(biāo)高與隧道設(shè)計標(biāo)高的高差來確定的，可以通過點控制將側(cè)墻頂與隧道兩側(cè)輔道的道路中心線關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)側(cè)墻高度自動計算；暗埋段有射流風(fēng)機的位置需要增大隧道結(jié)構(gòu)凈高以滿足隧道凈高要求，可通過調(diào)整橫斷面中的凈高參數(shù)來實現(xiàn)；上下行隧道之間的消防通道可以利用實體剪切工具將隧道中墻剪切出門洞，再從單元庫中找到防火門插入來創(chuàng)建。

路面鋪裝層和壓重層的建模。路面鋪裝層通過“Place Deck”工具創(chuàng)建，通過參數(shù)調(diào)整橫坡或?qū)挾茸兓?。沉管隧道壓重層結(jié)構(gòu)比較特殊，頂面與路面鋪裝層相接，底面與隧道結(jié)構(gòu)相接，因此頂?shù)酌娣謩e具有不同的縱斷面。通過在壓重層橫斷面中多設(shè)置一個底面控制點，并將底面所有點的豎向都約束到該控制點。壓重層通過“Place Deck”工具并選擇帶豎曲線的縱斷面建模，再添加點控制，將底面控制點跟不含豎曲線的縱斷面進行約束，從而實現(xiàn)壓重層模型的創(chuàng)建。

隧道附屬設(shè)施建模。通過Auxiliary 中的Barrier 功能創(chuàng)建路邊側(cè)石、排水溝、檢修道等。通過“Auxiliary By Path”功能放置射流風(fēng)機和消防設(shè)施等。

模型信息化

一個全面的信息模型，可以在建設(shè)項目生命周期的不同階段連接數(shù)據(jù)、過程和資源，它是對工程對象的完整描述，可以被建筑項目參與者廣泛使用。BIM 的全生命周期從設(shè)計開始，設(shè)計階段信息模型的建立為施工和運維階段的BIM 應(yīng)用提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

BIM 模型包含幾何信息、拓?fù)潢P(guān)系、工程信息等設(shè)計數(shù)據(jù)、參數(shù)和描述。通過OpenBridge Modeler 創(chuàng)建的隧道模型已經(jīng)有了基本的3D 幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系，再通過自定義項類型將其他的設(shè)計信息添加到模型中，可以隨時查看構(gòu)件的各種設(shè)計信息，圖6為隧道節(jié)段的設(shè)計信息查看。

BIM 模型應(yīng)用

在沉管隧道BIM 設(shè)計中，利用BIM 模型可以進行各專業(yè)間碰撞檢查與設(shè)計校核，提高設(shè)計質(zhì)量與精細(xì)化水平。通過工程量輔助統(tǒng)計，減少人為失誤，確保統(tǒng)計及時準(zhǔn)確；利用BIM模型進行管段力學(xué)分析計算，減少重復(fù)建模工作。通過三維可視化展示，提高項目參與各方及設(shè)計團隊內(nèi)部溝通效率；通過工程進度模擬，有效縮短工期、控制成本。

瀏覽碰撞校核

工程師可以利用BIM 模型在虛擬的三維環(huán)境中優(yōu)化工程設(shè)計，減少傳統(tǒng)設(shè)計階段難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計錯誤和碰撞沖突，大大降低因設(shè)計變更導(dǎo)致的工程投資增加及工期延長風(fēng)險。

該項目沉管段與廣州地鐵11 號線如意坊站平面交叉，車站按預(yù)留空間方式為隧道提供路由，方案階段就引入了BIM 技術(shù)進行碰撞檢查，通過BIM 模型對設(shè)計方案進行模擬和優(yōu)化，因此在原方案基礎(chǔ)上，提出隧道底板與地鐵站頂板共建思路，該段隧道改由地鐵項目單位整體建設(shè)。

圖5 隧道模型

圖6 隧道節(jié)段信息模型

圖7 隧道與地鐵站碰撞圖

工程量統(tǒng)計

BIM 模型能實現(xiàn)和工程數(shù)量表的實時動態(tài)關(guān)聯(lián)，快速統(tǒng)計出準(zhǔn)確的工程量，輸出工程數(shù)量表。當(dāng)修改模型后工程數(shù)量表將自動更新，實時計算工程實物量，有效提升工程造價的精度與效率。

計算分析

利用BIM 生成的模型導(dǎo)入有限元軟件作為管段結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和流體動力學(xué)計算分析的幾何模型，減少重復(fù)的建模工作。如圖9是BIM模型導(dǎo)出結(jié)構(gòu)計算模型，圖10為BIM 模型導(dǎo)出流體動力學(xué)計算模型。

可視化展示

可視化是BIM 技術(shù)最基礎(chǔ)且重要的功能，它將以往的線條式的二維圖紙用三維立體形式展示出來。與傳統(tǒng)的效果圖模型相比，BIM 模型包含了精確的構(gòu)件幾何尺寸、材質(zhì)等信息，同時也包含了構(gòu)件之間的互動性和反饋性。通過將BIM 三維模型文件在設(shè)計、施工、運維等整個生命周期中流轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)整個流程中的三維可視化。

虛擬施工模擬工程進度

BIM 三維模型加入時間維度，可以進行虛擬施工模擬。在工程還處于設(shè)計階段時，通過虛擬施工減少或避免工程中可能出現(xiàn)的碰撞和設(shè)計錯誤，并通過模擬驗證施工工藝和工法的合理性和可行性。

項目中過江隧道與擬建地鐵11 號線相互交叉，相互影響，只有先完成如意坊隧道圍堰施工、基槽開挖、水下爆破作業(yè)，再進行11 號線盾構(gòu)施工，才能確保鄰近地鐵11 號線江中隧道的安全。BIM 技術(shù)在本項目的應(yīng)用，可以事先確定準(zhǔn)確工期，為地鐵11 號線實施安排提供科學(xué)依據(jù)。

BIM 技術(shù)在沉管隧道設(shè)計階段的實施為項目施工和運維階段的BIM 應(yīng)用奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，促進項目全生命周期BIM 技術(shù)的應(yīng)用與開展。

圖8 隧道模型自動工程量

圖9 沉管隧道結(jié)構(gòu)計算模型

圖10 沉管隧道流體動力學(xué)計算模型

圖11 如意坊放射線工程可視化展示