BIM技術(shù)在蘇錫常南部高速公路工程設(shè)計應(yīng)用

陳國佳，彭廣銀

（江蘇森尚工程設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

基于建筑信息模型（BIM）技術(shù)的信息互通協(xié)作、實現(xiàn)全生命周期內(nèi)信息共享、傳遞、協(xié)同、決策，以提高管理效率、節(jié)約項目投資、保障項目進度質(zhì)量，是BIM技術(shù)研究的核心問題[1]。國內(nèi)外關(guān)于BIM技術(shù)的研究發(fā)源于房建項目，并進行了大量的研究與實踐。BIM以可視化、協(xié)同性、仿真性、優(yōu)化性為主要優(yōu)勢特征，已經(jīng)成了未來市政設(shè)計、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段[2]。

與BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用相比，交通運輸工程中，BIM技術(shù)的應(yīng)用難點主要集中于橋梁工程與隧道工程。由于橋梁、隧道等重點基礎(chǔ)設(shè)施面臨地質(zhì)復(fù)雜、未知風險高等情況，BIM技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展相對緩慢。國內(nèi)外學(xué)者針對BIM技術(shù)在橋梁、隧道工程項目中的應(yīng)用進行了大量研究。王玨[3]針對互通立交設(shè)計，基于BIM優(yōu)化了復(fù)雜線形設(shè)計和立交端部設(shè)計。王東偉等[4]針對斜拉橋索塔施工優(yōu)化問題，基于BIM技術(shù)對橋梁構(gòu)件統(tǒng)計、施工模擬分析，縮短了工期并大幅節(jié)約成本。趙偉等[5]采用BIM技術(shù)優(yōu)化了三塔雙索面疊合梁斜拉橋施工工藝，對施工過程進行精細化管理，提高工作效率約15%。李坤[6]將BIM技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧洞的設(shè)計與工程量統(tǒng)計中，檢核混凝土工程量誤差為3%。鐘宇等[7-8]基于IFC（IndustryFoundationClasses）標準提出了盾構(gòu)隧道數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了基于IFC的盾構(gòu)隧道信息模型的數(shù)據(jù)表達，并建立了盾構(gòu)隧道建模流程和參數(shù)化建模方法。

為了對項目全生命周期各項要素進行精細化管理，充分發(fā)揮BIM技術(shù)在設(shè)計審核、施工監(jiān)控、信息互聯(lián)方面的優(yōu)勢，BIM技術(shù)的研究越來越關(guān)注項目工程全生命周期一體化管理。Bentley[9-10]為英國Crossrail地鐵項目的BIM管理建立了公共數(shù)據(jù)云端服務(wù)，為BIM生命周期數(shù)據(jù)互通互聯(lián)提供技術(shù)支持。馮瑾等[11]提出了一種提出基于BIM技術(shù)的橋梁工程全生命周期一體化的技術(shù)框架和一般性應(yīng)用流程。

基于現(xiàn)有BIM技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施生命周期各階段的應(yīng)用經(jīng)驗與一體化管理研究成果，本研究依托蘇錫常南部高速公路工程，建立BIM應(yīng)用平臺，對BIM技術(shù)在隧道、互通重大交通基礎(chǔ)設(shè)施初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、施工優(yōu)化和運營維護全生命周期階段的應(yīng)用進行研究。

1 工程概況

蘇錫常南部高速公路全線長約43.8km，采用6車道高速公路標準建設(shè)。該高速公路于2017年2月開始設(shè)計，2018年3月開始施工，建設(shè)工期4年。建成后，將在滬寧間新增一條高速通道，緩解目前滬寧高速無錫、蘇州段的擁堵，對促進沿線蘇錫常城市發(fā)展、加快推動長三角一體化具有重要意義。BIM應(yīng)用重點工程為雪堰樞紐與太湖隧道，由設(shè)計單獨主導(dǎo)BIM正向設(shè)計。其中，雪堰樞紐，主線采用（40+60+40）m掛籃懸澆變截面連續(xù)梁，半幅橋面寬度20.9m，單箱三室截面，主墩墩頂梁高3.6m，跨中梁高1.8m，梁高與底板厚度按2次拋物線變化。太湖隧道長10.79km，斷面采用雙孔一管廊形式，單孔凈空17.45m。兩個重點工程均規(guī)模大，工期緊張，工藝繁多。其中，太湖隧道工程風險源較多（圍堰施打和拆除，基坑開挖、降水，大堤拆除及恢復(fù)），環(huán)境要求高（需考慮太湖汛期、藍藻爆發(fā)期等，以減少對太湖生態(tài)的影響），安全運營壓力大（長大水底隧道，火災(zāi)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等風險管控壓力大，應(yīng)急和救援困難），緊密結(jié)合BIM可視化、數(shù)據(jù)化、協(xié)同化的特點，搭建以數(shù)據(jù)為中心的協(xié)同管理體系，立足于全生命周期BIM實施提升管理效益、設(shè)計水平與經(jīng)濟效益，實現(xiàn)行業(yè)示范價值。

2 BIM技術(shù)總體構(gòu)架

由于項目工程規(guī)模大、參與單位多、涉及專業(yè)多，工程面臨著管理難度大、交叉作業(yè)面多、信息集成要求高的特點。結(jié)合交通設(shè)施BIM技術(shù)應(yīng)用特點，在本項目雪堰樞紐、太湖隧道兩個重要工點初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、施工及運維階段全面引入BIM技術(shù)，如圖1所示。

圖1 本項目BIM全生命周期應(yīng)用路線示意圖

本項目涉及多種BIM建模軟件、多個BIM應(yīng)用平臺，因此需要結(jié)合項目開展數(shù)據(jù)傳遞、交換與共享的研究工作。明晰數(shù)據(jù)需求，通過明確標準數(shù)據(jù)格式，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行細化分發(fā)，形成底層數(shù)據(jù)組織基礎(chǔ)，為上層功能應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，如圖2所示?；A(chǔ)數(shù)據(jù)通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)接入至BIM應(yīng)用平臺，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 BIM平臺數(shù)據(jù)框架

采用SpringBoot為服務(wù)架構(gòu)，建立數(shù)據(jù)平臺。為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)規(guī)范，本研究針對圖紙、模型、報告、視頻和圖片進行了文件類型及各式標準化定義，確保數(shù)據(jù)傳遞、交換與共享通暢安全。施工單位招標確定后，提前介入設(shè)計院的施工圖模型建模工作，確保設(shè)計院交付的施工圖模型基本滿足施工應(yīng)用需求。施工期間，應(yīng)基于施工管理平臺開展專業(yè)竣工模型的創(chuàng)建與維護，運營管養(yǎng)單位應(yīng)提前介入，確?？⒐つＰ突緷M足運營管養(yǎng)應(yīng)用需求。平臺BIM關(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）BIM輕量化技術(shù)

本項目段BIM建模和應(yīng)用軟件以Autodesk系列產(chǎn)品為主，將BIM模型建立劃分為兩階段進行。首先，統(tǒng)籌各參與單位，將所需基礎(chǔ)設(shè)施模型建立以涉及專業(yè)為依據(jù)進行構(gòu)件劃分，建立工程構(gòu)件族庫。族庫以結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為主，減少造型數(shù)據(jù)，減小渲染資源需求與模型體量，確保平臺運行效率。隨后，基于構(gòu)件族庫對設(shè)計模型進行拼配，實現(xiàn)一鍵式精準布置，搭建BIM平臺模型基礎(chǔ)。

（2）BIM+GIS數(shù)據(jù)融合技術(shù)

首先，針對參與單位眾多、涉及專業(yè)廣的難題，統(tǒng)一單位交付模型是進行數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)。針對各單位提交的BIM族庫初始模型，開發(fā)主流數(shù)據(jù)格式大批量轉(zhuǎn)換程序，對轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)格式進行模型數(shù)據(jù)編輯，統(tǒng)一坐標參考信息。

其次，從宏觀、中觀、微觀3個尺度對BIM進行BIM+GIS數(shù)據(jù)融合，將大場景模型的圖片、地表材質(zhì)、局部精細航測影像、各構(gòu)件模型進行模型整合，接入GIS數(shù)據(jù)。

（3）空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

基于BIM、BIM+GIS數(shù)據(jù)融合技術(shù)，搭建基于WebGL的GIS平臺，實現(xiàn)針對航測場地的BIM要素加載，構(gòu)建設(shè)施周邊房屋、河流模型，覆蓋高清衛(wèi)星圖片。研究基于視點距離的BIM動態(tài)加載，實現(xiàn)空間模型飛行巡查、浸入式工程核查。

本項目BIM技術(shù)應(yīng)用采用建設(shè)單位主導(dǎo)，設(shè)計單位牽頭，其他相關(guān)單位配合的組織模式。建設(shè)單位統(tǒng)籌規(guī)劃BIM總體應(yīng)用流程，組織各參與方協(xié)同合作，建立BIM應(yīng)用框架，明確工程實施階段各參與方的任務(wù)、交付標準等事項。設(shè)計單位建立BIM團隊及基于BIM的協(xié)同勘察設(shè)計工作模式，構(gòu)建支持多種數(shù)據(jù)表達方式與信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)庫。建立勘察設(shè)計模型，進行專業(yè)協(xié)同和優(yōu)化設(shè)計。施工單位通過BIM平臺對施工過程、質(zhì)量安全監(jiān)控及成本等進行精細管理。運維單位建立基于BIM的運營維護管理協(xié)同工作機制、流程和制度。

3 BIM平臺應(yīng)用研究

3.1 初步設(shè)計

3.1.1 BIM專業(yè)族庫建立

基于Revit、Dynamo等軟件建立部分族庫要素，如圖3與圖4所示。采用Civil3D創(chuàng)建曲面，建立場地與道路工程，通過Infraworks導(dǎo)入專業(yè)族庫要素，構(gòu)建周邊房屋、河流模型，覆蓋高清衛(wèi)星圖片，實現(xiàn)一鍵式精準布置。

圖3 橋梁專業(yè)族庫

圖4 隧道專業(yè)族庫

3.1.2 初步設(shè)計方案比選

因互通樞紐毗鄰大頂禪寺景區(qū)，綜合考慮文物保護與城市交通的需求，對兩種設(shè)計方案進行比選，如圖5所示?；谌S模型一鍵式精準布局，檢測方案一對景區(qū)影響小。

圖5 雪堰樞紐方案比選

基于交通安全考量和人文景觀需求，校核橋跨視野通透性，著重分析大頂禪定寺周邊互通主線橋第四聯(lián)至第七聯(lián)。調(diào)整橋跨布置為[2×（30+30+30）+2×30+3×32]m，橋下視野通透性好。

圖6 主線橋設(shè)計第四聯(lián)至第七聯(lián)初步設(shè)計優(yōu)化

3.2 施工圖設(shè)計

3.2.1 圖紙審核與優(yōu)化設(shè)計

基于BIM平臺空間數(shù)據(jù)可視化快速渲染技術(shù)，實現(xiàn)全線逐樁浸入式視距核查與分合流端部視距核查。如圖7所示，主線與G匝道合流端部由于G匝道坡度較大，且主線與G匝道均為橋梁（傳統(tǒng)設(shè)置為墻式護欄），由于存在高差，從匝道匯入的車輛視線被護欄遮擋無法觀察主線車輛，存在安全隱患。

圖7 圖紙審核與優(yōu)化設(shè)計

3.2.2 施工模擬與工程量復(fù)核

基于隧道BIM，動態(tài)模擬隧道設(shè)備用房內(nèi)大型設(shè)備的安裝、檢修路徑，優(yōu)化設(shè)計方案和設(shè)備運輸方案，如圖8所示。以BIM模型為基礎(chǔ)進行工程量復(fù)核，與設(shè)計核算的差量控制在3%以內(nèi)。

圖8 大型設(shè)備運輸與路徑檢查

3.3 施工過程

3.3.1 施工深化設(shè)計與竣工模擬

通過對復(fù)雜節(jié)點施工工序開展精細化模擬，檢查施工方案可行性，達到優(yōu)化施工方案的目的；在施工圖設(shè)計BIM基礎(chǔ)上，補充施工、變更、材料等信息，形成最終竣工模型，輔助現(xiàn)場的竣工驗收移交。

3.3.2 施工進度、安全、質(zhì)量與變更管理

（1）導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)計劃、模型至BIM應(yīng)用平臺，可視化方式展現(xiàn)施工進度分析[見圖9（a）]。

（2）整合與集成施工風險源監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化展現(xiàn)監(jiān)測和分析結(jié)果，及時預(yù)警報警[見圖9（b）]。

（3）實現(xiàn)質(zhì)量管理計劃審核、批注、推送及整改跟蹤的完整管理閉環(huán)[見圖9（c）]。

圖9 基于BIM技術(shù)的施工進度、安全與質(zhì)量管理

（4）基于BIM技術(shù)實時更新變更信息，確保工程質(zhì)量和工期。

3.4 運維階段

（1）集成橋梁、隧道運行期間監(jiān)控數(shù)據(jù)和報警信息，基于BIM快速查詢報警設(shè)備的空間位置、技術(shù)參數(shù)。

（2）根據(jù)維保管理計劃，制定設(shè)施設(shè)備日常巡檢內(nèi)容、路線，并對項目設(shè)施設(shè)備的運行情況進行實時監(jiān)控和記錄。

（3）根據(jù)設(shè)施設(shè)備的實際運行狀態(tài)，按維保管理計劃要求對設(shè)施設(shè)備開展定期維護保養(yǎng)。

（4）構(gòu)建以數(shù)據(jù)中心為核心，以BIM為采集、管理終端的完整應(yīng)用體系。

（5）開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施檢查移動端采集軟件和橋梁病害三維可視化軟件，實現(xiàn)養(yǎng)護信息標準化、病害三維可視化、現(xiàn)場記錄無紙化、報告生成自動化。

4 結(jié)語

以蘇錫常南部高速公路工程為例，針對重點道路基礎(chǔ)設(shè)施，通過建立全生命周期BIM協(xié)作平臺，實現(xiàn)了BIM技術(shù)在初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、施工階段、運維階段的多單位、多專業(yè)統(tǒng)籌應(yīng)用。同時，取得了如下成果：

（1）針對重點道路基礎(chǔ)設(shè)施，建立了BIM專業(yè)族庫，提出基于BIM+GIS數(shù)據(jù)融合的二階段建模技術(shù)，實現(xiàn)以輕量化模型為目標的快速建模方法。

（2）基于空間可視化技術(shù)，從平面、立體全方位對設(shè)計方案進行比選、優(yōu)化、深度設(shè)計。更正設(shè)計主要問題30余處，深化設(shè)計、施工進度模擬、復(fù)雜施工工序模擬，施工效率提高約40%，提升建設(shè)質(zhì)量。采用BIM技術(shù)，使得項目預(yù)算變更減少40%，成本預(yù)算時間減少80%，管線綜合資金節(jié)約10%，項目周期縮減7%，顯著提升經(jīng)濟效益。

（3）設(shè)計施工統(tǒng)一平臺保障了設(shè)施構(gòu)件信息傳遞的連續(xù)性、設(shè)施建設(shè)歷史信息的完整性，為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運營、維護提供了完整數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提升了道路、橋梁、隧道的安全運行水平，有效提高了運維管理的數(shù)字化水平。