城市復(fù)雜環(huán)境地下互通立交工程數(shù)字化應(yīng)用

劉攀攀，李倩文

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200082]

0 引 言

現(xiàn)階段城市隧道、軌道交通、地下通道和下立交等地下工程是我國(guó)城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)工程。地質(zhì)條件及周邊施工環(huán)境復(fù)雜、施工技術(shù)難度高、工程緊、機(jī)械設(shè)備投入眾多、施工人員管理要求高等已成為地下工程建設(shè)中面臨的諸多難點(diǎn)[1，2]。同時(shí)隨著城市化發(fā)展，越來越多的地下基礎(chǔ)設(shè)施興建，新建工程與既有設(shè)施的交叉穿越不可避免，這對(duì)新建工程施工的風(fēng)險(xiǎn)控制和精細(xì)化管理提出了更高的要求。

從上世紀(jì)20 年代起，數(shù)字化手段不斷的應(yīng)用在工程管理中，近年來，國(guó)家和地方政府相繼出臺(tái)了推動(dòng)行業(yè)數(shù)字化水平提升和數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用推廣的政策文件，明確指出了要推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)在工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)全過程的應(yīng)用，不斷建立完善的BIM 技術(shù)政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系。

總體而言，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的建筑市場(chǎng)已經(jīng)在數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用上做了很多工作，包括設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)優(yōu)化、能耗分析，施工階段的碰撞檢查、施工方案模擬等[3]，近兩年設(shè)計(jì)管理平臺(tái)、施工管理平臺(tái)和運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)也漸漸落地，這些數(shù)字化工作的探索為我們城市復(fù)雜環(huán)境地下互通立交工程的數(shù)字化應(yīng)用起到了良好的借鑒與指導(dǎo)作用。

本文基于城市復(fù)雜環(huán)境地下互通立交工程建造難點(diǎn)與痛點(diǎn)，提出項(xiàng)目數(shù)字化應(yīng)用總體實(shí)施路線，并依托淞滬路—三門路下立交工程，面向施工各參與方，由項(xiàng)目實(shí)際需求驅(qū)動(dòng)，利用各種數(shù)字化手段，開展了施工準(zhǔn)備期及施工建造期的各項(xiàng)實(shí)踐應(yīng)用，為項(xiàng)目建造提供有效施工指導(dǎo)，為數(shù)字化技術(shù)在城市地下工程行業(yè)應(yīng)用與普及奠定基礎(chǔ)。

1 總體路線

在解決工程實(shí)際難題的大背景下，自主采納和吸收數(shù)字化技術(shù)，在項(xiàng)目投標(biāo)階段更好的表達(dá)總體施工規(guī)劃，在項(xiàng)目推進(jìn)階段通過多專業(yè)的協(xié)同，做好施工前期的準(zhǔn)備工作；基于數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行施工方案的推演與分析，在現(xiàn)場(chǎng)施工開始之前確定合理可行的施工方案，指導(dǎo)實(shí)際施工，同時(shí)便于與各參與方協(xié)作溝通。

針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境地下互通立交工程施工特點(diǎn)及施工管理痛點(diǎn)，研究制定項(xiàng)目數(shù)字化應(yīng)用總體實(shí)施路線：項(xiàng)目在開展數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用之初，進(jìn)行滿足施工工序、進(jìn)度、工程量清單劃分要求的建模規(guī)則制定，確保后期施工建造階段能順利應(yīng)用模型，同時(shí)基于項(xiàng)目各方需求，編制工程數(shù)字化應(yīng)用實(shí)施方案，指導(dǎo)項(xiàng)目各應(yīng)用點(diǎn)有序?qū)嵤?/p>

在施工準(zhǔn)備期間采用Autodesk Revit、3dmax、Tekla 以及Bentley 公司相關(guān)軟件建立多專業(yè)的三維模型用于施工方案的策劃比選與空間干涉檢查；在施工建造期間，針對(duì)重點(diǎn)工藝如管節(jié)吊裝、深基坑開挖等重要工藝采用Navisworks 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整合及施工方案預(yù)演，利用Bentley 公司的ContextCaputure 軟件處理無人機(jī)正射影像源數(shù)據(jù)，形成的帶坐標(biāo)信息的高清正射影像圖擬合CAD 的籌劃文件進(jìn)行施工組織方案優(yōu)化，以指導(dǎo)施工；同時(shí)研究開發(fā)以私有云方式部署的智慧工地?cái)?shù)據(jù)集成管理平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備、材料、安全生產(chǎn)、文明施工、質(zhì)量控制、流程審批等工作實(shí)現(xiàn)全方位數(shù)字化管理[3]，總體的應(yīng)用路線見圖1。

圖1 工程數(shù)字化應(yīng)用路線

2 城市復(fù)雜環(huán)境地下互通立交工程數(shù)字化應(yīng)用實(shí)踐

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

淞滬路——三門路下立交工程（以下簡(jiǎn)稱“本工程”）位于上海五角場(chǎng)城市副中心，采用雙層Y 型下立交，雙向四車道設(shè)計(jì)形式，工程南起淞滬路政學(xué)路，上層為主線，沿淞滬路上跨匝道和軌道交通10號(hào)線后轉(zhuǎn)入閘殷路，于民府路前接地，下層為匝道，沿淞滬路走向，匝道以矩形頂管形式下穿合流污水箱涵及規(guī)劃軌道交通20 號(hào)線，之后迅速上行，于淞滬路民府路南側(cè)接地，總體示意見圖2。

圖2 工程總體示意圖

工程周邊設(shè)施密集繁多，有眾多已建或在建的商業(yè)綜合體，淞滬路西側(cè)緊靠新排污水管，東側(cè)全線緊鄰運(yùn)營(yíng)的軌道交通10 號(hào)線，最近處僅相距2.09 m。匝道段采用大斷面矩形頂管施工，全程保護(hù)合流污水箱涵，并預(yù)留規(guī)劃地鐵空間。

鑒于工程工期緊，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，本文利用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)手段開展了方案籌劃優(yōu)化、干涉檢查、重點(diǎn)工藝施工模擬、多源數(shù)據(jù)整合應(yīng)用及智慧工地平臺(tái)應(yīng)用，提升了項(xiàng)目建造管理水平及精細(xì)化程度，項(xiàng)目于2021 年7 月11 日，順利建成通車。

2.2 施工準(zhǔn)備期應(yīng)用

2.2.1 方案籌劃優(yōu)化

上跨地鐵隧道彈鋼琴段是上海軟土層典型高卸荷比大跨度穿越基坑工程，基坑開挖深度8 m，坑底距10 號(hào)線隧道頂覆土僅4.8 m，卸荷比高達(dá)0.61，基坑跨度90 m，與隧道47°斜交，工程風(fēng)險(xiǎn)極大。針對(duì)此工況采取隧道股份特有的彈鋼琴工法施工，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境在施工前通過可視化的BIM 模型比選優(yōu)化彈鋼琴工法施工方案，見圖3。

圖3 上跨地鐵隧道彈鋼琴段施工籌劃方案

開挖前首先對(duì)10 號(hào)線隧道進(jìn)行微擾動(dòng)MJS 門式加固，然后施工隔離樁和圍護(hù)，最后施工坑底滿堂加固?；谕馏w時(shí)空效應(yīng)和充分利用隧道結(jié)構(gòu)抗彎鋼度采用彈鋼琴工法，將大基坑分隔為小基坑，小基坑再跳倉(cāng)和分層開挖，結(jié)合預(yù)制底板鋼筋等措施，加快基坑施工，確保10 號(hào)線安全，圖4 為小基坑跳倉(cāng)和分層開挖模擬中的一個(gè)過程。該工藝借用BIM 技術(shù)事先進(jìn)行跳坑開挖模擬，合理規(guī)劃施工工序及現(xiàn)場(chǎng)空間，有效提升了方案決策效率，提前規(guī)避了潛在問題。

圖4 小基坑跳倉(cāng)和分層開挖模擬

2.2.2 空間干涉檢查

三門路- 淞滬路- 閘殷路交叉節(jié)點(diǎn)地下環(huán)境復(fù)雜，涉及已運(yùn)營(yíng)軌交10 號(hào)線、已運(yùn)營(yíng)約27 年的上海合流污水總管、各類管線及規(guī)劃軌交20 號(hào)線，地下空間極為復(fù)雜，且頂管雙線穿越合流污水箱涵下倒虹段，最小凈距僅3.9 m，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。施工準(zhǔn)備期間利用Autodesk Revit2017 建立全專業(yè)項(xiàng)目模型，涵蓋主體結(jié)構(gòu)、地上地下構(gòu)筑物等，并在同一坐標(biāo)系下予以整合，進(jìn)行空間干涉檢查，見圖5?；诙鄬I(yè)數(shù)據(jù)整合模型直觀清楚的展示了該區(qū)域管線及各重點(diǎn)構(gòu)筑物的空間關(guān)系，為現(xiàn)場(chǎng)頂管頂進(jìn)施工、合流污水總管保護(hù)與監(jiān)測(cè)提供了有效指導(dǎo)，大大節(jié)省了各級(jí)管理人員溝通協(xié)調(diào)時(shí)間。

圖5 頂管下穿合流污水總管

同時(shí)，在上跨軌交運(yùn)營(yíng)區(qū)間基坑施工前，基于BIM 模型進(jìn)行管線搬遷方案討論，見圖6，確定基坑最優(yōu)施工順序及時(shí)間安排，優(yōu)化施工空間，保證了軌交線路的正常運(yùn)行，有效提升現(xiàn)場(chǎng)溝通協(xié)調(diào)效率。

圖6 上跨運(yùn)營(yíng)區(qū)間基坑與周邊環(huán)境的關(guān)系

2.3 施工建造期應(yīng)用

2.3.1 施工方案模擬

匝道段采取國(guó)內(nèi)最大斷面矩形頂管施工，大量的矩形管片吊裝作業(yè)需要完成，從管片進(jìn)場(chǎng)、堆放、吊裝、下井再到離場(chǎng)，需要考慮吊點(diǎn)的選擇、翻身的空間、下井的位置等每一個(gè)步驟都需要精確控制。根據(jù)管片的重量選擇合適的吊裝設(shè)備和吊具，基于BIM 模型對(duì)吊裝場(chǎng)地進(jìn)行合理規(guī)劃布置，通過三維預(yù)演施工，對(duì)整個(gè)吊裝作業(yè)選擇合適的吊裝角度和下井位置等內(nèi)容進(jìn)行施工交底，節(jié)約了整個(gè)吊裝成本，提高施工效率，圖7 為管片吊裝的施工模擬過程。

圖7 管片吊裝施工模擬

2.3.2 多源數(shù)據(jù)整合應(yīng)用

場(chǎng)地環(huán)境模型是三門路下立交工程需要關(guān)注的一個(gè)重要組成部分，它涉及到主體結(jié)構(gòu)與環(huán)境的位置關(guān)系。無人機(jī)采集工程的高疊合率照片，利用相關(guān)專業(yè)處理軟件，形成帶有工程坐標(biāo)信息的實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)，并與施工籌劃方案、BIM 模型于統(tǒng)一坐標(biāo)系下進(jìn)行整合，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供數(shù)據(jù)支撐。

項(xiàng)目利用無人機(jī)技術(shù)，進(jìn)行前期大臨設(shè)計(jì)及施工便道籌劃分析，預(yù)判了現(xiàn)場(chǎng)施工空間及便道設(shè)置的合理性，見圖8（a）。同時(shí)基于無人機(jī)正射影像技術(shù)，并進(jìn)行控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，形成帶有工程坐標(biāo)信息的矢量高清正射圖。以施工工序籌劃CAD 方案為基準(zhǔn)，將正射影像圖、相關(guān)地下環(huán)境數(shù)據(jù)圖等以統(tǒng)一工程坐標(biāo)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)施工設(shè)計(jì)方案與實(shí)體工程環(huán)境無縫銜接，見圖8（b），達(dá)到有效組織現(xiàn)場(chǎng)施工的目的，為項(xiàng)目施工籌劃提供了決策依據(jù)。

圖8 多源數(shù)據(jù)整合應(yīng)用

2.4 智慧工地系統(tǒng)應(yīng)用

項(xiàng)目在三維模型應(yīng)用與正射影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，歸納施工各要素之間的相互關(guān)系以及對(duì)工程項(xiàng)目整體進(jìn)行分部分項(xiàng)拆分的基礎(chǔ)上研究開發(fā)了智慧工地系統(tǒng)，主要功能板塊包括：監(jiān)控中心（實(shí)時(shí)定位、視頻監(jiān)控、事件通知等）、人員管理（人員教育、測(cè)評(píng)、違章記錄等）、設(shè)備管理、現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全管理（問題整改、推薦作業(yè)等），由Web 端及移動(dòng)端兩種應(yīng)用方式，見圖9。

圖9 智慧工地系統(tǒng)

系統(tǒng)監(jiān)控中心頁(yè)面，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的人員、設(shè)備、危險(xiǎn)品、視頻監(jiān)控、施工進(jìn)度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了有效集成，管理者可基于監(jiān)控中心頁(yè)面總覽項(xiàng)目進(jìn)展。如圖9 所示，基于系統(tǒng)監(jiān)控中心界面，可查看現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備、危險(xiǎn)品等實(shí)時(shí)位置、不同工種用不同顏色進(jìn)行區(qū)分，頁(yè)面上可快速查找到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及設(shè)備所在位置，點(diǎn)擊相關(guān)圖標(biāo)查看人員相應(yīng)信息及設(shè)備工作狀態(tài)等。同時(shí)，在界面上點(diǎn)擊攝像頭圖標(biāo)查看該位置下的現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控實(shí)況，方便管理人員實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況。其次，通過點(diǎn)擊各基坑區(qū)域，可隨時(shí)查看基坑施工進(jìn)度情況，方便各層級(jí)管理人員實(shí)時(shí)查看施工進(jìn)展。

智慧工地系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，為企業(yè)管理者及項(xiàng)目管理者提供了線上管控的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了管理人員隨時(shí)隨地管控項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的目的，有效規(guī)范了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)人員的管理及質(zhì)量安全問題的反饋整改流程與效率，為項(xiàng)目決策及高效管理提供了有效技術(shù)手段。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于城市復(fù)雜地下互通立交工程數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)路線與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理人員全過程參與，做到利用數(shù)字化技術(shù)去改進(jìn)工作方式、提升管理精細(xì)化程度，為項(xiàng)目創(chuàng)造更高的利潤(rùn)空間?；陧?xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐主要成效體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

（1）三維模型應(yīng)用度高

通過建立大量的高精度三維模型，并于統(tǒng)一坐標(biāo)系下整合形成工程完整信息模型，在工藝優(yōu)化、空間有效利用方面起到了很好的三維可視化指導(dǎo)作用，幫助項(xiàng)目部提前發(fā)現(xiàn)問題，同時(shí)基于整合的模型，進(jìn)行施工方案可視化交底，確保了項(xiàng)目各方有效了解工程結(jié)構(gòu)及施工工藝，提升了溝通協(xié)調(diào)效率。

（2）提升精細(xì)化管理水平

基于工程數(shù)字化技術(shù)的項(xiàng)目管理，項(xiàng)目各崗位條線生產(chǎn)管理都基于同一數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，項(xiàng)目管理決策均有合理可追溯的數(shù)據(jù)支撐，項(xiàng)目管理細(xì)化到構(gòu)件級(jí)、工種級(jí)，使得項(xiàng)目管理更加精細(xì)化。

（3）完善公司信息化管理流程

通過項(xiàng)目數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用實(shí)施，有利于公司及其他項(xiàng)目信息化管理流程的完善。企業(yè)信息化管理需要海量數(shù)據(jù)的收集、沉淀與分析，項(xiàng)目數(shù)字化應(yīng)用實(shí)踐為企業(yè)管理信息化提供了有效基礎(chǔ)。