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(jià)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(jì)面對(duì)復(fù)雜沉管隧道工程時(shí)，已經(jīng)難以滿足設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營信息一體化應(yīng)用的要求，需要借助全新的設(shè)計(jì)手段為項(xiàng)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(duì)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行系統(tǒng)的管理、應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目全生命周期信息化管理，從而提高工程項(xiàng)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(xiàng)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(diǎn)與東南西環(huán)高速及廣珠西線相接，項(xiàng)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(jì)形式，兩個(gè)車行孔和一個(gè)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(shí)避難空間和逃生用通道。

項(xiàng)目建設(shè)條件錯(cuò)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(diǎn)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(yàn)證并優(yōu)化常規(guī)設(shè)計(jì)方法完成的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，統(tǒng)籌項(xiàng)目之間的各種信息。

建模研究

平臺(tái)選擇

目前工程領(lǐng)域主要有4 個(gè)基礎(chǔ)建模平臺(tái)，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(xiàng)目采用Bentley 系列軟件作為BIM 核心建模平臺(tái)。

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

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

模型標(biāo)準(zhǔn)

模型是承載信息的實(shí)體，也是信息輸入、交付和管理的對(duì)象，因此，模型的建立是BIM技術(shù)在項(xiàng)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(xiàng)目BIM 標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)軟件功能并結(jié)合本項(xiàng)目的工程特點(diǎn)，同時(shí)參考了《中國市政設(shè)計(jì)行業(yè)BIM 實(shí)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(cè)，制定了本項(xiàng)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(shí)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(jì)的前提條件。

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

圖1 如意坊隧道與地鐵11 號(hào)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(jìn)行三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建，先通過“地理技術(shù)”選項(xiàng)卡功能將鉆孔數(shù)據(jù)連接進(jìn)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(jì)是一種通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)方案調(diào)整的設(shè)計(jì)方法。參數(shù)化建模能夠在方案修改時(shí)，快速實(shí)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(jì)已被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)行業(yè)。由于市政工程項(xiàng)目的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常會(huì)遇到方案調(diào)整，通過整體參數(shù)化設(shè)計(jì)和構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)，能夠在方案修改后快速更新設(shè)計(jì)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(xiàng)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(xiàng)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(jìn)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(jì)規(guī)范和項(xiàng)目主要控制點(diǎn)進(jìn)行平縱設(shè)計(jì)。

本工程范圍內(nèi)有運(yùn)營中的地鐵6 號(hào)線和規(guī)劃地鐵11 號(hào)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(hào)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(jì)工具和方法難以精確且直觀地處理如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)條件，利用OpenRoads Designer 將設(shè)計(jì)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(jì)控制條件實(shí)時(shí)調(diào)整，確保設(shè)計(jì)方案技術(shù)合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)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(jì)時(shí)，為方便沉管管段預(yù)制加工，沉管段實(shí)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(jì)的建模，需要設(shè)計(jì)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(jì)。橫斷面是實(shí)現(xiàn)隧道參數(shù)化設(shè)計(jì)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(diǎn)約束，圖形的每個(gè)交點(diǎn)都是一個(gè)可添加參數(shù)約束的控制點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要設(shè)置合適的參數(shù)，如頂?shù)装搴穸?、?cè)墻厚度、隧道內(nèi)凈寬、凈高等。

創(chuàng)建隧道實(shí)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(jìn)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(jìn)行布跨設(shè)計(jì)。第五步，通過“Place Deck”工具創(chuàng)建隧道實(shí)體模型。在“Place Deck”對(duì)話框中選擇對(duì)應(yīng)的橫斷面模板，在參數(shù)界面輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)建模。

不同的隧道位置在創(chuàng)建模型時(shí)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(jì)標(biāo)高與隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高的高差來確定的，可以通過點(diǎn)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(shí)現(xiàn)側(cè)墻高度自動(dòng)計(jì)算；暗埋段有射流風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)；上下行隧道之間的消防通道可以利用實(shí)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(gè)底面控制點(diǎn)，并將底面所有點(diǎn)的豎向都約束到該控制點(diǎn)。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(diǎn)控制，將底面控制點(diǎn)跟不含豎曲線的縱斷面進(jìn)行約束，從而實(shí)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(jī)和消防設(shè)施等。

模型信息化

一個(gè)全面的信息模型，可以在建設(shè)項(xiàng)目生命周期的不同階段連接數(shù)據(jù)、過程和資源，它是對(duì)工程對(duì)象的完整描述，可以被建筑項(xiàng)目參與者廣泛使用。BIM 的全生命周期從設(shè)計(jì)開始，設(shè)計(jì)階段信息模型的建立為施工和運(yùn)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(jì)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(xiàng)類型將其他的設(shè)計(jì)信息添加到模型中，可以隨時(shí)查看構(gòu)件的各種設(shè)計(jì)信息，圖6為隧道節(jié)段的設(shè)計(jì)信息查看。

BIM 模型應(yīng)用

在沉管隧道BIM 設(shè)計(jì)中，利用BIM 模型可以進(jìn)行各專業(yè)間碰撞檢查與設(shè)計(jì)校核，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與精細(xì)化水平。通過工程量輔助統(tǒng)計(jì)，減少人為失誤，確保統(tǒng)計(jì)及時(shí)準(zhǔn)確；利用BIM模型進(jìn)行管段力學(xué)分析計(jì)算，減少重復(fù)建模工作。通過三維可視化展示，提高項(xiàng)目參與各方及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部溝通效率；通過工程進(jìn)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(jì)，減少傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和碰撞沖突，大大降低因設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致的工程投資增加及工期延長風(fēng)險(xiǎn)。

該項(xiàng)目沉管段與廣州地鐵11 號(hào)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(jìn)行碰撞檢查，通過BIM 模型對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(xiàng)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(jì)

BIM 模型能實(shí)現(xiàn)和工程數(shù)量表的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，快速統(tǒng)計(jì)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(dòng)更新，實(shí)時(shí)計(jì)算工程實(shí)物量，有效提升工程造價(jià)的精度與效率。

計(jì)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(dòng)力學(xué)計(jì)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(jì)算模型，圖10為BIM 模型導(dǎo)出流體動(dòng)力學(xué)計(jì)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(shí)也包含了構(gòu)件之間的互動(dòng)性和反饋性。通過將BIM 三維模型文件在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等整個(gè)生命周期中流轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程中的三維可視化。

虛擬施工模擬工程進(jìn)度

BIM 三維模型加入時(shí)間維度，可以進(jìn)行虛擬施工模擬。在工程還處于設(shè)計(jì)階段時(shí)，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(jì)錯(cuò)誤，并通過模擬驗(yàn)證施工工藝和工法的合理性和可行性。

項(xiàng)目中過江隧道與擬建地鐵11 號(hào)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(jìn)行11 號(hào)線盾構(gòu)施工，才能確保鄰近地鐵11 號(hào)線江中隧道的安全。BIM 技術(shù)在本項(xiàng)目的應(yīng)用，可以事先確定準(zhǔn)確工期，為地鐵11 號(hào)線實(shí)施安排提供科學(xué)依據(jù)。

BIM 技術(shù)在沉管隧道設(shè)計(jì)階段的實(shí)施為項(xiàng)目施工和運(yùn)維階段的BIM 應(yīng)用奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，促進(jìn)項(xiàng)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(dòng)工程量

圖9 沉管隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖10 沉管隧道流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

圖11 如意坊放射線工程可視化展示