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媽灣跨海通道:從跨海工程中探索BIM本質
2019-09-26 來源:橋梁·BIM視界

  隨著城市化進程的高速發展,城市規模在不斷擴大,基礎設施建設規模在增大,城市管理水平要求在提高。設計單位尋求更高效的技術手段提升服務價值,隨著BIM技術的應用嘗試與實踐,使項目建設相關參與方,逐漸認識到BIM技術在項目實施過程中的重要性。

  

  項目位置示意圖

  BIM技術是應用于工程全生命周期的數字技術,本質是數據信息的流轉,減少數據丟失,減輕重復工作內容,最終將項目中各種信息實現有效的一一關聯。BIM工具軟件更多關注于如何實現BIM建模問題,截至目前未能提出較好實現全過程應用的解決方案。媽灣項目結合工程特點、BIM技術應用需求,通過專項技術研究實現項目需求的BIM技術應用目標。

  

  媽灣項目BIM技術應用從設計階段出發,在施工階段完善信息,最終共同服務于運維階段。開展研究內容分別是:建模(編碼、數據傳遞)、交付等標準研究,BIM建模方法研究,BIM模型平臺(模型應用環境)研究,BIM應用場景(各階段BIM應用點)研究。經過對BIM技術應用內容的深入研究,實現BIM應用并形成BIM成果,從而實現BIM應用價值。最后,展望未來BIM應用的重點研究方向并提出建議。

  跨海工程的挑戰

  工程概況

  媽灣跨海通道(月亮灣大道—沿江高速)工程位于深圳市前海合作區媽灣片區及寶安區大鏟灣港區,路線起于南山媽灣港區的媽灣大道與月亮灣大道交叉處,終于大鏟灣片區大鏟灣沿江高速收費站及金灣大道-西鄉大道路口。

  媽灣跨海通道南起月亮灣大道,北至沿江高速大鏟灣收費站,分為前海段、海域段和大鏟灣段,主線全長約8.05公里,其中前海段2.5公里,海域段1.1公里,大鏟灣段4.45公里。

  媽灣跨海通道分為地面道路和地下道路兩部分,地下道路規劃等級為城市快速路,雙向六車道,設計速度80公里/小時;隧道全長6280米,其中前海陸域明挖隧道段820米,海域盾構隧道段2060米,大鏟灣陸域明挖隧道段3400米。地面道路規劃等級為城市主干路,雙向六車道,設計速度40公里/小時。其中前海地面道路2.3公里,大鏟灣地面道路4.4公里。道路規劃紅線寬度為:前海段80米,大鏟灣段70米。

  全線設置完善的市政管線和交通安全設施,隧道監控管養中心1座。

  項目沿線先后與前海段月亮灣大道(現狀)、怡海大道(現狀臨海路)、規劃夢海大道、現狀振海路、規劃聽海大道(現狀航海路)、規劃臨海大道(現狀聽海路),大鏟灣段規劃緯一路、緯二路、緯三路、緯四路、緯五路、緯六路、輔一路、輔二路,以及現狀輔三路、金灣大道等道路相交。

  工程特點

  媽灣跨海通道工程受周邊環境、地質巖層特點、遠期規劃控制條件等因素的綜合疊加影響,總結主要工程特點如下:

  1.自然環境復雜、控制因素諸多、設計條件局促;

  2.海底盾構隧道、地質情況復雜、設計風險較高;

  3.超深超寬基坑、突破規范標準、設計難度較大;

  4.協同專業較多、銜接難度較高、組織協調極難;

  5.超長海底隧道、運營風險較高、運維策略復雜。

  BIM技術的應用優勢

  本項目在“設計—建造—運維”過程中利用BIM技術輔助工程方案設計、概預算、施工方案評估等新技術應用;并將BIM作為各階段利益相關方的決策基礎。媽灣跨海通道工程基于真實三維隧道模型,輔助分析研究應急策略。

  1.多種技術建立環境模型,虛擬復建現況控制條件;

  2.地勘報告創建地質模型,分析地質條件指導設計;

  3.復雜基坑三維可視設計,嚴格計算精細空間布置;

  4.全部專業進行協同工作,減少錯誤提高工作效率。

  BIM技術研究

  BIM標準

  1.建模標準

  結合媽灣項目特點、BIM技術需求,BIM工作所處階段特點、工程設計難點、設計階段BIM成果與施工、運維階段的技術應用需求,編制了媽灣BIM建模技術標準,并應用于指導各階段建模工作,制定滿足于本項目設計、施工、運維階段的數據傳遞標準——《媽灣跨海通道工程BIM技術設計實施細則》與《媽灣跨海通道工程BIM分類編碼標準》。

  2.交付標準

  為保障媽灣跨海通道工程BIM工作實施過程中,對BIM成果的交付行為提供一個具有可操作性、兼容性強的統一基準;保障項目各參與方在同一體系下工作和交流,方便上下游單位實施廣泛的數據共享。參照執行交付標準行業標準、深圳地方標準。

  執行《交通建筑領域建筑信息模型(BIM)設計交付標準》和其他地區相關行業BIM模型交付標準。

  BIM方法

  針對媽灣項目時間節點要求,結合各專業人員BIM技術應用水平,BIM技術儲備現狀,擬采用依據設計成果翻模與工程設計相結合的并行工作方式開展建模工作,同時開展正向設計建模方法研究工作。

  依據設計成果建模 應用BIM軟件根據設計成果進行逐項建模的方法。為提高建模效率,盡量采用二次開發技術建模。

  設計建模 直接采用BIM軟件進行各專業協同設計,并輔助模型的二維出圖。

  并行設計 根據媽灣跨海通道工程特點,結合相關工程BIM技術應用經驗,本項目技術目的為探索專業間BIM協同設計系統解決方案。

  

  并行模式示意圖

  本項目采用CAD設計(二維圖紙)與BIM技術設計并行的模式。這種模式能極大程度彌補BIM軟件現階段出圖短板的弊端,有利于BIM技術應用的順利開展。相比直接翻模模式,這種BIM設計的技術要求更高、難度更大、投入更多,能夠極大限度地發揮BIM技術的優勢,實現高層次的協同設計應用,輔助項目設計,提升設計水平及設計質量。

  BIM平臺

  1.設計建模

  目前市面上三維建模軟件多達數十種,但各軟件各有側重,價格差距也較大。目前應用最廣泛的是AutoDesk公司開發的Revit和Navisworks軟件,Revit軟件主要用于三維建模,Navisworks軟件主要用于模型仿真分析。

  結合項目特點、BIM應用點需求,采用歐特克公司出品的BIM系列軟件。

  本項目中利用AutoDesk開發的BIM設計建模平臺軟件,完成了道路、隧道、橋梁、基坑、管線管廊等工程的設計建模工作。

  2.協同分析

  根據BIM模型,在模型創建的過程中,記錄完成創建首次BIM模型工作后,將模型數據進入Autodesk Navisworks中,利用Navisworks的強大整合功能,把全線BIM模型整合到Navisworks軟件中,在軟件中進行碰撞檢查、設置視點。在軟件中設置問題分析視點,能展示項目現階段存在的設計問題,快速地找到有問題的位置。通過設置視點,展示同一位置不同設計方案的虛擬建造效果,輔助分析方案優劣完成比選。

  3.輕量化展示

  720°全景展示 基于BIM模型制作的項目全景瀏覽鏈接。可以通過移動端掃二維碼打開模型,也可以通過分享鏈接在PC端直接打開、瀏覽項目模型。

  A360輕量化展示,是基于云計算的BIM數據管理平臺,通過該平臺可以實現溝通、交付、審核及儲存的功能。在手機端下載應用或在PC端瀏覽器打開鏈接,即可快速查看項目模型。一旦產生變更,能實時更新模型。

  BIM應用場景

  1.設計階段

  (1)前期咨詢

  完成項目總體策劃,提前進行相關技術標準研究。

  道路、橋梁、隧道、管線管廊專業利用BIM軟件,將設計成果逐項建模,部分建模工作嘗試采用二次開發建模工具完成。

  各專業模型實現整合。

  制作完成BIM展示視頻。

  (2)初步設計

  碰撞檢查、設計方案優化、工程量統計。

  輔助工程方案比選。

  4D模擬、施工模擬、VR、駕駛模擬。

  可視化交底、工作匯報。

  應急逃生分析。

  本階段完成全線工程模型不低于LOD200的建模精度要求,并通過輕量化處理后,實現將模型數據在輕量化平臺中的三維展示、項目匯報及專業交底等工作。

  (3)施工圖設計

  施工設計階段BIM工作內容量增大,在深化LOD200標準模型的基礎上,深化設計、細化模型信息等建模工作。此外,施工圖設計成果是交付給下一階段的成果,對設計部門來說是工作結束,對施工單位來說是BIM技術應用工作的開始,同理,是后續運維階段對BIM模型數據的應用需求。在BIM模型的流轉過程中,設計單位作為BIM模型數據的起始部門,具備很大的優勢將施工階段、運維階段的BIM技術應用串聯起來,因而,BIM工作需要結合施工、運維的應用需求。

  2.施工階段

  (1)優化施工場地

  利用BIM技術、傾斜攝影實景建模等技術,通過虛擬建造場地,在有限的場地內進行場內工作區的優化布置設計,并通過BIM模型計算分析工區分布位置的合理性,提高場地的利用效率。

  (2)4D施工模擬

  運用BIM技術實現4D施工模擬,在計算機上模擬基坑、盾構施工過程,不僅可以提前發現施工中可能出現的問題,而且還能夠提前采取相應措施降低施工風險,確保施工安全,盡可能避免出現返工現象。

  (3)可視化

  施工階段應用三維模型可快速查詢工程所在地質情況、構件結構、位置信息等,節省管理人員時間,有效提高工作效率。

  (4)方案交底

  安全技術交底時應用BIM技術和3D打印,可以使情況更直觀,使管理人員和班組人員能夠容易理解施工重點、施工措施和注意事項。

  (5)工程量統計

  Revit軟件統計的模型工程量與清單工程量和實際消耗量進行多算對比,方便成本管控。

  (6)人、設備管理

  利用外部硬件設備將工作人員、管理人員、各種施工設備的信息(人員信息、工作分工項目、規定活動區域、設備控制信息、施工工作信息)與BIM模型利用空間定位等技術進行關聯,在基于BIM技術的施工管理平臺中,實時顯示人員分布情況、人員每天完成的工作量統計、施工設備電子圍欄工作區域管理等BIM技術應用。

  (7)構件制作、運輸、裝配過程控制

  利用設計階段建立的構件模型,將加工構件信息電子化,依據施工進度計劃,進行電子下單(包含構建空間幾何尺寸信息、材質、加工進行步驟、加工生產狀態等信息),構件加工工人依據電子單操作加工設備,按單下料加工,并可實施查詢、追溯構件過程。實現構件加工、運輸、裝配等信息的實時可查、可知、可控。

  3.運維階段

  BIM模型在經過設計階段建模、施工階段模型信息補充過程后,BIM模型等級達到LOD400,信息內容極大豐富,除簡單的空間幾何尺寸等構造信息、材質信息外,還包含了構建生成、建造等相關信息,與運維階段管養、監測工作相接,利用BIM技術提升運維養護管理水平。本階段相關主要應用于:

  ● 資產管理系統

  ● 綜合養護管理系統

  ● 養護數據移動采集系統

  ● 健康監測系統

  ● 通風、除濕、消防等系統

  ● 運營安全監控、應急救援系統

  媽灣項目BIM技術應用

  BIM的價值在工程全生命周期過程,體現在各階段能夠充分利用上階段數據,在此基礎上生成當前階段工程數據,并能很好地傳遞給下階段,各階段與相關階段的數據信息能夠形成有效銜接,實現數據有效流轉,對工程帶來數據應用價值。

  受限于當前行業應用衡量標準不完善、各階段應用研究重點不同,對相鄰階段傳遞數據的格式、內容等要求不一致,造成目前市政工程項目未能出現真正全生命周期的BIM技術應用。

  本項目結合所處設計階段工程特點、設計難點、設計階段BIM成果與施工、運維階段的技術應用需求出發,分別開展三個階段BIM技術應用工作。開展BIM技術應用點如表1所示。

  設計階段重要BIM技術應用點介紹如下:

  復雜超深基坑BIM技術應用

  基于BIM模型進行本階段的可建造性分析及優化建議報告。所有分析的結果形成分析數據和報告。本報告提供兩種形式的內容:圖紙分析與綜合分析。其中,圖紙分析主要記錄在BIM模型創建過程中遇到的圖紙表達方面的問題。綜合分析是BIM分析的重點內容。通過完整的BIM模型,檢測各專業間的沖突及不協調。

  1.4D仿真

  臨海大道段基坑支護形式多樣、空間結構復雜。利用BIM技術,在創建BIM模型后,依據施工工序,為模型添加信息代碼,得到施工工序信息模型。利用4D模擬技術,對施工工序進行模擬和展示。用于驗證施工方案的可行性。提前發現節點計劃過程中可能存在的干涉風險,使項目參與方充分理解項目的關鍵節點控制要求。

  依據基坑施工工期表,把基坑BIM模型按節點分區,并對每個構件進行編碼。給予構件一個“ISBIM4D”參數,并在參數內填寫編碼。

  2.工程量統計

  BIM工程量是基于三維BIM模型進行統計,利用BIM軟件,可以對BIM模型較快提取出工程量,是對BIM模型數據的進一步開發利用。與利用二維圖紙統計的工程量方式相比較,具備效率高、數量統計精確等優勢。在本項目中通過兩種方式的工程數量比對,校核了工程數量,降低了工程概算誤差。

  應急逃生策略研究驗證

  媽灣跨海通道位于深海下,隧道長約6.3千米,長隧內對運營安全監控、應急救援管理標準高,造成逃生方案設計復雜,利用BIM技術手段,從多維度對逃生方案進行分析、設計、優化。

  1.仿真分析

  設計階段以解決隧道內發生火災工況時保障相關人員快速安全逃生的重要問題。火災工況時對人員逃生的影響主要因素:煙氣擴散條件、逃生路徑合理性。

  利用盾構隧道BIM模型對煙氣擴散規律、人員疏散路徑進行數值仿真,分析驗證防災救援相關工程方案設計的合理性。

  2.逃生策略驗證

  利用盾構隧道BIM模型,考慮人員疏散、車輛疏散等分析模型的邊界條件,以動畫模擬形式模擬隧道內出現緊急情況下,驗證應急響應、疏散、救援策略的合理性。

  盾構模型圖

  利用BIM模型的多維度屬性,依據逃生方案(各種工況預案)設計應急逃生疏散計算模型,通過對不同工況下的火災條件、人員條件、車輛條件、救援設備條件的錄入,利用逃生策略模型分析評估隧道主體結構設計的合理性。

  在當前大環境下,市政項目BIM應用需求高漲,國家出臺相關引導政策,地方業主單位積極制定地方執行標準,各設計單位、施工單位、管養單位積極推進BIM技術與工程項目的結合應用。

  目前受BIM軟件工具、設備硬件,建模標準、數據傳遞標準,BIM技術應用需求、應用理念的限制,造成各階段的BIM成果數據的可傳遞性較差,大部分都關注于各自階段內的應用。

  BIM本質是數據,設計單位作為數據的制造者,施工單位作為數據的補充者,業主、運維部門、管理部門作為數據的使用者,應盡快建立起行業統一適用的標準。

  媽灣跨海通道項目基于項目級BIM技術應用標準,在解決設計階段應用需求的基礎上,與施工單位聯合開展BIM應用工作,補充數據內容,共同服務于下階段的運管部門,設計單位協助其解決模型+數據與運維管理策略的結合應用問題,從而實現設計單位、施工單位、業主單位、運管部門的共同BIM應用價值。

  本文刊載 /《橋梁·BIM視界》雜志 2019年 第3期 總第10期

  作者 / 劉海強 楊冰 許志宏等

  作者單位 / 北京市市政工程設計研究總院有限公司

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