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              妈湾跨海通道:从跨海工程中探索BIM本质
              2019-09-26 来源:桥梁·BIM视界

                随着城市化进程的高速发展,城市规模在不断扩大,基础设施建设规模在增大,城市管理水平要求在提高。设计单位寻求更高效的技术手段提升服务价值,随着BIM技术的应用尝试与实践,使项目建设相关参与方,逐渐认识到BIM技术在项目实施过程中的重要性。

                

                项目位置示意图

                BIM技术是应用于工程全生命周期的数字技术,本质是数据信息的流转,减少数据丢失,减轻重复工作内容,最终将项目中各种信息实现有效的一一关联。BIM工具软件更多关注于如何实现BIM建模问题,截至目前未能提出较好实现全过程应用的解决方案。妈湾项目结合工程特点、BIM技术应用需求,通过专项技术研究实现项目需求的BIM技术应用目标。

                

                妈湾项目BIM技术应用从设计阶段出发,在施工阶段完善信息,最终共同服务于运维阶段。开展研究内容分别是:建模(编码、数据传递)、交付等标准研究,BIM建模方法研究,BIM模型平台(模型应用环境)研究,BIM应用场景(各阶段BIM应用点)研究。经过对BIM技术应用内容的深入研究,实现BIM应用并形成BIM成果,从而实现BIM应用价值。最后,展望未来BIM应用的重点研究方向并提出建议。

                跨海工程的挑战

                工程概况

                妈湾跨海通道(月亮湾大道—沿江高速)工程位于深圳市前海合作区妈湾片区及宝安区大铲湾港区,路线起于南山妈湾港区的妈湾大道与月亮湾大道交叉处,终于大铲湾片区大铲湾沿江高速收费站及金湾大道-西乡大道路口。

                妈湾跨海通道南起月亮湾大道,北至沿江高速大铲湾收费站,分为前海段、海域段和大铲湾段,主线全长约8.05公里,其中前海段2.5公里,海域段1.1公里,大铲湾段4.45公里。

                妈湾跨海通道分为地面道路和地下道路两部分,地下道路规划等级为城市快速路,双向六车道,设计速度80公里/小时;隧道全长6280米,其中前海陆域明挖隧道段820米,海域盾构隧道段2060米,大铲湾陆域明挖隧道段3400米。地面道路规划等级为城市主干路,双向六车道,设计速度40公里/小时。其中前海地面道路2.3公里,大铲湾地面道路4.4公里。道路规划红线宽度为:前海段80米,大铲湾段70米。

                全线设置完善的市政管线和交通安全设施,隧道监控管养中心1座。

                项目沿线先后与前海段月亮湾大道(现状)、怡海大道(现状临海路)、规划梦海大道、现状振海路、规划听海大道(现状航海路)、规划临海大道(现状听海路),大铲湾段规划纬一路、纬二路、纬三路、纬四路、纬五路、纬六路、辅一路、辅二路,以及现状辅三路、金湾大道等道路相交。

                工程特点

                妈湾跨海通道工程受周边环境、地质岩层特点、远期规划控制条件等因素的综合叠加影响,总结主要工程特点如下:

                1.自然环境复杂、控制因素诸多、设计条件局促;

                2.海底盾构隧道、地质情况复杂、设计风险较高;

                3.超深超宽基坑、突破规范标准、设计难度较大;

                4.协同专业较多、衔接难度较高、组织协调极难;

                5.超长海底隧道、运营风险较高、运维策略复杂。

                BIM技术的应用优势

                本项目在“设计—建造—运维”过程中利用BIM技术辅助工程方案设计、概预算、施工方案评估等新技术应用;并将BIM作为各阶段利益相关方的决策基础。妈湾跨海通道工程基于真实三维隧道模型,辅助分析研究应急策略。

                1.多种技术建立环境模型,虚拟复建现况控制条件;

                2.地勘报告创建地质模型,分析地质条件指导设计;

                3.复杂基坑三维可视设计,严格计算精细空间布置;

                4.全部专业进行协同工作,减少错误提高工作效率。

                BIM技术研究

                BIM标准

                1.建模标准

                结合妈湾项目特点、BIM技术需求,BIM工作所处阶段特点、工程设计难点、设计阶段BIM成果与施工、运维阶段的技术应用需求,编制了妈湾BIM建模技术标准,并应用于指导各阶段建模工作,制定满足于本项目设计、施工、运维阶段的数据传递标准——《妈湾跨海通道工程BIM技术设计实施细则》与《妈湾跨海通道工程BIM分类编码标准》。

                2.交付标准

                为保障妈湾跨海通道工程BIM工作实施过程中,对BIM成果的交付行为提供一个具有可操作性、兼容性强的统一基准;保障项目各参与方在同一体系下工作和交流,方便上下游单位实施广泛的数据共享。参照执行交付标准行业标准、深圳地方标准。

                执行《交通建筑领域建筑信息模型(BIM)设计交付标准》和其他地区相关行业BIM模型交付标准。

                BIM方法

                针对妈湾项目时间节点要求,结合各专业人员BIM技术应用水平,BIM技术储备现状,拟采用依据设计成果翻模与工程设计相结合的并行工作方式开展建模工作,同时开展正向设计建模方法研究工作。

                依据设计成果建模 应用BIM软件根据设计成果进行逐项建模的方法。为提高建模效率,尽量采用二次开发技术建模。

                设计建模 直接采用BIM软件进行各专业协同设计,并辅助模型的二维出图。

                并行设计 根据妈湾跨海通道工程特点,结合相关工程BIM技术应用经验,本项目技术目的为探索专业间BIM协同设计系统解决方案。

                

                并行模式示意图

                本项目采用CAD设计(二维图纸)与BIM技术设计并行的模式。这种模式能极大程度弥补BIM软件现阶段出图短板的弊端,有利于BIM技术应用的顺利开展。相比直接翻模模式,这种BIM设计的技术要求更高、难度更大、投入更多,能够极大限度地发挥BIM技术的优势,实现高层次的协同设计应用,辅助项目设计,提升设计水平及设计质量。

                BIM平台

                1.设计建模

                目前市面上三维建模软件多达数十种,但各软件各有侧重,价格差距也较大。目前应用最广泛的是AutoDesk公司开发的Revit和Navisworks软件,Revit软件主要用于三维建模,Navisworks软件主要用于模型仿真分析。

                结合项目特点、BIM应用点需求,采用欧特克公司出品的BIM系列软件。

                本项目中利用AutoDesk开发的BIM设计建模平台软件,完成了道路、隧道、桥梁、基坑、管线管廊等工程的设计建模工作。

                2.协同分析

                根据BIM模型,在模型创建的过程中,记录完成创建首次BIM模型工作后,将模型数据进入Autodesk Navisworks中,利用Navisworks的强大整合功能,把全线BIM模型整合到Navisworks软件中,在软件中进行碰撞检查、设置视点。在软件中设置问题分析视点,能展示项目现阶段存在的设计问题,快速地找到有问题的位置。通过设置视点,展示同一位置不同设计方案的虚拟建造效果,辅助分析方案优劣完成比选。

                3.轻量化展示

                720°全景展示 基于BIM模型制作的项目全景浏览链接。可以通过移动端扫二维码打开模型,也可以通过分享链接在PC端直接打开、浏览项目模型。

                A360轻量化展示,是基于云计算的BIM数据管理平台,通过该平台可以实现沟通、交付、审核及储存的功能。在手机端下载应用或在PC端浏览器打开链接,即可快速查看项目模型。一旦产生变更,能实时更新模型。

                BIM应用场景

                1.设计阶段

                (1)前期咨询

                完成项目总体策划,提前进行相关技术标准研究。

                道路、桥梁、隧道、管线管廊专业利用BIM软件,将设计成果逐项建模,部分建模工作尝试采用二次开发建模工具完成。

                各专业模型实现整合。

                制作完成BIM展示视频。

                (2)初步设计

                碰撞检查、设计方案优化、工程量统计。

                辅助工程方案比选。

                4D模拟、施工模拟、VR、驾驶模拟。

                可视化交底、工作汇报。

                应急逃生分析。

                本阶段完成全线工程模型不低于LOD200的建模精度要求,并通过轻量化处理后,实现将模型数据在轻量化平台中的三维展示、项目汇报及专业交底等工作。

                (3)施工图设计

                施工设计阶段BIM工作内容量增大,在深化LOD200标准模型的基础上,深化设计、细化模型信息等建模工作。此外,施工图设计成果是交付给下一阶段的成果,对设计部门来说是工作结束,对施工单位来说是BIM技术应用工作的开始,同理,是后续运维阶段对BIM模型数据的应用需求。在BIM模型的流转过程中,设计单位作为BIM模型数据的起始部门,具备很大的优势将施工阶段、运维阶段的BIM技术应用串联起来,因而,BIM工作需要结合施工、运维的应用需求。

                2.施工阶段

                (1)优化施工场地

                利用BIM技术、倾斜摄影实景建模等技术,通过虚拟建造场地,在有限的场地内进行场内工作区的优化布置设计,并通过BIM模型计算分析工区分布位置的合理性,提高场地的利用效率。

                (2)4D施工模拟

                运用BIM技术实现4D施工模拟,在计算机上模拟基坑、盾构施工过程,不仅可以提前发现施工中可能出现的问题,而且还能够提前采取相应措施降低施工风险,确保施工安全,尽可能避免出现返工现象。

                (3)可视化

                施工阶段应用三维模型可快速查询工程所在地质情况、构件结构、位置信息等,节省管理人员时间,有效提高工作效率。

                (4)方案交底

                安全技术交底时应用BIM技术和3D打印,可以使情况更直观,使管理人员和班组人员能够容易理解施工重点、施工措施和注意事项。

                (5)工程量统计

                Revit软件统计的模型工程量与清单工程量和实际消耗量进行多算对比,方便成本管控。

                (6)人、设备管理

                利用外部硬件设备将工作人员、管理人员、各种施工设备的信息(人员信息、工作分工项目、规定活动区域、设备控制信息、施工工作信息)与BIM模型利用空间定位等技术进行关联,在基于BIM技术的施工管理平台中,实时显示人员分布情况、人员每天完成的工作量统计、施工设备电子围栏工作区域管理等BIM技术应用。

                (7)构件制作、运输、装配过程控制

                利用设计阶段建立的构件模型,将加工构件信息电子化,依据施工进度计划,进行电子下单(包含构建空间几何尺寸信息、材质、加工进行步骤、加工生产状态等信息),构件加工工人依据电子单操作加工设备,按单下料加工,并可实施查询、追溯构件过程。实现构件加工、运输、装配等信息的实时可查、可知、可控。

                3.运维阶段

                BIM模型在经过设计阶段建模、施工阶段模型信息补充过程后,BIM模型等级达到LOD400,信息内容极大丰富,除简单的空间几何尺寸等构造信息、材质信息外,还包含了构建生成、建造等相关信息,与运维阶段管养、监测工作相接,利用BIM技术提升运维养护管理水平。本阶段相关主要应用于:

                ● 资产管理系统

                ● 综合养护管理系统

                ● 养护数据移动采集系统

                ● 健康监测系统

                ● 通风、除湿、消防等系统

                ● 运营安全监控、应急救援系统

                妈湾项目BIM技术应用

                BIM的价值在工程全生命周期过程,体现在各阶段能够充分利用上阶段数据,在此基础上生成当前阶段工程数据,并能很好地传递给下阶段,各阶段与相关阶段的数据信息能够形成有效衔接,实现数据有效流转,对工程带来数据应用价值。

                受限于当前行业应用衡量标准不完善、各阶段应用研究重点不同,对相邻阶段传递数据的格式、内容等要求不一致,造成目前市政工程项目未能出现真正全生命周期的BIM技术应用。

                本项目结合所处设计阶段工程特点、设计难点、设计阶段BIM成果与施工、运维阶段的技术应用需求出发,分别开展三个阶段BIM技术应用工作。开展BIM技术应用点如表1所示。

                设计阶段重要BIM技术应用点介绍如下:

                复杂超深基坑BIM技术应用

                基于BIM模型进行本阶段的可建造性分析及优化建议报告。所有分析的结果形成分析数据和报告。本报告提供两种形式的内容:图纸分析与综合分析。其中,图纸分析主要记录在BIM模型创建过程中遇到的图纸表达方面的问题。综合分析是BIM分析的重点内容。通过完整的BIM模型,检测各专业间的冲突及不协调。

                1.4D仿真

                临海大道段基坑支护形式多样、空间结构复杂。利用BIM技术,在创建BIM模型后,依据施工工序,为模型添加信息代码,得到施工工序信息模型。利用4D模拟技术,对施工工序进行模拟和展示。用于验证施工方案的可行性。提前发现节点计划过程中可能存在的干涉风险,使项目参与方充分理解项目的关键节点控制要求。

                依据基坑施工工期表,把基坑BIM模型按节点分区,并对每个构件进行编码。给予构件一个“ISBIM4D”参数,并在参数内填写编码。

                2.工程量统计

                BIM工程量是基于三维BIM模型进行统计,利用BIM软件,可以对BIM模型较快提取出工程量,是对BIM模型数据的进一步开发利用。与利用二维图纸统计的工程量方式相比较,具备效率高、数量统计精确等优势。在本项目中通过两种方式的工程数量比对,校核了工程数量,降低了工程概算误差。

                应急逃生策略研究验证

                妈湾跨海通道位于深海下,隧道长约6.3千米,长隧内对运营安全监控、应急救援管理标准高,造成逃生方案设计复杂,利用BIM技术手段,从多维度对逃生方案进行分析、设计、优化。

                1.仿真分析

                设计阶段以解决隧道内发生火灾工况时保障相关人员快速安全逃生的重要问题。火灾工况时对人员逃生的影响主要因素:烟气扩散条件、逃生路径合理性。

                利用盾构隧道BIM模型对烟气扩散规律、人员疏散路径进行数值仿真,分析验证防灾救援相关工程方案设计的合理性。

                2.逃生策略验证

                利用盾构隧道BIM模型,考虑人员疏散、车辆疏散等分析模型的边界条件,以动画模拟形式模拟隧道内出现紧急情况下,验证应急响应、疏散、救援策略的合理性。

                盾构模型图

                利用BIM模型的多维度属性,依据逃生方案(各种工况预案)设计应急逃生疏散计算模型,通过对不同工况下的火灾条件、人员条件、车辆条件、救援设备条件的录入,利用逃生策略模型分析评估隧道主体结构设计的合理性。

                在当前大环境下,市政项目BIM应用需求高涨,国家出台相关引导政策,地方业主单位积极制定地方执行标准,各设计单位、施工单位、管养单位积极推进BIM技术与工程项目的结合应用。

                目前受BIM软件工具、设备硬件,建模标准、数据传递标准,BIM技术应用需求、应用理念的限制,造成各阶段的BIM成果数据的可传递性较差,大部分都关注于各自阶段内的应用。

                BIM本质是数据,设计单位作为数据的制造者,施工单位作为数据的补充者,业主、运维部门、管理部门作为数据的使用者,应尽快建立起行业统一适用的标准。

                妈湾跨海通道项目基于项目级BIM技术应用标准,在解决设计阶段应用需求的基础上,与施工单位联合开展BIM应用工作,补充数据内容,共同服务于下阶段的运管部门,设计单位协助其解决模型+数据与运维管理策略的结合应用问题,从而实现设计单位、施工单位、业主单位、运管部门的共同BIM应用价值。

                本文刊载 /《桥梁·BIM视界》杂志 2019年 第3期 总第10期

                作者 / 刘海强 杨冰 许志宏等

                作者单位 / 北京市市政工程设计研究总院有限公司

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