上海沿江通道越江隧道工程中的BIM技術(shù)應(yīng)用

劉　釗　袁勝?gòu)?qiáng)　黃　虹

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海　200092)

上海沿江通道越江隧道工程中的BIM技術(shù)應(yīng)用

劉釗袁勝?gòu)?qiáng)黃虹

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海200092)

【摘要】上海市沿江通道越江隧道工程是上海市重點(diǎn)工程，交通功能復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多樣，設(shè)計(jì)難度大。本文提出了工程全壽命周期BIM應(yīng)用構(gòu)架，總體設(shè)計(jì)及專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)均采用BIM技術(shù)，建立了市政交通行業(yè)的BIM設(shè)計(jì)模板庫(kù)，同時(shí)基于達(dá)索3D Experience平臺(tái)進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，完成了多專(zhuān)業(yè)BIM模型的快速構(gòu)建和參數(shù)化設(shè)計(jì)，利用BIM模型進(jìn)行了方案優(yōu)化與設(shè)計(jì)深化，提出了鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、計(jì)算、優(yōu)化、出圖的整套解決方案，并為數(shù)字化制造打下了良好的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】BIM；城市交通工程；二次開(kāi)發(fā)；方案優(yōu)化；設(shè)計(jì)深化

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.04

1工程概況

1.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

圖1　本工程概況

上海市沿江通道越江隧道(江楊北路至牡丹江路)工程是沿江通道越江隧道工程的浦西接線(xiàn)段，位于寶山區(qū)中部，呈東西走向，東接G1501越江隧道江，向西延伸至江楊北路接現(xiàn)狀G1501，全長(zhǎng)約3.9 km，項(xiàng)目總投資約46.2億元。工程主線(xiàn)包含高速公路、城市快速路和地面道路3個(gè)系統(tǒng)；高速公路采用高架形式，設(shè)計(jì)速度100 km/h，按雙向6車(chē)道和硬路肩規(guī)模建設(shè)，設(shè)互通式立交1座；同濟(jì)路地道采用地面快速路，設(shè)計(jì)速度60 km/h，雙向4車(chē)道規(guī)模；富錦路為快速路的地面輔道，雙向4車(chē)道規(guī)模，設(shè)計(jì)速度40 km/h。該項(xiàng)目的建設(shè)，不僅使郊環(huán)線(xiàn)閉合，增加了越江通道，完善了上海市高速公路路網(wǎng)，而且使沿江沿海大通道的重要一環(huán)得以實(shí)施，對(duì)于寶山區(qū)，可釋放同濟(jì)路的快速路，得以為寶山區(qū)區(qū)域出行服務(wù)。

本工程總體概況如圖1所示。

1.2工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

本工程的特點(diǎn)為空間上多系統(tǒng)，包含有高架橋梁、城市道路、市政管線(xiàn)、地道等多種結(jié)構(gòu)形式，另外本工程與滬通鐵路和軌道交通形成復(fù)合交通走廊，多個(gè)龐大的交通系統(tǒng)布置在有限空間內(nèi)，相互關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)在處理復(fù)雜市政三維結(jié)構(gòu)時(shí)很難綜合考慮空間上的相互關(guān)系。因此本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中有必要充分應(yīng)用BIM三維技術(shù)，并通過(guò)BIM的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等技術(shù)的應(yīng)用，力求達(dá)到改善溝通、降低成本、縮短工期、減少風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。

2BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

本工程BIM應(yīng)用目標(biāo)主要有以下三點(diǎn)：

(1)建立交通系統(tǒng)各專(zhuān)業(yè)協(xié)同工作模式；

(2)對(duì)交通系統(tǒng)IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶屬性BIM模型的智能化和快速化構(gòu)建，并且利用建立的BIM模型進(jìn)行方案的優(yōu)化和設(shè)計(jì)的深化；

(3)初步建立施工及運(yùn)維階段的模型構(gòu)架，同時(shí)預(yù)留設(shè)計(jì)模型到施工與運(yùn)維模型接口，可實(shí)現(xiàn)工程全壽命周期的數(shù)據(jù)傳遞。

2.2實(shí)施方案

圖2　BIM技術(shù)的全過(guò)程應(yīng)用實(shí)施方案

BIM技術(shù)在本工程中的應(yīng)用可以用“分階段、全過(guò)程”來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖2)，各階段通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行BIM模型的快速建立與逐步深化。在前期規(guī)劃階段，BIM模型可用于進(jìn)行總體方案的優(yōu)化；在初步設(shè)計(jì)階段，借助于BIM模型各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行了各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，同時(shí)在同一設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)；施工圖設(shè)計(jì)階段，各專(zhuān)業(yè)對(duì)BIM模型進(jìn)行了更進(jìn)一步的深化設(shè)計(jì)，并利用全尺寸、全信息的BIM模型進(jìn)行了工程量統(tǒng)計(jì)與二維出圖的工作；在施工與運(yùn)維階段，對(duì)設(shè)計(jì)階段BIM模型進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化形成竣工模型，用于施工模擬和運(yùn)維養(yǎng)護(hù)[1]。

2.3 團(tuán)隊(duì)組織

本工程BIM技術(shù)團(tuán)隊(duì)由工程設(shè)計(jì)人員和BIM人員組成，共10人(包含各專(zhuān)業(yè)人員)。總院領(lǐng)導(dǎo)對(duì)本項(xiàng)目給予了技術(shù)上和行政上的大力支持，達(dá)索-上海市政院聯(lián)合研發(fā)中心等部門(mén)對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行了協(xié)助。

2.4應(yīng)用措施

本工程BIM應(yīng)用在項(xiàng)目初期便進(jìn)行了BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的制定(圖3)，主要分為BIM實(shí)施資源標(biāo)準(zhǔn)、BIM模型行為標(biāo)準(zhǔn)、BIM模型交付標(biāo)準(zhǔn)和BIM模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，以保證在項(xiàng)目應(yīng)用全階段規(guī)范各方的建模和交付。

2.5軟硬件環(huán)境

軟件方面本工程從前期項(xiàng)目管理、模型建立、設(shè)計(jì)應(yīng)用到施工模擬主要采用了達(dá)索最新的設(shè)計(jì)平臺(tái)3D Experience V6 R2015[2]，各階段建立的模型存放于云平臺(tái)中，從同一平臺(tái)讀取和深化BIM模型，有效避免了不同軟件互導(dǎo)過(guò)程中數(shù)據(jù)和屬性的丟失。其中全過(guò)程項(xiàng)目管理采用了平臺(tái)中的ENOVIA，建模采用的是平臺(tái)中的CATIA+二次開(kāi)發(fā)，結(jié)構(gòu)分析采用了SIMULIA，施工模擬則采用了DELMIA和3D Composer，另外還采用了Vissim進(jìn)行了交通仿真和ANSYS進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。

硬件方面則是采用了大內(nèi)存和高性能顯卡的圖形級(jí)工作站，同時(shí)配備了專(zhuān)業(yè)級(jí)服務(wù)器存儲(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3BIM建模及應(yīng)用

3.1BIM建模

本工程在BIM技術(shù)應(yīng)用初期便對(duì)工程范圍進(jìn)行了劃分，建立了工程模型樹(shù)如圖4所示，從上到下分為項(xiàng)目總體層級(jí)、專(zhuān)業(yè)層級(jí)、專(zhuān)業(yè)子項(xiàng)層級(jí)，各專(zhuān)業(yè)BIM建模需嚴(yán)格按照本工程模型樹(shù)進(jìn)行。

在總體方案階段，建模深度為L(zhǎng)OD1-LOD2級(jí)別，模型不需要反映出所有構(gòu)造，只需表達(dá)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖和部分細(xì)節(jié)；初步設(shè)計(jì)階段，BIM模型應(yīng)達(dá)到LOD3-LOD4級(jí)別的深度及表達(dá)出各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)成果的基本構(gòu)造和細(xì)節(jié)；在施工圖設(shè)計(jì)階段，模型應(yīng)達(dá)到可以施工的深度，因此模型需達(dá)到LOD5級(jí)別，即全尺寸全信息的模型。

本工程項(xiàng)目對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了研究，并且在下部結(jié)構(gòu)和鋼筋中應(yīng)用了屬性定制功能。基于IFC標(biāo)準(zhǔn)在BIM技術(shù)應(yīng)用初期便開(kāi)發(fā)了大量的專(zhuān)業(yè)化模板，在BIM模型建立過(guò)程中，調(diào)用合適的模板，按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)修改模板的參數(shù)，可達(dá)到避免重復(fù)建模快速生成BIM模型的目的。

各專(zhuān)業(yè)以工程模型樹(shù)中專(zhuān)業(yè)層級(jí)的產(chǎn)品為基礎(chǔ)，自上而下展開(kāi)進(jìn)行各個(gè)專(zhuān)業(yè)子項(xiàng)的模型搭建，其中各專(zhuān)業(yè)模型是根據(jù)中心線(xiàn)骨架驅(qū)動(dòng)，通過(guò)市政院二次開(kāi)發(fā)的基于知識(shí)工程腳本語(yǔ)言[3]和基于Automation的程序，結(jié)合各專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和調(diào)用專(zhuān)業(yè)化構(gòu)件模板進(jìn)行橋梁上下部結(jié)構(gòu)、道路、地道和綜合管線(xiàn)的快速建模，建模完成后在項(xiàng)目總體層級(jí)可實(shí)時(shí)看到各專(zhuān)業(yè)最新的模型(圖5)。由于是“自上而下”的建模和中心線(xiàn)骨架驅(qū)動(dòng)[4]，所以各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)模型與總體設(shè)計(jì)是相關(guān)聯(lián)的，設(shè)計(jì)變更后模型也能得到快速的更新。

圖3　BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)

圖4　工程模型樹(shù)劃分和專(zhuān)業(yè)化構(gòu)件庫(kù)

3.2BIM應(yīng)用情況

本工程中建立了BIM模型，并輸出到交通仿真軟件Vissim中，添加交通流量輸入數(shù)據(jù)便可以直觀展示某一時(shí)期的交通服務(wù)水平，根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的總體合理性，同時(shí)對(duì)方案進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化。

在初步設(shè)計(jì)階段本工程利用了BIM模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要針對(duì)了互通立交區(qū)域的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化(圖6)。互通立交區(qū)域AY2 和AY3 匝道斜交上穿過(guò)G1501高架主線(xiàn)，匝道上下部結(jié)構(gòu)和主線(xiàn)結(jié)構(gòu)空間關(guān)系復(fù)雜，布置空間緊湊。通過(guò)BIM模型動(dòng)態(tài)調(diào)整了匝道的平縱線(xiàn)型，優(yōu)化了跨徑和橋梁結(jié)構(gòu)高度，降低了造價(jià)和工程實(shí)施難度。

五冶大樓段工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從上到下依次有高架橋梁、地面道路、綜合管線(xiàn)、同濟(jì)路地道、地鐵三號(hào)線(xiàn)和滬通鐵路。在初步設(shè)計(jì)階段通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行碰撞檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了在五冶大樓段，雨水管道與PZX-096-097墩有設(shè)計(jì)不協(xié)同的問(wèn)題，優(yōu)化了管線(xiàn)的設(shè)計(jì)(圖7)。

圖5　各專(zhuān)業(yè)BIM模型構(gòu)建和整合

圖6　基于BIM模型的平立面空間優(yōu)化

圖7　基于BIM模型的各專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

在施工圖設(shè)計(jì)階段，本工程利用BIM模型進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)三維深化設(shè)計(jì)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的三維深化設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)直接從三維骨架入手，通過(guò)建立參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)可視化，并細(xì)化了局部構(gòu)造；通過(guò)與有限元計(jì)算軟件Ansys的接口研究，將建立的BIM模型轉(zhuǎn)化為了有限元分析模型，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的模擬分析優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，節(jié)省了用鋼量，并利用優(yōu)化后的BIM模型進(jìn)行了工程量統(tǒng)計(jì)，大大減少了統(tǒng)計(jì)工程量的時(shí)間，提高了工程量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度。

本工程中還采用了知識(shí)工程開(kāi)發(fā)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的參數(shù)化快速建模，通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成各種類(lèi)型鋼筋，利用鋼筋的IFC屬性快速統(tǒng)計(jì)了鋼筋工程量，并且為后續(xù)鋼筋的采購(gòu)、加工、安裝提供了可靠的模型接口；在BIM模型的基礎(chǔ)上采用二維有限元分析軟件對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋布置進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了BIM模型的展示與鋼筋數(shù)量表的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

在設(shè)計(jì)基本完成之后，在本工程中還利用了BIM三維模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了二維快速化出圖，圖紙包括有高架橋梁總體立面布置圖、總體平面布置圖、裝配式小箱梁平面布置圖和橋梁下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖等(圖8)，并且二維圖紙與三維模型相互關(guān)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)修改的功能。

在施工準(zhǔn)備階段，本項(xiàng)目還利用已有的BIM模型對(duì)重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行了施工模擬。擬建高架與北側(cè)地鐵3號(hào)線(xiàn)結(jié)構(gòu)最窄處僅有6 m左右，施工精度要求高，在部分路段，各種結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)影響，施工中需處理深基坑、坑中坑等高難度作業(yè)，建設(shè)期間作業(yè)面十分復(fù)雜，通過(guò)BIM模型結(jié)合虛擬施工軟件對(duì)每一個(gè)施工步序進(jìn)行了模擬，有效地預(yù)判了可能的施工難點(diǎn)，并且研究了施工方案實(shí)施可能性，進(jìn)行了三維可視化的技術(shù)交底(圖9)。施工期間由于需根據(jù)寶鋼鐵路的運(yùn)營(yíng)時(shí)間要求錯(cuò)開(kāi)施工時(shí)間，需要在有限的時(shí)間內(nèi)完成管線(xiàn)、地道結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)的施工，協(xié)調(diào)難度大，BIM團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)工期的分析，

圖8　基于BIM模型的二維出圖

圖9　基于BIM模型的虛擬施工

結(jié)合橋梁的施工時(shí)間、工序、工法等要求確定了施工組織方案，將施工構(gòu)件生產(chǎn)信息、運(yùn)輸方式、到場(chǎng)時(shí)間等信息輸入到模型中，在施工模擬軟件DELMIA中通過(guò)甘特圖控制各個(gè)施工構(gòu)件的虛擬建造[5]，直觀展示了每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)已建成的結(jié)構(gòu)、正在施工的結(jié)構(gòu)和未完成的結(jié)構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)在時(shí)間、空間、資金上的控制。

4結(jié)論

本工程BIM技術(shù)應(yīng)用成果表明，在大型市政交通類(lèi)項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)，能夠在項(xiàng)目方案階段通過(guò)快速創(chuàng)建BIM模型展示設(shè)計(jì)方案，表達(dá)設(shè)計(jì)意圖；在設(shè)計(jì)階段通過(guò)BIM技術(shù)的可視化和協(xié)同化優(yōu)點(diǎn)能夠快速檢查出錯(cuò)漏碰缺，有效提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率；通過(guò)BIM模型進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)和深化設(shè)計(jì)更是帶來(lái)了設(shè)計(jì)品質(zhì)的提高；對(duì)數(shù)字化制造的研究和施工數(shù)據(jù)接口的預(yù)留初步實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)的全過(guò)程實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)與工程設(shè)計(jì)的有效結(jié)合。

另外，針對(duì)本工程進(jìn)行的BIM技術(shù)二次開(kāi)發(fā)也取得了較好的效果，在構(gòu)建模型階段為項(xiàng)目節(jié)省了大量時(shí)間，使得BIM人員能夠把更多的精力放在BIM具體應(yīng)用上來(lái)。

下一階段BIM應(yīng)用過(guò)程中，希望通過(guò)對(duì)不同階段模型需求的分析，對(duì)模型分級(jí)與輕量化進(jìn)行重點(diǎn)研究，以方便后續(xù)工程中的進(jìn)一步應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和管理委員會(huì).上海市建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用指南[S].2015.

[2]達(dá)索系統(tǒng)，達(dá)索系統(tǒng)集團(tuán)官方中文網(wǎng)站，http：//www.3ds.com/cn.

[3]顧曉華，仲梁維.基于知識(shí)工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)與研究，2001，30(4)：17-18.

[4]黃俊炫，張磊，葉藝.基于CATIA的大型橋梁三維建模方法[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2012，4(4)：51-55.

[5]吳露方.基于BIM的橋梁全生命周期管理研究初探[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013.5(6)：17-21.

BIM Technology Application in Shanghai Riverside Passageway & River-Crossing Tunnel Project

Liu Zhao，Yuan Shengqiang，Huang Hong

(SMEDI(Group)Co.，Ltd.,Shanghai200092，China)

Abstract:Shanghai Riverside Passageway & River-Crossing Tunnel Project is a major Shanghai municipal project with complex traffic system,various types of structures and relative high design difficulty.In this project,we propose a whole life-cycle BIM application process,and we apply BIM technology from general design to specific design in all disciplines.We create design components catalog for municipal transportation projects,and conduct secondary development based on Dassault Systeme 3D Experience platform,which contributes to multiple-disciplinal rapid modeling and parametric design,as well as scenario optimization and design development based on the BIM model.Finally,for the metallic structure,we propose the solution from scenario design,analysis,and optimization to drawing,which lays the foundation for future digital manufacturing.

Key Words：BIM; Urban Transportation Project; Secondary Development; Scenario Optimization; Design Development

【基金項(xiàng)目】國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61170327)；國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)支持資助項(xiàng)目(2014ZX02502)

【作者簡(jiǎn)介】劉釗(1990-)，男，助理工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)和BIM應(yīng)用工作； 袁勝?gòu)?qiáng)(1971-)，男，教授級(jí)高工，總院副總工程師，設(shè)計(jì)院BIM中心主任，主要從事道路交通設(shè)計(jì)及BIM開(kāi)發(fā)； 黃虹(1970-)，女，教授級(jí)高工，道橋院副總工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU17

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1674-7461(2016)03-0020-06