淺談BIM技術在沉管隧道工程中的應用

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，與兩岸路網銜接順暢，提高隧道周邊土地價值等優勢，在越江跨海通道中得到了越來越多的應用。然而傳統二維設計面對復雜沉管隧道工程時，已經難以滿足設計、施工和運營信息一體化應用的要求，需要借助全新的設計手段為項目全生命周期的信息應用提供支撐。

BIM 技術是工程建設領域引發的信息化技術變革，通過可視化三維模型對數據和信息進行系統的管理、應用，以實現工程項目全生命周期信息化管理，從而提高工程項目建設的質量和效率。

工程概況

以廣州市如意坊放射線工程項目為例。如意坊放射線工程起于內環路如意坊立交處，終點與東南西環高速及廣珠西線相接，項目按城市快速路標準建設，全長8100m，標準段路寬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構設計形式，兩個車行孔和一個管廊孔。車行孔滿足雙向六車道要求，隧道中設置的管廊孔可滿足管線布設和日常檢修，包括上下兩層，且能用作臨時避難空間和逃生用通道。

項目建設條件錯綜復雜，周邊存在現狀道路、橋梁、在建地鐵等多種構筑物影響與制約，其建設周邊環境見圖1所示。其中與在建地鐵站點還存在結構上重合部分，需要利用BIM 技術三維可視化功能，驗證并優化常規設計方法完成的復雜節點設計方案，統籌項目之間的各種信息。

建模研究

平臺選擇

目前工程領域主要有4 個基礎建模平臺，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。本項目采用Bentley 系列軟件作為BIM 核心建模平臺。

OpenRoads Designer 是一款應用于交通運輸和土木工程設計的軟件。該軟件提供完整且詳細的設計功能，適用于勘測、排水、地下設施和道路設計。本項目采用該軟件進行地形、地質和路線設計。

OpenBridge Modeler 是一款三維橋梁設計軟件，能直接利用OpenRoads Designer 的地形、線路等基礎數據進行橋梁建模。由于隧道建模跟橋梁建模具有類似性，本項目采用OpenBridge Modeler 進行隧道結構建模。

模型標準

模型是承載信息的實體，也是信息輸入、交付和管理的對象，因此，模型的建立是BIM技術在項目全生命周期中開展應用的基礎。為了達到模型的完整性和準確性，便于信息在不同階段的傳遞，需要制定項目BIM 標準。

根據軟件功能并結合本項目的工程特點，同時參考了《中國市政設計行業BIM 實施指南》《市政隧道管廊工程BIM 技術》等相關標準和技術手冊，制定了本項目的建模方法、編碼規則以及應用流程。

模型創建

創建能準確反應真實情況的地形和地質三維模型是隧道結構三維設計的前提條件。

通過對項目范圍內等高線等數據進行修正和補全，在OpenRoads Designer 中將有效地形數據通過過濾器進行選擇，創建生成本項目地形曲面，見圖2。

圖1 如意坊隧道與地鐵11 號線關系示意圖

圖2 地形曲面

圖3 地質模型

利用OpenRoads Designer 進行三維地質模型的創建，先通過“地理技術”選項卡功能將鉆孔數據連接進軟件，將鉆孔數據創建為三維柱狀模型，再利用三維鉆孔柱狀模型構建出地質界面，最后利用各層地質界面創建完整地質三維模型。

參數化設計是一種通過參數驅動方案調整的設計方法。參數化建模能夠在方案修改時，快速實現模型修改，減少重復建模工作。

當前，參數化設計已被廣泛應用于工程設計行業。由于市政工程項目的復雜性，設計過程中經常會遇到方案調整，通過整體參數化設計和構件參數化設計，能夠在方案修改后快速更新設計模型，大大提高建模效率。下面以如意坊隧道的創建為例詳細介紹沉管隧道參數化、信息化的三維建模方法和流程。

平面線和縱斷面線創建。平縱曲線是隧道的建模基準線，項目通過OpenRoads Designer創建隧道平縱曲線。第一步，新建名為“平縱線”的dgn 文件，選擇適合的項目模板。第二步，將已創建好的地形曲面、地質模型、原始地形圖、規劃隧道中心線等參考進上一步創建的“平縱線.dgn”中，并將地形曲面激活。第三步，根據設計規范和項目主要控制點進行平縱設計。

本工程范圍內有運營中的地鐵6 號線和規劃地鐵11 號線，兩條線路在如意坊站交匯換乘。過江隧道與規劃地鐵11 號線區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系。傳統的設計工具和方法難以精確且直觀地處理如此復雜的設計條件，利用OpenRoads Designer 將設計的平縱擬合成空間三維道路中心線，在三維模型中可根據設計控制條件實時調整，確保設計方案技術合理、造價經濟和景觀視覺良好。

圖4 高度參數化的橫斷面模板

在沉管管段設計時，為方便沉管管段預制加工，沉管段實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豎曲線。為滿足這種設計的建模，需要設計兩條縱斷面，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。

隧道橫斷面的設計。橫斷面是實現隧道參數化設計的基礎，參數及約束關系都在橫斷面中設定。第一步，在OpenBridge Modeler 的橫斷面編輯器中通過直接繪制或復制參考的CAD圖形創建橫斷面模板。第二步，設置參數和點約束，圖形的每個交點都是一個可添加參數約束的控制點，根據設計需要設置合適的參數，如頂底板厚度、側墻厚度、隧道內凈寬、凈高等。

創建隧道實體模型。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，根據隧道變形縫設置布跨，利用在OpenBridge Modeler中“Place PierLine”工具進行布跨設計。第五步，通過“Place Deck”工具創建隧道實體模型。在“Place Deck”對話框中選擇對應的橫斷面模板，在參數界面輸入設計參數，實現隧道結構建模。

不同的隧道位置在創建模型時有不同的方法和技巧：岸上敞開段側墻高度根據隧道兩側輔道設計標高與隧道設計標高的高差來確定的，可以通過點控制將側墻頂與隧道兩側輔道的道路中心線關聯起來，實現側墻高度自動計算；暗埋段有射流風機的位置需要增大隧道結構凈高以滿足隧道凈高要求，可通過調整橫斷面中的凈高參數來實現；上下行隧道之間的消防通道可以利用實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”工具創建，通過參數調整橫坡或寬度變化。沉管隧道壓重層結構比較特殊，頂面與路面鋪裝層相接，底面與隧道結構相接，因此頂底面分別具有不同的縱斷面。通過在壓重層橫斷面中多設置一個底面控制點，并將底面所有點的豎向都約束到該控制點。壓重層通過“Place Deck”工具并選擇帶豎曲線的縱斷面建模，再添加點控制，將底面控制點跟不含豎曲線的縱斷面進行約束，從而實現壓重層模型的創建。

隧道附屬設施建模。通過Auxiliary 中的Barrier 功能創建路邊側石、排水溝、檢修道等。通過“Auxiliary By Path”功能放置射流風機和消防設施等。

模型信息化

一個全面的信息模型，可以在建設項目生命周期的不同階段連接數據、過程和資源，它是對工程對象的完整描述，可以被建筑項目參與者廣泛使用。BIM 的全生命周期從設計開始，設計階段信息模型的建立為施工和運維階段的BIM 應用提供基礎的數據支撐。

BIM 模型包含幾何信息、拓撲關系、工程信息等設計數據、參數和描述。通過OpenBridge Modeler 創建的隧道模型已經有了基本的3D 幾何信息和拓撲關系，再通過自定義項類型將其他的設計信息添加到模型中，可以隨時查看構件的各種設計信息，圖6為隧道節段的設計信息查看。

BIM 模型應用

在沉管隧道BIM 設計中，利用BIM 模型可以進行各專業間碰撞檢查與設計校核，提高設計質量與精細化水平。通過工程量輔助統計，減少人為失誤，確保統計及時準確；利用BIM模型進行管段力學分析計算，減少重復建模工作。通過三維可視化展示，提高項目參與各方及設計團隊內部溝通效率；通過工程進度模擬，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境中優化工程設計，減少傳統設計階段難以發現的設計錯誤和碰撞沖突，大大降低因設計變更導致的工程投資增加及工期延長風險。

該項目沉管段與廣州地鐵11 號線如意坊站平面交叉，車站按預留空間方式為隧道提供路由，方案階段就引入了BIM 技術進行碰撞檢查，通過BIM 模型對設計方案進行模擬和優化，因此在原方案基礎上，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目單位整體建設。

圖5 隧道模型

圖6 隧道節段信息模型

圖7 隧道與地鐵站碰撞圖

工程量統計

BIM 模型能實現和工程數量表的實時動態關聯，快速統計出準確的工程量，輸出工程數量表。當修改模型后工程數量表將自動更新，實時計算工程實物量，有效提升工程造價的精度與效率。

計算分析

利用BIM 生成的模型導入有限元軟件作為管段結構力學行為和流體動力學計算分析的幾何模型，減少重復的建模工作。如圖9是BIM模型導出結構計算模型，圖10為BIM 模型導出流體動力學計算模型。

可視化展示

可視化是BIM 技術最基礎且重要的功能，它將以往的線條式的二維圖紙用三維立體形式展示出來。與傳統的效果圖模型相比，BIM 模型包含了精確的構件幾何尺寸、材質等信息，同時也包含了構件之間的互動性和反饋性。通過將BIM 三維模型文件在設計、施工、運維等整個生命周期中流轉，可以實現整個流程中的三維可視化。

虛擬施工模擬工程進度

BIM 三維模型加入時間維度，可以進行虛擬施工模擬。在工程還處于設計階段時，通過虛擬施工減少或避免工程中可能出現的碰撞和設計錯誤，并通過模擬驗證施工工藝和工法的合理性和可行性。

項目中過江隧道與擬建地鐵11 號線相互交叉，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，再進行11 號線盾構施工，才能確保鄰近地鐵11 號線江中隧道的安全。BIM 技術在本項目的應用，可以事先確定準確工期，為地鐵11 號線實施安排提供科學依據。

BIM 技術在沉管隧道設計階段的實施為項目施工和運維階段的BIM 應用奠定了數據基礎，促進項目全生命周期BIM 技術的應用與開展。

圖8 隧道模型自動工程量

圖9 沉管隧道結構計算模型

圖10 沉管隧道流體動力學計算模型

圖11 如意坊放射線工程可視化展示