BIM技术在城市隧道工程中的应用

朱伟南

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

BIM技术在城市隧道工程中的应用

朱伟南

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

近几年随着BIM技术在建筑领域深入应用，也取得了很多的功案例和经验，相比较建筑领域，市政工程项目对于BIM技术的应用相对滞后，尤其是道路、桥梁、管道以及隧道等市政基础设施，建设条件复杂，设计、施工管理的手段仍然陈旧，投资控制薄弱，亟需通过有效的技术管理手段，提升工程整体质量技术在市政工程行业得到日益深入的应用与推广。本文以杨高南路新建隧道工程为例，重点讲述BIM在城市隧道工程中的技术应用。

BIM技术应用;三维协同设计;工程算量

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.13

引言

BIM(Building Information Modeling)是一种全新的理念，它涉及到从规划、设计、施工、运维等一系列创新和变革，是将来市政行业信息化的发展的必然趋势。BIM 技术的研究对于实现项目生命期管理，提高市政行业设计、施工、运营的科学技术水平，促进市政行业全面信息化和现代化，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

BIM建筑信息模型这一技术于上世纪70年代起源于美国，后传播至英国、日本以及韩国等地，已逐渐成为建筑行业发展的主流方向。BIM全生命周期管理解决了复杂项目的信息沟通难题，该技术于本世纪初传入中国，近年来市政建设行业的各个领域逐渐开始尝试采用BIM技术，为提高设计和管理水平而探索。

隧道工程从地理形置上可以分为敞开段、暗埋段、合建段，从空间结构上可以划分为：道路结构、围护结构、内部结构、建筑结构、机电结构等，隧道工程是属于复杂的系统工程项目。

1 隧道工程前期BIM应用规划

1.1 项目概况

杨高路(世纪大道-浦建路)改建工程范围北起世纪大道下立交(世纪大道环岛桃林路)，南至浦建路(浦建路跨线桥)，工程范围全长约1 975m，道路等级为城市主干路。

本工程建设内容为道路、隧道结构、桥梁(张家浜桥)、雨污水排管、交通标志标线、信号灯、通风、监控、供配电、建筑、绿化等相关道路附属设施及前期绿化与管线搬迁工作等。

图1 项目规划

1.2 BIM应用目标

隧道工程的设计涉及到参与的部门、专业人员较多，资料交接与沟通次数频繁，属于复杂的系统工程。为了解决本项目中设计、施工技术难点拟制定以下应用目标：

1)探索隧道工程的三维设计流程；

2)通过建立隧道围护、结构、桥梁、机电等模型可以检查不同专业之间的空间位置关系，复核设计图纸，验证施工时的可操作性等；

3)施工招标过程中工程量校核。

1.3 BIM应用环境

本项目选用了达索3DEXPERIENCE平台作为解决方案，该平台作为一个全生命周期的管理平台(PLM)，能够满足多专业、跨部门的项目人员基于同一个CAD载体，在同一个环境下展开协同设计、方案讨论等工作，项目协同工作是一个数据、信息、知识共享和集成的过程。在达索V6平台新增加了市政工程的模块包(CIVIL ENGINEERING)，该模块建筑、桥梁专业的一些构件类型，它的架构是一个典型的客户端/服务器端(Client/Server)软件架构系统。

图2 软件架构

1.4 BIM实施方案

根据本项目定义应用目标，结合隧道结构本身的特点，制定建模标准和流程，配置应用环境； 建模之前需要设计项目结构树，指定项目成员，分配项目任务、设定成员角色的权限； 明确不同专业人员模型交接的内容，实现在统一平台上进行模型搭建和管理的工作。

图3 项目分配

1.5 BIM团队组织架构

根据BIM项目实施的内容和要求，BIM团队的建立最顶层需要项目总工负责BIM技术的审核，中间层由BIM项目负责人负责制定关键技术路线及任务的分派、执行层由设计人员，软件二次开发人员，系统管理员等不同角色负责具体的执行工作，具体人员如表1所示。

表1 BIM团队组织架构

序列项目角色人员1技术顾问道路专业总工结构专业负责人2BIM项目负责人专业负责人3设计人员道路工程师结构工程师桥梁工程师机电设计师建筑工程师4IT支持组软件技术主管软件技术工程师5系统管理员系统维护人员

2 隧道工程的BIM应用

2.1 协同设计的工作流程

传统隧道工程项目一般都是由道路专业负责人通过方案会等形式与各配合专业充分沟通后，完成道路平面、纵断面和横断面的设计，并将设计模型及数据文件提交给桥隧、排水、通风、照明、管线综合、景观等相关专业，各专业再进行后续设计。三维协同设计创新了传统的二维设计模式，由道路工程设计负责人员牵头，前期先在设计软件中定义工程项目主体道路中心线，在中心线上创建桩号的地理位置，并在模型结构树上发布相关的设计参数。后期的设计人员在已设计的道路中心线上，确定隧道结构、顶、底、侧墙等厚度、变形缝位置等等，并与建筑、机电、通风、照明、排水等专业沟通确定设施设备的布设位置，完成后续的深化建模工作。

2.2 项目结构树的设计

项目结构树的设计应该遵循自顶而下的设计方法，在总体设计初期就要从工程装配的最高层面上考虑工程的设计结构，定义整个工程的关键定位、布置基准、及各个构筑物相对位置关系，自上而下传递设计数据信息表达(表2)。

表2 项目结构树的设计

项目名称一级结构树二级结构树三级结构树杨高路隧道工程项目骨架模型设计参数道路中心线桩号位置结构外轮廓面参数发布(中心线及桩号位置等)道路标示标线、路牌、铺装、沥青、排水沟等隧道结构模型分支骨架主体结构节段号墙、梁、板、柱、侧石、通风口、人行出入口、车库出入口等人行出入口人行出入口序号垫层、底板、侧墙、楼梯、出入口顶蓬、台阶等车库出入口左、右出入口垫层、底板、侧墙、横梁等匝道左、右匝道侧墙、垫层、底板、顶板、侧石、防撞墩隧道围护模型分支骨架灌注桩、围檀、搅拌桩加固、搅拌桩、地下连续墙、工法桩、混凝土支撑钢支撑、地基加固等桥梁分支骨架上部结构主梁、塔、拉索、锚箱等下部结构沉台、桩基、支座、垫层附属设施沥青、栏杆、路灯、标线建筑消防泵房、设备泵房、雨水泵房、设备间、墙、顶板、底板、集水坑等机电水暖电管道、设备、消防、给水管、排水管、电力、电气管等照明、潜水排污泵

图4 创建模型结构树

2.3 隧道工程的骨架模型

(1)由道路专业的项目负责人在最顶层的结构树上创建骨架，模型骨架设计指在对整个隧道工程的设计流程和结构充分理解后，结合实际项目的工程范围运用主要的线框控制元素对整个项目结构进行有效的总体控制，形成类似树干结构的骨架模型，并建立有效的参数信息传递框架及设计方法，将已完成的草绘、设计基准、几何特征、相关参数发布到模型树的相关节点下，确保能实现通过骨架线框驱动模型的功能。

图5 道路中心线及桩号骨架模型

(2)建立完项目的骨架模型后，其它不同专业的设计人员可以基于骨架模型开展设计工作任务。结构设计负责人在项目结构树下创建隧道围护、内部结构、地下人行通道的模型等，建筑设计负责人创建雨水泵房、消防泵水、污水泵房、配电间等建筑模型，机电专业设计负责人创建机电的模型。满足不同专业之间的人间开以同步基于一个模型展开设计工作，即时的发现不同专业间的模型是否存在干涉现象，设计是否存在缺陷。

图6 隧道结构模型

图7 隧道机电模型

MEP模型

2.4 创建钢筋模型

BIM钢筋模型是对结构施工的一次“预演”，建模过程也是一次全面的模校审过程。在此过程中可以发现大量设计施工问题，提前细化钢筋的下料排布，建模完成后利用已建BIM模型进行施工模拟辅助施工，也可以通过钢筋模型计算工程用量并生成用料清单列表，便于编写物质采购计划，加强工程钢筋用量控制。

三维钢筋布置主要依托三维模型的结构面，用户可以在三维模型中，选取一个或多个结构面后指定钢筋的布置范围、保护层厚度、间距、钢筋类型、直径等信息，通过创建好的钢筋模型，可以提取钢筋的属性参数，钢筋的根数、长度、重量、总重等生成Excel文件。

市政工程的项目钢筋种类与数量比较庞大，不宜采用传统的手工建模方式，耗费大量的时间精力，效率不高，容易发生错误。可以通过CATIA的产品知识模板(Engineering Template)及Engineering Rule Capture两个模块，快速阵列钢筋模型，具体的执行操作如下：

1)提取隧道结构模型的外表面作为钢筋模板的输入条件；

2)设定钢筋保护层的厚度，并发布成参数；

3)通过CATIA二维线框命令草绘不同类型钢筋的大样图；

4)利用CATIA提供的扫掠命令生成钢筋的三维模型，并作为钢筋模板的源文件；

5)通过EKL语言快速生成生维的模型；

let C(Curve)

let P(Point)

let Pl(Plane)

let i(Integer)

let n(Integer)

let rad(length)

rad=Rebar_Radius

i=1

n=int(length(`Geometrical Set.2Extract.1`)/Length.1)-1

for i while i<=n

{

P=pointoncurve(`Geometrical Set.2Extract.1`，`Geometrical Set.2startPoint`，i*Length.1，true)

C=CreateOrModifyDatum(“Curve”，`GeometricalSet.2`，`RelationsKnowledge Pattern.1List.1`，i)

Pl=planenormal(`Geometrical Set.2Extract.1`，P)

C=intersect(Pl，`External ReferencesSurface.1`)

i=i+1

}

6)生成钢筋模型；

7)生成钢筋的统计表。

2.5 BIM工程算量

(1)构件拆分原则

在创建BIM模型之前，需要确定隧道工程各专业分部分项列表，制定基于BIM模型的工程算量开项列表，并提供满足招标要求的土建、机电、装修工程量辅助统计，包括标准构件及特殊结构的钢筋用量等，具体的构件的拆分应按照隧道的空间结构关系及施工工艺顺序来制定，如隧道内部结构可以按照桩号的位置进行地理位置上的拆分，具体到每一个节段可以按照垫层、底板、侧墙、中隔墙、顶板、侧石、铺装、沥青等不同的部位再进行结构拆分，如图9所示。

图8 钢筋BIM模型

表3 钢筋统计表

名称构件部位钢筋直径单根质量单根长度值总重SD_JG_Y20_RB02侧墙DN51.58NL5150786956.39SD_JG_Y20_RB02侧墙DN61.58NL6150786956.39SD_JG_Y20_RB02侧墙DN161.58NL16219205437.48SD_JG_Y20_RB02侧墙DN170.888NL17660841.025SD_JG_Y20_RB02底板DN24.83NL23034021395.2SD_JG_Y20_RB02底板DN2a6.31NL2a700012897.6SD_JG_Y20_RB02底板DN2b6.31NL2b600011055.1SD_JG_Y20_RB02底板DN33.85NL32865016104.2SD_JG_Y20_RB02底板DN183.85NL182192033081.7SD_JG_Y20_RB02底板DN190.888NL1915604955.15SD_JG_Y20_RB02底板DN201.58NL2014951379.47

(2)围护与结构模型的构件拆分列表清单

表4 构件拆分表

序列类型构件名1结构模型拆分底板、左侧石、右侧石、中央防撞墩、左侧墙、右侧墙、中板、顶板、纵向施工缝、中隔墙、沥青、垫层、铺装2围护模型拆分灌注桩、围檀、搅拌桩加固、搅拌桩、地下连续墙、工法桩、混凝土支撑、钢支撑、钢连系梁、钢格构柱

(3)提取BIM工程量

通过公式计算得到每组构件的工程量数据，完成所有的构件模型后，在软件中自定义Excel报表模板，执行输出报表命令系统将会自动获取BIM模型工程量数据，如表5所示：

(4)BIM模型的工程量与施工招投标提供的工程量复核

通过BIM得到的工程量可以与投资监理单位通过传统的计量方法得到的工程量进行对比，对于差异较大的项再进行复核，提高工程计量的准确性：

图10 工程量校核

3 BIM技术在隧道工程中的应用存在问题分析

(1)设计单位多，三维设计软件应用能力参差不齐，模型的应用深度很难统一，项目的进度无法精确把控;

(2)单一软件平台无法完成工程中涉及的所有BIM应用点，选用的软件多，格式无法统一，模型整合难度大;

(3)项目各阶段对模型要求不同，模型的重用性效率低;

(4)BIM软件中可利用构件太少，需要花费大量的人力去完善隧道工程的构件库，建模效率低下。

4 结语

通过BIM技术在杨高南路隧道工程中的成功应用，证明了BIM这种全新的三维设计方式，它不仅能满足当前市政设计的需求，还能通过现代化的协同设计理念为业主提供高质量、规范化、清晰化、具体化的设计产品。同时BIM还能实现市政基础设施项目从策划、设计、施工到运营维护项目的全生命周期管理，真正完成项目的整体交付。未来BIM将会带动市政行业全产业链的发展，业主、设计公司、施工单位、材料供应商、运维管理公司将由BIM紧密的联系起来，这将是市政行业的一场全新的变革。

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BIM Technology Application in Urban Tunnel Engineering

Zhu Weinan

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(GROUP)Co.，Ltd.，Shanghai200092,China)

With in-depth application in the field of construction BIM technology in recent years，cases have also made a lot of work and experience，compared with construction，municipal engineering project for the application of BIM technology is relatively lagging behind，especially roads，Bridges，municipal infrastructure such as pipelines and tunnel，complicated construction conditions，the means of design，construction management is still old，investment control is weak，needs through effective technology management，improve the whole quality engineering technology in municipal engineering industry has increasingly in-depth application and promotion.With new Yang Gaona road tunnel project as an example，this paper focuses on the BIM technology application in urban tunnel project.

BIM Technical; 3D Collaborative Design; Engineering Calculation

朱伟南(1983-),男，中级工程师，上海市政总院数字工程中心BIM工程师。主要负责BIM技术在市政行业的应用。

TU17；U452.2;U455

A

1674-7461(2016)05-0071-07