BIM在地下连通道项目中的应用—以上海世博园区央企总部基地项目为例

曹晓瑾（上海建科工程咨询有限公司，上海200032）

1 项目概述

上海世博园区 B 片区央企总部基地项目位于世博园区“一轴四馆”西侧。工程规划用地面积约18.72 hm2，地上总建筑面积约60万m2，地下总建筑面积约40万m2。

在世博园区 B 片区 B02、B03 地块之间原道路规划设计一条东西走向的市政公共道路—博成路；博成路下方是一条已经建成并正在使用的东西走向共同沟。为了实现地下空间统一开发，需要建设一条地下连通道，横穿共同沟。

2 项目难点分析

共同沟也称为“地下综合管廊”。在该共同沟中，集中了通讯、电力、热力、燃气、上水等各种市政管线。该项目的共同沟，其截面尺寸 3.3m×3.8m，是目前上海市最大的一条共同沟。共同沟内敷设有多种专业的管道，如给水管、排水管、电力管线、通信管线、消防喷淋管线等，用于高效保障世博园区的正常运营。

图1 共同沟内部布置图

博成路下共同沟内部布置有伸缩缝及上水管，施工沉降最直接的影响是使共同沟主体结构遭到破坏，造成共同沟开裂漏水；间接会对有压管道带来破坏。二者对于差异沉降非常敏感。因此共同沟设计单位对施工控制指标非常严格。

共同沟与1号通道相交的长度为 9.4m，与2号通道相交的长度为 19.2m，与3号通道相交的长度为 9.3m。共同沟与1号和3号通道相交的断面为连续标准断面，断面形式单一。共同沟与2号通道相交的断面较为复杂，除了标准断面外，还有共同沟通风口及共同沟伸缩缝。共同沟通风口内设有防火门及 180 mm 厚防火隔墙，共同沟伸缩缝相当于将共同沟截成两端，原本的共同沟为超静定结构，现在变为两个悬臂体系，在同等情况下将产生更大的位移，不利于共同沟悬吊的实施，也加大了沉降控制的难度。在通道施工期实施原位保护的难度很大。

共同沟在实现城市基础设施功能集聚的同时，给地下空间开发的原位保护带来了难度。目前在城区通常采用悬吊法对管线进行原位保护，共同沟相对于管线断面，面积更大、重量更重(标准段重量 12.47 t/m，通风口断面结构自重荷载28.27 t/m)、尺寸更大(标准段断面 3.3m×3.8m，通风口断面5m×6.2m)，因此悬吊保护难度更高，目前国内尚无悬吊案例。

图2 共同沟断面布置图

博成路地下连通道位于博成路下方，施工现场总宽度不到 30m，属于长条形场地，而该工程设计的围护结构桩型多样，有钻孔灌注桩、高压旋喷桩、三轴搅拌桩、MJS工法桩。由于工期紧，势必要考虑各种设备交叉施工，但是各个设备本身体积大，各自的操作后台也较大；同时水泥、钢筋等材料需进场，现场需要保留一条交通要道，而且钢筋、格构柱、水泥等材料还需提供材料加工场地和堆放场地，现场场地较小，机械设备不容易移位。

3 项目难点解决方案分析

如何对共同沟进行保护和确保基坑开挖的稳定性，直接影响到本工程的结构设计方案，因此有必要对基坑安全及周边环境保护提出更高的要求。

在项目初步设计阶段，优先考虑了盾构及顶管等非开挖技术。但是拟建场地下障碍物异常复杂，盾构及顶管在推进过程中将面临共同沟下开仓换刀、盾构及顶管机被埋等风险，所以盾构及顶管方案遭到了排除。

图3 2号联通道矩形顶管断面

另外，在基坑开挖上，原先考虑采用冷冻法等暗挖技术，即先对地下通道基坑的开挖范围实施冷冻作业；待冻结壁厚度满足开挖要求后，实施开挖作业。但由于在工期上满足不了要求，因此冷冻法工艺也遭到了排除。

在以上两项技术都不能满足施工要求的情况下，通道只能选用明挖法施工工艺，即通道施工前先封闭博成路；待完成结构及道路修复后恢复通车。但明挖法施工工艺较为繁琐，开挖期间需要克服大断面共同沟悬吊、止水帷幕不封闭等难点；再则，博成路移交时间紧迫，因此在通道中采用BIM三维虚拟施工建造技术就显得异常重要。

3.1 BIM 在悬吊设计阶段的应用

悬吊系统设计时运用BIM模型淘汰了原先的花篮螺丝方案，采用受力简单的精轧螺纹钢方案，克服了局部应力集中的问题。

图4 花篮螺丝方案

图5 精轧螺纹钢方案

3.2 BIM 在悬吊实施阶段的应用

整体悬吊系统的BIM模型，在悬吊施工前实施场地、材料和设备的统一规划布置，可以加快悬吊施工效率，从而能避免共同沟下土体暴露时间过长的问题。另外，还可以比较合理地确定悬吊施工顺序，方便施工人员对现场进行施工和把控。

图6 悬吊系统整体模型

4 BIM 技术的应用价值分析

从国内外BIM技术在工程项目建设中的应用情况来看，BIM 可以在项目建设的各个阶段发挥作用。在项目初步设计阶段，可以将初步概念模型置入拟建的环境中形成建筑环境模型，获得建设项目在景观、气流、日照等环境的信息，为建设方提供决策参照信息；通过初步设计模型的建立，反映建设方对建设项目的基本功能和需求，为后续设计定位提供依据；通过BIM可以对项目设计方案进行检查，如专业规范检查、模型与图纸的一致性检查、模型精细度和准确性核查、跨专业的碰撞检查等，提高工程的可建造性；针对项目的实际情况，对工程难度较大及专业性强的钢结构、幕墙、机电安装等进行深化设计建模、参数检测与核算、细部节点细化等，也可以利用BIM进行三维深化设计。在项目施工阶段，可依照施工场地的布设方案建模，对实际施工过程中的施工路径、大型设施、材料堆放、人员安全通行及防火设施布置等进行仿真模拟，为施工组织设计提供优化依据。另外，四维仿真以其直观可视化的特性揭示施工过程中施工空间、设施、资源之间可能存在的冲突和不足，以利于施工计划的改进，可显著提高计划的可实施性。对工程重难点部位，依托模型进行虚拟现实施工，即通过预拼装和预施工可以提前发现实际施工过程中可能出现的问题或质量安全隐患，在施工方案阶段就得以优化。

通过世博项目BIM团队的实践和总结，笔者认为，在世博 B 片区通道项目中，BIM 的应用价值主要在设计和施工两阶段得到了充分体现。

4.1 BIM 在通道项目设计阶段的应用价值

4.1.1 减少设计变更，提高出图准确性

在结构设计与BIM设计相互交流的过程中，可以通过BIM 设计与二维设计的校核，发现诸如结构标高尺寸不一致、实际围护桩数量与设计图纸提供的工程量不符合等问题，及时纠正，减少设计图纸的变更次数，提高出图的质量。

图7 校核标高

图8 施工图精度的三通道与共同沟

4.1.2 体现设计细节，优化设计方案

通过BIM模型清晰地反映了2号通道在共同沟处未封闭空间的大小、斜打桩的最小长度及平面位置。同时，通过在设计工作中的BIM应用辅助设计人员设计出合理的“增加竖向钢围檩+钢横列板”的方案，来确保基坑开挖的安全性。

在类似穿越共同沟地下通道施工项目的复杂工程设计方案的形成过程中，通常二维图纸和效果图不能完全展示项目形态，只能依靠BIM模型来展示。通过BIM模型可以对施工保障措施不到位出现的变形过大而导致基坑失稳及共同沟开裂等严重后果作出预警。对BIM预警出来的工程问题，专家及相关单位反复沟通和验证，重新设计新的围护方案，降低了工程的风险，推动了工程的顺利实施。

4.1.3 用高精度BIM模型贯通设计与施工环节

设计方将完全达到施工深度的BIM模型交付给施工单位，顺利实现工程BIM信息的有效传递与过渡。通过后期相互配合和对方案的讨论，施工方在原有静态模型的基础上，预演了整个工程的施工动态模拟并合理安排好实施工期，保证施工进度可控。

图10 共同沟与地道横剖面关系图

4.2 BIM 技术在通道项目施工阶段的应用价值

4.2.1 BIM 虚拟建造便于对复杂工序的理解

在建筑工程施工过程中，施工组织设计非常关键，能够为施工指明方向，大幅提高施工效率。对于共同沟悬吊的保护，通过BIM独立编制施工组织设计，以形象化的方式演示了挖机、围檩施工和土方开挖的施工过程。在得到上级批准后，才可以进入正式施工阶段，加快了开挖速度并保证开挖安全，进而加快了建筑施工的进程。

4.2.2 BIM 对进度计划的有效管控

地下连通道在施工过程中，需要进行钻孔灌注桩、三轴搅拌桩、高压旋喷桩、MJS 工法桩等的施工，所使用的机械设备多，现场施工场地狭小、工期紧。在BIM工作环境下，BIM 模型可以与施工单位的进度计划相关联，将模型中的每一个构件、部位施工与具体的施工时间结合，同时与施工资源和场地布置信息集合成一体，为决策者带来更多参考价值。

5 BIM 技术的应用体会

5.1 BIM 应用需要有流程为支撑

在BIM应用于通道项目之初，整个团队并没有事先建立起一套完善的BIM应用流程，后续许多工作的开展及各家单位之间的沟通协作都是在摸索中进行的。尽管如此，通过对2号通道应用BIM进行施工模拟，团队仍总结出了在该项BIM应用中的一般流程。

BIM 的价值远不止用于施工模拟这一点。如果要在一个项目的全生命周期运用BIM辅助项目管理，那么事先制订出一套合理的工作流程显得更为重要。只有在一套各方明确并认可的工作流程下，BIM 应用工作才能高效有序地开展。

5.2 BIM 应用需要各方协作

应用BIM技术最好的模式是 IPD，即基于BIM技术的综合项目交付，各方从项目建设初期就介入项目，使更多的人涉入某些他们应该涉入的事，并且联合做决定。而国内现有的项目开展模式大多为 DB，即：首先设计招标，出初步设计方案；然后进入施工图阶段，招总包和监理单位；接着进入到幕墙等施工阶段时，再招专业分包。因此，国内现有的这种工程建设模式对于BIM工作开展并非是最有利的。

在通道项目中，设计合同和施工合同内虽没有明确关于BIM的服务条款约定，但由于各方对BIM应用的认识高度统一，并且在实施过程中各方积极配合、紧密协作、各负其责，BIM 的价值得到了真正体现。

在接下来的BIM应用项目中，建议学习国外先进的BIM 组织方式，设立BIM协调员，用以组织协调项目各相关方应用BIM进行设计施工协调，提高BIM协调的效率。

5.3 BIM 应用必须与实践相结合

在对通道项目中2号通道进行施工模拟时，业主方、BIM 咨询团队、施工单位和设计单位紧密协作，围绕通道项目工程实践展开，实时了解项目的现场施工进度并与计划进度作比较，分析了工期延误的原因并提出了优化建议，真正使BIM技术在实践中体现出了价值。由于后续施工方案的调整，BIM 咨询单位又协同施工单位和设计单位，修改了现有的世博2号通道模型，辅助设计单位进行了防水和换撑方案的讨论和修改。一次又一次的实践过程证明了BIM应用与实践相结合的重要性。只有结合工程实践，才能既运用好BIM技术，又更好地发挥好原有工程管理的基本技术，使两者相得益彰，并能在精益建设的思想下，精确地解决工程实际问题。