BIM技术在城市隧道工程中的应用

BIM技术在城市隧道工程中的应用摘要：bim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，从设计前期到施工阶段全过程结合bim技术实现三维协同设计、设计方案比对、可视化技术、管线碰撞检查、工程算量、施工方案模拟、3d激光扫描应用并搭建了bim信息管理平台进行施工过程的管理。关键词：三维协同设计、工程算量、施工方案模拟、3d激光扫描、bim信息管理平台项目概况杨高路（世纪大道～浦建路）项目位于浦东新区花木行政中心,线路呈西南-东北走向,沿线地块规划以商办为主,兼有部分居住用地,将在未来5年内陆续开发建设,该区域具有集中开发,定位高端的特点,是陆家嘴金融城东扩的重要组成部分,本次改造既是利用商务走廊开发,提升保障杨高路的干线功能的最佳时机,也是改善该区域交通功能混杂,通行效率较低的实际需要。该项目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1975m,道路等级为城市主干路。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。一、设计前期bim应用1.     三维协同设计 bim可以在满足工程项目三维协同设计过程中产生的各类信息：如三维模型、图纸、合同、文档等进行集中管理的基础上,为工程项目团队提供一个信息交流和协同工作的环境。对工程项目中的数据存储、沟通交流、进度计划、质量监控、成本控制等进行统一的协作管理。2.     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通过方案等形式与各配合专业充分沟通,完成道路平面、纵断面和横断面设计,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创建工程项目主体道路中心线,结构设计人员在已选取的道路中心线上,确定隧道结构厚度、变形缝位置等等,并与通风、照明、排水等专业沟通确定设施设备的布设位置,同步在模型结构树上发布设计参数,接下来由不同专业的设计人员完成后续的深化建模工作。下面是三维协同设计的工作流程：1）搭建项目设计团队架构、系统中分配专业设计人员角色和权限；2）构建三维协同设计模型树和wbs任务分解；3）创建三维的道路中心线，在道路中心线上定义工程项目的桩号位置；4）创建各设计专业（如结构、围护、设备等）的构件模板；5）不同专业的项目成员针对一个数据模型文件开始协同设计工作； 6）基于三维模型即时优化设计方案,及时检查设计缺陷,直至设计任务完成。3.设计方案比选在项目方案阶段可以利用bim软件的三维造型功能,对整个项目中的周边场景,复杂关键节点的位置进行三维建模。以往设计师在与业主汇报方案的过程中,一般都是通过二维平面图纸和ppt等方式向业主介绍方案,经常会遇到业主无法快速全面了解设计师的设计意图的困难。如果使用bim技术手段,在方案汇报之前把复杂关键节点的方案创建成三维的展现形式,这样汇报的过程就会简单明了,也可以让业主很容易的明白设计意图。下面是杨高南路项目中有关世纪大道路口三个方案设计：1)保留日晷,调整标示标线，如下图(2)2)搬迁日晷,改造为十字交叉,如下图(3)3)搬迁日晷,改造为立体交叉,如下图(4)另外,在方案汇报过程中在结合优化方式,实施难度,周边路网影响程度,工程造价等各方因素,可以使整个方案达到通俗易懂,简单明了的效果,更能增加与业主的沟通交流。4.三维漫游     交互式可视化虚拟漫游是一门新兴的效果展示技术,与传统的2d展示不同,交互式漫游是第一人称视角的三维环境下虚拟体验。目前在建筑、房地产、能源和机械行业等的使用非常普遍。应用该技术不仅可以在投标阶段向业主展示设计方案和理念,而且在项目的后期还可以做成虚拟现实的体验环境。利用已完成的几何模型导入到3dmax软件里,对场景中所有模型进行材质添加和贴图的深加工处理,以便于达到模型的美观效果。而后再把模型导入到专业的虚拟技术软件中,为场景创建漫游脚本,最后实现通过键盘上的方向键进行虚拟漫游效果。二、深化设计的bim应用1.管线综合和碰撞检查在传统的二维设计中设计师大多都是通过绘制剖面来完成管线综合图,这些剖面只解决了该位置的管线排布,而实际情况管线都是连通的,一个位置的排布情况不能代表所有的其它位置的排布也是合理的。通过利用bim技术创建现状的市政管线模型,进行各专业之间及专业内部的碰撞检查,能够提前发现设计中可能存在的碰撞问题,减少施工阶段因设计错、漏、碰、缺、而造成的损失和返工工作,提高设计质量和施工效率。2.工程量复核利用bim模型的属性信息,通过软件功能系统自动生成统计施工招标的工程计算量。首先在建模之前需要根据各专业分部分项,制定开项列表，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及含钢量分析,并与投资监理算出的工程量进行对比,复核差异较大的项,提高工程算量的准确性。1)构件拆分原则 2)制定开项列表3)生成工程量统计表4)工程量复核3.参数化、模板实例化设计相比传统的二维设计,三维参数化设计的主要优势在于通过修改设计参数,可以直接驱动模型的更改,无需删除模型重新绘制,节省工作时间,提高工作效率。参数可以按照设计参数,计算参数,信息参数来定义,参数名称需要按规范来命名，方便后期的参数修改。模板实例化是在项目中出现重复创建相同的模型时,可以将设计知识和流程集成到用户特征,超级副本和文档模板中,并参照相同的参考元素修改某些需要修改的输入参数,即能得到新的模型数据。对于隧道工程项目,通常会把底板、中、顶板、侧墙、沥青、侧石等构件做成文档模板。在建模的过程中,有了文档模板后,无需每次通过手动的方法创建模型,只需要从构件库中调用相应的模型并修改对设计参数即可。4.骨架驱动模型 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。下图是应用骨架线框与设计参数文进行快速三维建模。          5.二维工程图纸传统的二维设计无论是平面图或是立面图都需要手动绘制,通常需要花费大量的时间去完成。三维设计可以利用现有的三维模型,通过投影的方式很方便的得到任意的截面剖视图。如果三维模型进行了变更,系统会自动的更新二维图纸的信息,极大的提高了工作效率。三、施工阶段的bim应用1.施工方案模拟施工模拟包括施工筹划模拟及复杂节点的方案模拟,在本工程前期利用了bim技术对整体的施工方案进行了模拟,包括将施工进度计划与bim模型关联,形成4d的施工模型,及管线搬迁顺序,道路施工翻交顺序,临时交通设施布置,施工场地布置,施工组织设计进行了施工筹化模拟。针对张家浜段桥隧结合段,由于该地段节点比较复杂,在项目前期利用bim技术,在模型中添加施工设备和机具,结合施工方案进行精细化施工模拟,检查方案的可行性,并在此基础上优化施工方案。激光扫描技术应用 三维激光扫描技术自问世以来被广泛应用于古建筑保护、工业管道安装和船舶机械等领域。它通过高速激光扫描测量的方法获取被测对象表面的三维坐标数据,可以快速、大量的采集空间点位信息,而且具有很高的分辨率,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描技术采用的扫描仪器提供每秒100万点的速度,整体精度可达1-2mm。在本工程项目中针对世纪大道隧道口运用了3d点云扫描技术,其应用有如下：1)历史存档（点云数据）施工前期作为上海发展的历史资料进行保存;施工过程中作为施工资料定期存档;施工完成后作为施工成果交付物的一部分。2）辅助施工（重构的三维模型）施工前期资料,作为场地沙盘的一部分进行使用;施工过程中三维模型与设计模型进行比对,作为施工质量检验的工具;施工完成后作为验收成果的一部分。项目管理平台建立bim项目管理平台,结合日常工程管理,项目信息进行有重点的汇总与记录,并能实时有效掌控施工进度,及时做出进度调整,建立交通设施方案的bim模型用于方案的讨论、优化和内外评审工作,从效果来看,能在设计和评审阶段协助发现以往在平面图纸上难以察觉的各类问题,并协助拟定更为合理的方案。设计方创建施工图设计模型,对施工图设计模型有更新与维护职责,应在施工准备开始前完成模型；施工方创建施工作业模型,对有设计变更的模型有更新与维护职责,应在主体施工过程中构件施工前完成模型。四、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。随着bim技术的发展和普及,相信在不久的将来,这种新兴的技术将在工程建设中成为一种主流手段,会极大地改变目前传统工程项目的工作流程。