上海沿江通道越江隧道工程中的BIM技術應用

劉　釗　袁勝強　黃　虹

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海　200092)

上海沿江通道越江隧道工程中的BIM技術應用

劉釗袁勝強黃虹

(上海市政工程設計研究總院(集團)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工程，交通功能復雜，結構形式多樣，設計難度大。本文提出了工程全壽命周期BIM應用構架，總體設計及專業設計均采用BIM技術，建立了市政交通行業的BIM設計模板庫，同時基于達索3D Experience平臺進行了二次開發，完成了多專業BIM模型的快速構建和參數化設計，利用BIM模型進行了方案優化與設計深化，提出了鋼結構方案設計、計算、優化、出圖的整套解決方案，并為數字化制造打下了良好的基礎。

【關鍵詞】BIM；城市交通工程；二次開發；方案優化；設計深化

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

1工程概況

1.1項目簡介

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段，位于寶山區中部，呈東西走向，東接G1501越江隧道江，向西延伸至江楊北路接現狀G1501，全長約3.9 km，項目總投資約46.2億元。工程主線包含高速公路、城市快速路和地面道路3個系統；高速公路采用高架形式，設計速度100 km/h，按雙向6車道和硬路肩規模建設，設互通式立交1座；同濟路地道采用地面快速路，設計速度60 km/h，雙向4車道規模；富錦路為快速路的地面輔道，雙向4車道規模，設計速度40 km/h。該項目的建設，不僅使郊環線閉合，增加了越江通道，完善了上海市高速公路路網，而且使沿江沿海大通道的重要一環得以實施，對于寶山區，可釋放同濟路的快速路，得以為寶山區區域出行服務。

本工程總體概況如圖1所示。

1.2工程特點和難點

本工程的特點為空間上多系統，包含有高架橋梁、城市道路、市政管線、地道等多種結構形式，另外本工程與滬通鐵路和軌道交通形成復合交通走廊，多個龐大的交通系統布置在有限空間內，相互關系復雜，傳統的二維設計在處理復雜市政三維結構時很難綜合考慮空間上的相互關系。因此本工程設計過程中有必要充分應用BIM三維技術，并通過BIM的可視化、協調性、模擬性、優化性等技術的應用，力求達到改善溝通、降低成本、縮短工期、減少風險的目標。

2BIM組織與應用環境

2.1 BIM應用目標

本工程BIM應用目標主要有以下三點：

(1)建立交通系統各專業協同工作模式；

(2)對交通系統IFC標準進行研究，通過二次開發技術實現帶屬性BIM模型的智能化和快速化構建，并且利用建立的BIM模型進行方案的優化和設計的深化；

(3)初步建立施工及運維階段的模型構架，同時預留設計模型到施工與運維模型接口，可實現工程全壽命周期的數據傳遞。

2.2實施方案

圖2　BIM技術的全過程應用實施方案

BIM技術在本工程中的應用可以用“分階段、全過程”來實現(圖2)，各階段通過二次開發技術進行BIM模型的快速建立與逐步深化。在前期規劃階段，BIM模型可用于進行總體方案的優化；在初步設計階段，借助于BIM模型各專業進行了各專業設計的優化，同時在同一設計平臺上進行了專業間的協同設計；施工圖設計階段，各專業對BIM模型進行了更進一步的深化設計，并利用全尺寸、全信息的BIM模型進行了工程量統計與二維出圖的工作；在施工與運維階段，對設計階段BIM模型進行了進一步細化形成竣工模型，用于施工模擬和運維養護[1]。

2.3 團隊組織

本工程BIM技術團隊由工程設計人員和BIM人員組成，共10人(包含各專業人員)。總院領導對本項目給予了技術上和行政上的大力支持，達索-上海市政院聯合研發中心等部門對本項目進行了協助。

2.4應用措施

本工程BIM應用在項目初期便進行了BIM實施標準的制定(圖3)，主要分為BIM實施資源標準、BIM模型行為標準、BIM模型交付標準和BIM模型應用標準，以保證在項目應用全階段規范各方的建模和交付。

2.5軟硬件環境

軟件方面本工程從前期項目管理、模型建立、設計應用到施工模擬主要采用了達索最新的設計平臺3D Experience V6 R2015[2]，各階段建立的模型存放于云平臺中，從同一平臺讀取和深化BIM模型，有效避免了不同軟件互導過程中數據和屬性的丟失。其中全過程項目管理采用了平臺中的ENOVIA，建模采用的是平臺中的CATIA+二次開發，結構分析采用了SIMULIA，施工模擬則采用了DELMIA和3D Composer，另外還采用了Vissim進行了交通仿真和ANSYS進行了結構分析。

硬件方面則是采用了大內存和高性能顯卡的圖形級工作站，同時配備了專業級服務器存儲設計數據。

3BIM建模及應用

3.1BIM建模

本工程在BIM技術應用初期便對工程范圍進行了劃分，建立了工程模型樹如圖4所示，從上到下分為項目總體層級、專業層級、專業子項層級，各專業BIM建模需嚴格按照本工程模型樹進行。

在總體方案階段，建模深度為LOD1-LOD2級別，模型不需要反映出所有構造，只需表達出設計者的設計意圖和部分細節；初步設計階段，BIM模型應達到LOD3-LOD4級別的深度及表達出各專業設計成果的基本構造和細節；在施工圖設計階段，模型應達到可以施工的深度，因此模型需達到LOD5級別，即全尺寸全信息的模型。

本工程項目對IFC標準也進行了研究，并且在下部結構和鋼筋中應用了屬性定制功能。基于IFC標準在BIM技術應用初期便開發了大量的專業化模板，在BIM模型建立過程中，調用合適的模板，按照設計數據修改模板的參數，可達到避免重復建模快速生成BIM模型的目的。

各專業以工程模型樹中專業層級的產品為基礎，自上而下展開進行各個專業子項的模型搭建，其中各專業模型是根據中心線骨架驅動，通過市政院二次開發的基于知識工程腳本語言[3]和基于Automation的程序，結合各專業的設計數據和調用專業化構件模板進行橋梁上下部結構、道路、地道和綜合管線的快速建模，建模完成后在項目總體層級可實時看到各專業最新的模型(圖5)。由于是“自上而下”的建模和中心線骨架驅動[4]，所以各專業設計模型與總體設計是相關聯的，設計變更后模型也能得到快速的更新。

圖3　BIM實施標準

圖4　工程模型樹劃分和專業化構件庫

3.2BIM應用情況

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據便可以直觀展示某一時期的交通服務水平，根據仿真結果驗證了方案的總體合理性，同時對方案進行了局部優化。

在初步設計階段本工程利用了BIM模型進行了設計優化，主要針對了互通立交區域的橋梁結構進行了優化(圖6)。互通立交區域AY2 和AY3 匝道斜交上穿過G1501高架主線，匝道上下部結構和主線結構空間關系復雜，布置空間緊湊。通過BIM模型動態調整了匝道的平縱線型，優化了跨徑和橋梁結構高度，降低了造價和工程實施難度。

五冶大樓段工程結構復雜，從上到下依次有高架橋梁、地面道路、綜合管線、同濟路地道、地鐵三號線和滬通鐵路。在初步設計階段通過協同設計平臺進行碰撞檢查，及時發現了在五冶大樓段，雨水管道與PZX-096-097墩有設計不協同的問題，優化了管線的設計(圖7)。

圖5　各專業BIM模型構建和整合

圖6　基于BIM模型的平立面空間優化

圖7　基于BIM模型的各專業協同設計

在施工圖設計階段，本工程利用BIM模型進行了鋼結構三維深化設計和鋼筋混凝土結構的三維深化設計，鋼結構三維設計直接從三維骨架入手，通過建立參數化設計模型，實現設計可視化，并細化了局部構造；通過與有限元計算軟件Ansys的接口研究，將建立的BIM模型轉化為了有限元分析模型，通過對結構的模擬分析優化了設計方案，節省了用鋼量，并利用優化后的BIM模型進行了工程量統計，大大減少了統計工程量的時間，提高了工程量統計的準確度。

本工程中還采用了知識工程開發語言實現了鋼筋混凝土結構的參數化快速建模，通過參數驅動生成各種類型鋼筋，利用鋼筋的IFC屬性快速統計了鋼筋工程量，并且為后續鋼筋的采購、加工、安裝提供了可靠的模型接口；在BIM模型的基礎上采用二維有限元分析軟件對混凝土結構的鋼筋布置進行了優化，同時實現了BIM模型的展示與鋼筋數量表的實時聯動。

在設計基本完成之后，在本工程中還利用了BIM三維模型進行開發，實現了二維快速化出圖，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構構造圖等(圖8)，并且二維圖紙與三維模型相互關聯，可實現聯動修改的功能。

在施工準備階段，本項目還利用已有的BIM模型對重點節點位置進行了施工模擬。擬建高架與北側地鐵3號線結構最窄處僅有6 m左右，施工精度要求高，在部分路段，各種結構相互交錯影響，施工中需處理深基坑、坑中坑等高難度作業，建設期間作業面十分復雜，通過BIM模型結合虛擬施工軟件對每一個施工步序進行了模擬，有效地預判了可能的施工難點，并且研究了施工方案實施可能性，進行了三維可視化的技術交底(圖9)。施工期間由于需根據寶鋼鐵路的運營時間要求錯開施工時間，需要在有限的時間內完成管線、地道結構、橋梁結構的施工，協調難度大，BIM團隊通過對工期的分析，

圖8　基于BIM模型的二維出圖

圖9　基于BIM模型的虛擬施工

結合橋梁的施工時間、工序、工法等要求確定了施工組織方案，將施工構件生產信息、運輸方式、到場時間等信息輸入到模型中，在施工模擬軟件DELMIA中通過甘特圖控制各個施工構件的虛擬建造[5]，直觀展示了每一個時間點已建成的結構、正在施工的結構和未完成的結構，有效實現了工程建設在時間、空間、資金上的控制。

4結論

本工程BIM技術應用成果表明，在大型市政交通類項目應用BIM技術，能夠在項目方案階段通過快速創建BIM模型展示設計方案，表達設計意圖；在設計階段通過BIM技術的可視化和協同化優點能夠快速檢查出錯漏碰缺，有效提高設計的質量和效率；通過BIM模型進行的優化設計和深化設計更是帶來了設計品質的提高；對數字化制造的研究和施工數據接口的預留初步實現了BIM技術的全過程實際應用，實現了BIM技術與工程設計的有效結合。

另外，針對本工程進行的BIM技術二次開發也取得了較好的效果，在構建模型階段為項目節省了大量時間，使得BIM人員能夠把更多的精力放在BIM具體應用上來。

下一階段BIM應用過程中，希望通過對不同階段模型需求的分析，對模型分級與輕量化進行重點研究，以方便后續工程中的進一步應用。

參考文獻

[1] 上海市城鄉建設和管理委員會.上海市建筑信息模型技術應用指南[S].2015.

[2]達索系統，達索系統集團官方中文網站，http：//www.3ds.com/cn.

[3]顧曉華，仲梁維.基于知識工程的參數化設計[J].設計與研究，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，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，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

【基金項目】國家自然科學基金資助項目(61170327)；國家科技重大專項支持資助項目(2014ZX02502)

【作者簡介】劉釗(1990-)，男，助理工程師，主要從事橋梁設計和BIM應用工作； 袁勝強(1971-)，男，教授級高工，總院副總工程師，設計院BIM中心主任，主要從事道路交通設計及BIM開發； 黃虹(1970-)，女，教授級高工，道橋院副總工程師，主要從事橋梁設計工作。

【中圖分類號】TU17

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)03-0020-06