深中通道人工島建設“揭秘”

文｜王帥 魯盛

圖1 深中通道位置示意圖

隨著社會經濟的快速發展，在沿海地區特別是沿海發達地區，土地、岸線資源日益緊張，一些影響國計民生的重大建設項目已經無地可用，適合港口建設的優良岸線也所剩不多，為了尋找新的岸線和土地資源，人們逐步把目光投向海洋，近年來填海造地呈現加快的趨勢。由于人工島具有周邊空間開闊、受到干擾小、拓展空間廣闊、可創造深水岸線和對生態影響相對較小的特點，可以避免沿岸圍墾所造成的生態影響，因此，以人工島為主要開發方式和載體的海洋資源開發越來越受到行業的認可和重視。目前采用人工島形式建設的項目主要包括海上油氣平臺、海上機場、深水港口、海上城市、工業島以及海上橋隧轉換的人工島銜接等。

BIM作為一種全新的理念和技術，正在引發工程建設行業一次史無前例的變革。BIM源自美國，逐漸擴展到歐洲、亞洲的日本及新加坡等發達國家。我國從2003年開始引進BIM技術，近年來政府相關單位、各行業協會與專家、設計單位、施工企業、科研院校等陸續開始重視并推廣BIM，然而目前我國BIM技術的研究和應用都主要集中在建筑設計行業，其他行業包括水運建設行業均處在起步階段。為了加快BIM技術在水運工程領域的應用，有必要盡快開展水運工程BIM設計標準、專業BIM應用軟件等方面的應用和研究。

研究表明，BIM作為支撐建設行業的新技術，涉及不同應用方、不同專業、不同項目階段的應用，絕非一個或一類軟件可以解決的，BIM的發展離不開軟件的支持。本文立足于實際工程項目，結合數字化設計平臺在深圳至中山跨江通道西人工島BIM應用過程中的相關經驗，對人工島BIM應用的成套解決方案進行研究和探討，希望以此推動BIM在水運工程領域的應用和推廣。

新技術助力世界級重大跨海交通工程

深圳至中山跨江通道位于我國廣東省珠江中游核心區域，東起深圳機場南側，終于中山馬鞍島橫門，將珠江口東岸深莞惠經濟區與西岸的江中珠經濟區近距快捷地連接起來，該通道北距虎門大橋約30km，南距港珠澳大橋約40km。本工程是集超寬超長海底隧道、超大跨海中橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程，規模空前、建設條件異常復雜、綜合技術難度再上新高，是我國繼港珠澳大橋之后的又一項世界級的重大跨海交通工程。

工程建設內容包括沉管隧道，伶仃航道橋、橫門東航道橋以及其他非通航孔橋，東、西人工島，三座碼頭，沉管預制場及浮運航道，特種裝備海洋平臺專用航道，龍橫航道，施工航道等。其中，人工島總體設計和島體結構設計由中交水運規劃設計院有限公司負責完成，人工島的基本功能是通過填海筑島形成穩定陸域，實現海上橋梁與隧道的順暢銜接，滿足島上建筑物的布置需要，并提供基本掩護功能，保障主體建筑物的正常運營。

本項目所有專業BIM建模內容包括：三維地質、基坑開挖回填、島壁結構（鋼圓筒、島堤結構和扭王塊體護面等）、地基處理以及施工碼頭等。BIM技術的應用對于人工島工程技術手段及設計理念將產生重大影響，從而為項目施工建造提供必要的信息模型和技術指導，同時對提高工程質量效益、數字化管理水平等方面也具有很好的促進作用。

本項目以Bentley系列軟件為基礎，搭建項目數字化平臺，實現對深中通道人工島設計過程信息模型的建立及相關深化應用。平臺涉及的主要BIM軟件及其在項目BIM實施過程中所扮演的主要角色如表1所示。

人工島BIM應用提高效率

以本項目西人工島BIM實施為例，主要應用過程包括：建立項目信息協同管理平臺；建立各專業BIM設計模型；基于BIM模型進行必要的工程分析；建立BIM綜合模型進行綜合協調；基于BIM模型優化設計；通過BIM模型生成二維視圖等。

BIM協同設計與傳統二維設計不同，將基于統一的BIM模型數據源，保持數據良好的關聯性與一致性，完成高度的數據共享，實現對信息的充分使用。深中通道西人工島工程的BIM應用，基于ProjectWise（以下簡稱PW）協同設計平臺，如圖2所示，利用流程管理、權限管理及知識積累功能，以文件級協同方式實現項目信息的集中存儲與訪問，從而縮短項目周期，增強信息的準確性和及時性，提高各參與方協同工作的效率。

表1 項目人工島BIM實施主要使用軟件列表

對于一個大型工程而言，其工程范圍往往很大，甚至達到幾百公里以上，雖然很多結構模型比較復雜，但是往往不同結構段可能會采用相同結構形式或由相同的結構構件通過組合而成，如果對每一個結構都進行建模，毫無疑問將增加很多重復性的工作，使得工作效率大打折扣，同時也會大大增加計算機的負荷。因此，要強化分專業、分區，用不同的圖紙來存儲模型的概念。不同專業的模型，應分成不同的文件存儲，通過參考的方式來進行總裝，盡量減小一個文件的存儲負荷。

專業內的不同構件對象，可以采取分文件的方式建模，使用文件參考組裝。尺寸規格相同的構件重復使用時，應盡量使用“共享單元”的形式插入，可以有效地控制文件大小。如結構模型，多結構段模型相同則無需將模型重復復制，僅需要在總裝模型上對同一層模型進行重復參考，并修改標高即可。人工島模型的裝配分四個層級（項目總裝、專業分裝、結構組裝和設計模型）進行，裝配層級關系如圖3所示。

圖2基于ProjectWise的深中通道西人工島項目協同設計平臺

圖3深中通道人工島模型裝配層級關系圖

圖4西人工島三維地質模型的創建

圖5基于GeoPak建立的基坑開挖及回填模型

人工島BIM建模過程。地勘資料是工程建設的基礎資料，工程區的地質分布情況是相關設計工作的重要依據，而三維地質模型能夠全方位呈現地層環境和巖性分布情況，為人工島結構的設計優化提供更加科學的判斷依據。本項目采用華創匯翔基于MicroStation開發的三維地質模型系統，建模過程主要包括數據庫端的地質勘探鉆孔信息數據錄入管理和圖形端的三維地質模型建立兩大部分。首先，根據地勘資料在系統數據庫端依次對地層環境、巖性環境、鉆孔布置、鉆孔巖性分布和地質勘探線布置等信息進行錄入和設置，待所有信息核對無誤后，接著在系統圖形端導入鉆孔和勘探剖面巖性分布信息，并依據上述信息建立人工島三維地質模型，地質模型成果如圖4所示。

由于工程區覆蓋層上部土體整體承載力強度均較低，壓縮性高，不宜直接作為隧道及人工島的基礎持力層，因此需采用基坑開挖回填中粗砂的方案，對上述覆蓋層進行軟土處理，將人工島島壁結構下方淤泥進行挖除并換填中粗砂。結合軟件平臺的特點，選用GeoPak建立西人工島基坑開挖回填模型，如圖5所示。

島壁結構BIM建模內容主要包括鋼圓筒及弧形副格倉、島堤結構以及扭王塊體護面等。本項目采用大直徑鋼圓筒沿人工島外圈振沉至持力層，并在圓筒之間打設鋼弧板構成副格倉，構筑安全、可靠的隧道基坑施工期止水圍護結構，實現快速成島止水的同時，避免了傳統基坑圍護結構的內部支撐結構，擴大了島上隧道施工的作業面。利用MicroStation軟件在人工島的整體定位軸網中建立了鋼圓筒及弧形副格倉的三維模型，如圖6所示。

圖6鋼圓筒及副格倉模型的創建

圖7基于OBM的島堤結構（非轉角堤段和階梯擋浪墻）建模

圖8基于PC的島堤結構（島頭轉角復雜堤段）建模

圖9扭王塊體建模及島堤護面扭王塊體的擺放

三維建模破解難題

島堤結構作為人工島的主體擋浪結構，在建模過程中存在一些技術難點，如島堤結構與前期開挖后的地形相交，與地基處理模型相切，與施工碼頭結構相切，按等間距施工縫擺放階梯擋浪墻等，上述這些問題使建模難度加大，單純依靠一款專業軟件很難解決所有問題。在綜合相關軟件主要優勢和特點的情況下，項目團隊考慮同時采用專業線性建模軟件PowerCivil（簡稱PC）和Open Bridge Modeler（簡稱OBM）進行建模，利用PC完成島堤放坡段及轉彎處結構的建模，實現結構與地形的自然銜接以及轉彎處結構的平滑過渡；利用OBM完成堤身主體結構和階梯狀擋浪墻的建模，解決島堤與其他結構物的切割問題以及按等間距施工縫擺放擋浪墻的問題。建模過程分別如圖7與圖8所示。

此外，堤身護面扭王塊體的擺放在設計和施工階段也一直是一個技術難點，如何擺放能夠達到比較好的消浪效果和如何從成本角度控制塊體的數量等問題到目前為止還沒有一個統一的結論。本項目人工島島堤堤身軸線方向為不規則弧線設計，堤身護面塊體的擺放較規則護面而言更加復雜，在建立本項目島堤扭王塊體護面模型時，將不規則護面拆分為若干個規則護面，然后再在規則護面上按照交錯布置的原則整齊擺放扭王塊體。實際操作中，利用MicroStation CONNECT版本提供的接口，通過二次開發MDL應用程序，實現了任意平面塊體擺放的功能，很好地解決了扭王塊體護面建模的問題，大大提高了建模的效率。扭王塊體護面模型如圖9所示。

陸域形成和地基處理設計范圍包括島壁結構內側回填和地基處理、島壁結構地基處理（擠密砂樁和鋼圓筒內地基處理）。根據施工工序的安排，首先要在西小島鋼圓筒基坑側采用3排高壓旋噴樁進行止水，然后按照西小島、西大島、鋼圓筒的工程范圍分別進行地基處理，形成陸域。陸域形成回填與軟基處理堆載相結合，降水聯合堆載預壓處理后能達到工后沉降要求，考慮原狀土預壓處理固結沉降以及回填砂自身的振沖密實。結合陸域形成和地基處理的設計方案，利用MicroStation建立各施工工序的三維可視化模型，如圖10所示，可用于人工島施工過程的模擬和施工方案的優化。

西人工島北側設置有施工碼頭一座，采用重力式沉箱結構，按200噸級救援船舶靠泊進行設計，其基本功能是為深中通道橋、島、隧提供交通事故應急救援或人員緊急轉移等基本救援保障功能。施工碼頭的設計難點在于碼頭前后方與島壁銜接處均為弧線，難以確定基床平面圖的邊緣線；同時由于碼頭后方與大圓筒相連，致使墻后回填塊石的工程量難以統計。通過AECOsim Building Designer（簡稱ABD）建立施工碼頭模型，幫助設計人員確定基床輪廓線，同時能夠方便地統計施工碼頭工程量。

施工碼頭的建模思路為將預制沉箱、系靠船設備和四腳空心方塊等對其他工程有使用價值的構件建立單元，豐富水運工程項目單元庫，如圖11所示。

對于拋石基床、回填塊石以及面層墊層等僅針對本項目的構件，使用MicroStation進行三維模型設計，并通過ABD對其賦予屬性信息。首先編輯屬性定義，定義工程所需的屬性信息，同時可實現豐富數據組的目的；然后定義各構件名稱并添加相應屬性信息，亦可實現豐富數據組對象的目的。待上述各個構件建立完畢后，即可將其進行定位組裝形成最終的施工碼頭三維可視化模型，如圖12所示。

單一的素混凝土往往難以滿足結構所需承擔荷載的要求，鋼筋的布置可大大提高結構的強度，因此，配筋工作是結構設計的重要環節。施工碼頭的胸墻及沉箱部分為鋼筋混凝土材料，需對其進行鋼筋布置，以滿足結構體的強度要求。本項目采用華創匯翔基于MicroStation開發的三維配筋系統進行配筋。在建立結構三維配筋模型之前，需根據規范確定如混凝土等級、各配筋面保護層厚度等參數，然后依據專業規范及配筋計算結果，設計各面層的布筋間距及鋼筋類型，確定內外鋼筋的布筋方向。在鋼筋信息確定無誤之后，將信息錄入到面布筋選項中，即可布置多種類型及型式的鋼筋組，鋼筋組的信息同步存儲于配筋體的各個面上。此外，在完成結構的三維配筋模型之后需對模型進行校核，確保模型的準確性。施工碼頭沉箱及胸墻三維配筋模型如圖13所示。

圖10西人工島陸域形成及地基處理模型

圖11 水運工程項目元件庫的建立

圖12沉箱結構建模及施工碼頭整體結構模型的組裝

圖13施工碼頭沉箱及胸墻結構三維配筋模型

圖14深中通道西人工島BIM模型成果

數字化平臺提升項目管控水平

本項目基于數字化平臺，利用先進的BIM技術手段，實現了深中通道西人工島各專業BIM模型的創建，順利完成了人工島項目實施，最終整體BIM模型成果如圖14所示。

圖15深中通道西人工島BIM模型應用展示

同時，為了發揮BIM更大的價值，從可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等特征出發，本項目完成了基于深中通道人工島BIM模型的深化應用，如：實現了專業間可視化協同及設計優化復核，輸出二維圖紙及屬性信息和工程量的快速統計，基于BIM模型的施工工序模擬以及移動端應用等，如圖15所示。

本項目的順利實施，實現了人工島BIM信息化立體模型的建立，展現了BIM技術在人工島項目中對于提高工效、確保質量、提升項目管控水平等方面的重要應用價值。通過BIM手段，實現了對設計方案及施工工序的模擬分析，直觀形象地展示了工程全貌，各專業間實現了設計成果及信息的有效傳遞和交互式溝通，并改變了傳統的人工繪圖及算量模式，從而大幅提升了人員工作效率及設計成果質量，同時對于節約項目工期及成本、提升項目效益及數字化管理水平也具有重要促進作用。

BIM在深中通道西人工島項目中的應用，是BIM在水運基礎設施領域的一次嘗試和探索。通過BIM技術手段的運用，充分發揮了BIM在可視化、仿真性、協同性和一體化等方面的特點和優勢，為人工島工程項目在三維展示、優化設計、協同工作和施工模擬等方面發揮了重要作用，這是傳統技術手段所不具備的。數字化平臺在深中通道西人工島BIM設計過程的成功應用，表明該數字化平臺能夠滿足人工島設計建模的各項要求，同時能夠適應后續橋梁和隧道工程的技術銜接，因此該數字化平臺符合人工島項目BIM整體實施的相關需要。

雖然BIM作為一種全新的理念和技術，具有無可比擬的優勢，但與國外相比，我國現有的行業體系仍不統一，缺乏較完善的BIM應用標準，導致各行業BIM應用大環境不夠成熟，推廣難度較大。BIM技術和理念的推廣普及仍然面臨諸多困難和挑戰，尤其是在BIM應用標準和法律法規的制定、BIM軟件平臺的開發和各行業BIM應用技術的創新探索等方面，還需要經歷一個積累、探索和創新的過程。