三維數字化技術在深圳前海自貿區建設中的應用

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122； 2.浙江華東工程數字技術有限公司，杭州 311122)

引言

前海自貿區位于深圳蛇口半島西側，珠江口東岸，占地面積14.92km2，地處珠三角區域發展主軸和沿海功能拓展帶交匯處，分為桂灣、前灣、媽灣三大片區。前海自貿區定位為未來整個珠三角的“曼哈頓”，將側重區域合作，重點發展高端服務業、發展總部經濟，打造區域中心，并作為深化深港合作以及推進國際合作的核心功能區，其建設規模約2 600萬至3 000萬m2。各等級規劃道路總長度為180km，路網密度約12km/km2； 共設有9條軌道線路，總長度約32km，線網密度2.4km/km2(高于東京)； 地下空間開發規模約800萬m2，開發規模和強度與倫敦CBD相當，是紐約曼哈頓CBD開發量的兩倍以上。前海處于填海區，地下淤泥層深厚、填石散亂，基坑開挖和支護施工困難，容易導致設施變形、開裂，地質條件極其復雜。合作區內道路、跨街橋、軌道交通、市政管網、地下空間、生態公園、慢行系統、區域供冷設施以及地塊開發于2013年全面啟動。地上，永久性市政設施、公共設施、地塊開發和臨時性道路、1.5級開發共同實施； 地下，已建、在建、擬建的軌道線路與市政設施、地下道路、地下空間交錯推進，形成地上地下互聯重疊、立體式多元復合的網狀密集開發現狀。

為應對前海開發建設所面臨的體量大、標準高、交叉多、時間緊等眾多建設難題，前海通過引入先進的數字化技術，BIM的出現正在改變項目參與各方的協作方式[1-2]，依托BIM三維數字化技術優勢，創新前海規劃、設計、施工等建設管理模式，為實現城市運行的智慧化管理提供了統一的載體，是新型數字化城市的典型代表，在此載體的基礎上再整合互聯網、物聯網、三網融合、智能信息處理、云服務等信息技術，向現代化智慧城市邁進[3]。

1 實景模型與設計模型的整合應用

傳統“一張圖”和“多規合一”的要求被反復提到，但是各地實施的效果不盡如意，規劃不協調現象突出。數字化立體規劃采用“GIS+BIM”技術，從地面到地上地下全三維表達，綜合反映不同時期整體和局部的規劃成果。首先通過無人機傾斜攝影技術建立高精度實景模型，基于傾斜攝影的實景三維建模具有成本低、周期短、精度高、模型與現實接近特性[4-5]，然后依此建立地理信息模型，再疊加地質信息模型和規劃信息模型，形成“多源合一”的“全信息數字化沙盤”，可以快速梳理、預檢和處理各層級規劃在空間上、功能上和技術上的問題，動態監控規劃實施情況。如地理信息三維實景模型與設計信息模型的疊加，可有效查驗工程與周邊地塊、建筑物、施工場地之間的關系，基于混合模型可對交通、周邊配套、日光照射、景觀綠化等進行模擬分析。

圖1 分析地面道路與建筑物的空間位置關系Fig 1 Analysis of the spatial position relationship between roads and buildings

圖2 建筑外立面形象分析Fig 2 Facade analysis of Buildings

圖3 分析地下道路空間位置關系Fig 3 Analysis of spatial relationship of underground road

圖4 查看地下道路入口情況Fig 4 View the entrance of the underground road

基于實景模型的道路工程竣工檢查，將設計圖紙和竣工后的實景模型疊加，可以很方便的對比出竣工現場和設計圖紙是否存在偏差。與傳統的景觀方案相比，可以更好地結合周邊環境的實景模型，為景觀方案的對比和選取提供參照依據。

圖5 夢海大道與桂灣二路路口竣工工程檢查Fig 5 Cross-section completion inspection

圖6 景觀模型與實景模型的整合應用Fig 6 Integration of landscape model and reality model

2 城市級三維地質模型創建和應用

地質數據表達最重要的是建立數字模型，實現空間實體和屬性信息的對應[6]，為實現地質元素三維信息模型的建立，前海地質三維模型創建采用Geostation平臺，分為數據庫和三維模型兩部分。數據庫中主要是地質元素數據，包括項目各階段勘察地質資料和大量的施工期地質數據，由現場基于地質三維勘察設計系統Geostation收集、編錄而成，包括地形數據庫、地質數據庫、勘探數據庫、物探數據庫、試驗數據庫、觀測數據庫等。三維模型是基于數據庫通過地質三維勘察設計系統GeoStation建立起來的勘測全信息三維模型，主要包括三維地形、地質線框模型、地質界面模型、實體模型[7]。

圖7 前海區域地質三維模型Fig 7 Geological 3d model of Qianhai area

在工程實際中的應用分為不同階段的應用。一是進場前，參建單位可通過地質三維模型和地質數據庫得到初步地質信息，如：地層分布、地層參數、水文信息等； 二是設計階段，通過模型為設計提供基本的地質參數，如各土層物理力學參數； 三是施工階段，可以解決實際圍護打樁深度的問題，有效節約投資； 四是前海片區地質條件復雜，地質三維模型可為片區內地鐵線路及站點保護、周邊施工影響分析提供判斷參考。

3 從二維圖紙到多維立體式設計和施工管理

利用BIM技術快速模擬出城市地下空間、地鐵站點和區間、待開發地塊、市政道路、共同溝、管線等縱橫交錯的復雜邊界關系，檢查和解決在空間接口、專業接口等存在問題，復核設計成果與規劃方案的統一性； 可快速梳理出二維圖紙中存在的錯漏碰缺問題，提高設計標準和質量，加快設計成果的穩定，避免反復施工，減少建設資金的投入。

圖8 臨海大道地下道路Fig 8 Linhai Avenue Underground Road

圖9 臨濱地下立交Fig 9 Linbin underground interchange

圖10 前海交易廣場Fig 10 Qianhai Exchange Square

圖11 道路、地鐵和綜合管廊組裝模型Fig 11 Assembly model of avenue，subway and integrated pipe gallery

3.1 地下管線設計調整

基于設計院的成果發現沿路雨污水與地下空間消防通道硬碰撞，雨污水管埋深已無調整余地，與設計院基于BIM模型討論后的解決方案是調整局部結構埋深，繞過雨污水管； 此次檢查發現了嚴重的設計缺陷，使得原本在施工過程中才會發現的問題，暴露在設計階段，避免了結構拆除重建而造成的系列損失，BIM的應用不僅使得設計質量得到很大的提升，而且設計質量的把控也變得更加簡單直觀[8-9]。

圖12 圖紙修改前的組裝模型Fig 12 Assembly model before drawings modification

圖13 圖紙修改后的組裝模型Fig 13 Assembly model after drawings modification

冷管、燃氣管、雨污水管涵硬碰撞，各管線均有埋深需求，且各管線密布，有壓、無壓管共存，與設計院基于BIM模型討論后的解決方案是重新校核管線標高調整冷管及燃氣管高程； 此次檢查發現了管線嚴重碰撞點，在設計過程中清楚梳理管線位置關系，合理安排管線施工順序，避免管線施工過程中道路的反復開挖，降低施工對管線造成的破壞。

3.2 復雜地下空間項目協調

以桂灣片區聽海大道地下空間為例，該區域范圍原地面道路下臥的是已建成地鐵1、5、11號線(前海灣站、包括前后區間)，該片區同期建設共同溝，對市政管線實施統一的規劃設計、建設管理； 同期建設地下步行系統，連接周邊地塊、公共綠地，它本身也作為城市形象展示區、文化展廊。地下開發密度巨大，基于BIM數字化應用解決了復雜空間管理和高強度地下空間開發的難題，對節點模擬，為工序決策、工藝選擇、選型提供參考。

圖14 圖紙修改前的組裝模型Fig 14 Assembly model before drawings modification

圖15 圖紙修改后的組裝模型Fig 15 Assembly model after drawings modification

圖16 地下空間接地塊通道剖面Fig 16 Underground space ground block channel profile

圖17 地鐵出入口剖面Fig 17 Subway entrance and exit profile

3.3 施工方案確定

以臨海大道地下道路為例，一期沿桂灣一路、臨海大道布設，雙向6車道，隧道主線長3.0km，桂灣車行聯絡道主線全長約1.5km，與地下道路有5處接口需要連通。地下道路大部分已完成土建工程，接口預留未達到臨海大道紅線； 為減小車行聯絡道接口施工對臨海大道道路和管線的影響，需采取工程措施，基于多工程多專業的三維模型明確了所有接口處施工方案。

接口1：位于放坡范圍內的再生水管和雨水管臨時保護，燃氣管和通信管在連接段實施期間改遷至一期施工聯絡道上方。若聯絡道施工期間管線無使用需求，再生水管和雨水管可廢除后恢復，通信管和燃氣管可甩項(總長度約為130m)，聯絡道施工結束后施工。

接口5：增加側面土體加固或其他可保證側向土體穩定措施(如鉆孔樁+旋噴)，保證結構與圍護間土體的自力性； 超出擋墻范圍管線收至擋墻內側，由聯絡道施工時連接。

圖18 接口1施工方案Fig 18 Interface 1 Construction Plan

圖19 接口5施工方案Fig 19 Interface 5 Construction Plan

3.4 用地方案及接口協調

以前海交易廣場項目為例，該項目與周邊市政工程接口復雜，利用BIM技術快速地檢查了與毗鄰市政工程的接口關系，加快設計成果的穩定； 組合了房建模型、地質模型與地鐵模型，為沿線地鐵保護提供了數字化模型依據； 整合了房建模型與實景模型，優化了交易廣場用地方案及立面設計方案。

圖20 交易廣場整合到實景模型地圖上Fig 20 Exchange Square integrated onto the reality model map

圖21 交易廣場立面方案分析Fig 21 Analysis of the facade of the Exchange Square

圖22 建筑項目與市政工程接口檢查Fig 22 Interface check between building project and municipal project

圖23 建筑與地鐵、地質模型整合應用Fig 23 Building and subway，geological model integration application

4 現場施工方案和施工進度模擬

圖24 基坑圍護模型施工進度模擬Fig 24 Simulation of construction progress of foundation pit retaining model

運用BIM技術，可虛擬化呈現整個施工過程和最后成果，創建三維信息模型過程也是虛擬建造的過程，在實際工程施工之前已經完成了虛擬的過程[10]，能有針對性地減少不必要的返工帶來的人力物力消耗，極大降低管理成本和安全風險； 運用這一技術模擬施工方案，可確定最優工序和最優施工方案，從而達到時間和資源最優化配置的目標，還能提前發現施工過程中可能出現的問題，采取針對性的措施予以提前解決； 復雜的施工方案通過三維模型呈現，更加通俗易懂，技術管理者和施工人員可快速有效地掌握各項施工工序。基于BIM的進度管理的工作目標是利用工程BIM模型一體化應用系統實現工程建設實時面貌的3D可視化展示，主要通過BIM的參數建模技術將各個構件作業的工期及其繼承實體和相關的派生關系以參數的形式表示在BIM中各個構件對象上[11]，展現實際執行狀態和計劃目標之間的差異，分析計算各時段工程施工強度，提高項目集群管理模式下進度管控水平。

5 結論

傳統二維設計從最初規劃到最終方案設計都是以二維圖紙及報告方式體現，信息不完整、表達手段單一； BIM將工程設計從二維時代帶入三維時代，BIM能夠提供完整的、與實際情況一致的城市全信息模型，實現基于模型對設計方案進行錯漏碰檢查及三維可視化調整優化。利用BIM技術快速模擬出地下空間、地鐵線站點、待開發地塊、市政道路、共同溝、管線等縱橫交錯的復雜邊界關系，檢查和解決在空間接口、專業接口等存在的問題，復核設計成果與規劃方案的統一性； 可快速梳理出二維圖紙中存在的錯漏碰缺問題，提高了設計標準和質量，加快了設計成果的穩定，避免反復施工，減少建設資金的投入。工程數字化的終極目標絕不僅僅是要提高現階段的設計效率和設計質量，它的終極目標是要實現工程數字化移交和全生命周期管理[12]。

我國已在施工階段利用BIM技術項目還未覆蓋、超出全部bSa(buildingSMART allicance)應用情形，僅集中在成本預算、3D協調、施工深化設計等少數簡單應用情形中[13]，而前海合作區作為國內首次開展城市級數字化建設與智慧化管理的新區，在開發建設全過程引入BIM技術，深入開展基于BIM數字化技術的城市開發建設模式和體制機制創新，已取得豐富的實施成果，將為國內其他新區開發建設提供范例和可復制、可推廣的經驗。