BIM技術在蘇錫常南部高速公路工程設計應用

陳國佳，彭廣銀

（江蘇森尚工程設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

基于建筑信息模型（BIM）技術的信息互通協作、實現全生命周期內信息共享、傳遞、協同、決策，以提高管理效率、節約項目投資、保障項目進度質量，是BIM技術研究的核心問題[1]。國內外關于BIM技術的研究發源于房建項目，并進行了大量的研究與實踐。BIM以可視化、協同性、仿真性、優化性為主要優勢特征，已經成了未來市政設計、交通基礎設施建設領域的重要技術手段[2]。

與BIM技術在建筑領域的應用相比，交通運輸工程中，BIM技術的應用難點主要集中于橋梁工程與隧道工程。由于橋梁、隧道等重點基礎設施面臨地質復雜、未知風險高等情況，BIM技術的應用發展相對緩慢。國內外學者針對BIM技術在橋梁、隧道工程項目中的應用進行了大量研究。王玨[3]針對互通立交設計，基于BIM優化了復雜線形設計和立交端部設計。王東偉等[4]針對斜拉橋索塔施工優化問題，基于BIM技術對橋梁構件統計、施工模擬分析，縮短了工期并大幅節約成本。趙偉等[5]采用BIM技術優化了三塔雙索面疊合梁斜拉橋施工工藝，對施工過程進行精細化管理，提高工作效率約15%。李坤[6]將BIM技術應用于地鐵隧洞的設計與工程量統計中，檢核混凝土工程量誤差為3%。鐘宇等[7-8]基于IFC（IndustryFoundationClasses）標準提出了盾構隧道數據模型，實現了基于IFC的盾構隧道信息模型的數據表達，并建立了盾構隧道建模流程和參數化建模方法。

為了對項目全生命周期各項要素進行精細化管理，充分發揮BIM技術在設計審核、施工監控、信息互聯方面的優勢，BIM技術的研究越來越關注項目工程全生命周期一體化管理。Bentley[9-10]為英國Crossrail地鐵項目的BIM管理建立了公共數據云端服務，為BIM生命周期數據互通互聯提供技術支持。馮瑾等[11]提出了一種提出基于BIM技術的橋梁工程全生命周期一體化的技術框架和一般性應用流程。

基于現有BIM技術在交通基礎設施生命周期各階段的應用經驗與一體化管理研究成果，本研究依托蘇錫常南部高速公路工程，建立BIM應用平臺，對BIM技術在隧道、互通重大交通基礎設施初步設計、施工圖設計、施工優化和運營維護全生命周期階段的應用進行研究。

1 工程概況

蘇錫常南部高速公路全線長約43.8km，采用6車道高速公路標準建設。該高速公路于2017年2月開始設計，2018年3月開始施工，建設工期4年。建成后，將在滬寧間新增一條高速通道，緩解目前滬寧高速無錫、蘇州段的擁堵，對促進沿線蘇錫常城市發展、加快推動長三角一體化具有重要意義。BIM應用重點工程為雪堰樞紐與太湖隧道，由設計單獨主導BIM正向設計。其中，雪堰樞紐，主線采用（40+60+40）m掛籃懸澆變截面連續梁，半幅橋面寬度20.9m，單箱三室截面，主墩墩頂梁高3.6m，跨中梁高1.8m，梁高與底板厚度按2次拋物線變化。太湖隧道長10.79km，斷面采用雙孔一管廊形式，單孔凈空17.45m。兩個重點工程均規模大，工期緊張，工藝繁多。其中，太湖隧道工程風險源較多（圍堰施打和拆除，基坑開挖、降水，大堤拆除及恢復），環境要求高（需考慮太湖汛期、藍藻爆發期等，以減少對太湖生態的影響），安全運營壓力大（長大水底隧道，火災、結構穩定性等風險管控壓力大，應急和救援困難），緊密結合BIM可視化、數據化、協同化的特點，搭建以數據為中心的協同管理體系，立足于全生命周期BIM實施提升管理效益、設計水平與經濟效益，實現行業示范價值。

2 BIM技術總體構架

由于項目工程規模大、參與單位多、涉及專業多，工程面臨著管理難度大、交叉作業面多、信息集成要求高的特點。結合交通設施BIM技術應用特點，在本項目雪堰樞紐、太湖隧道兩個重要工點初步設計、施工圖設計、施工及運維階段全面引入BIM技術，如圖1所示。

圖1 本項目BIM全生命周期應用路線示意圖

本項目涉及多種BIM建模軟件、多個BIM應用平臺，因此需要結合項目開展數據傳遞、交換與共享的研究工作。明晰數據需求，通過明確標準數據格式，對基礎數據進行細化分發，形成底層數據組織基礎，為上層功能應用提供基礎數據服務，如圖2所示。基礎數據通過業務數據結構接入至BIM應用平臺，為上層應用提供數據支持。

圖2 BIM平臺數據框架

采用SpringBoot為服務架構，建立數據平臺。為了統一數據規范，本研究針對圖紙、模型、報告、視頻和圖片進行了文件類型及各式標準化定義，確保數據傳遞、交換與共享通暢安全。施工單位招標確定后，提前介入設計院的施工圖模型建模工作，確保設計院交付的施工圖模型基本滿足施工應用需求。施工期間，應基于施工管理平臺開展專業竣工模型的創建與維護，運營管養單位應提前介入，確保竣工模型基本滿足運營管養應用需求。平臺BIM關鍵技術如下：

（1）BIM輕量化技術

本項目段BIM建模和應用軟件以Autodesk系列產品為主，將BIM模型建立劃分為兩階段進行。首先，統籌各參與單位，將所需基礎設施模型建立以涉及專業為依據進行構件劃分，建立工程構件族庫。族庫以結構數據為主，減少造型數據，減小渲染資源需求與模型體量，確保平臺運行效率。隨后，基于構件族庫對設計模型進行拼配，實現一鍵式精準布置，搭建BIM平臺模型基礎。

（2）BIM+GIS數據融合技術

首先，針對參與單位眾多、涉及專業廣的難題，統一單位交付模型是進行數據融合的基礎。針對各單位提交的BIM族庫初始模型，開發主流數據格式大批量轉換程序，對轉換得到的數據格式進行模型數據編輯，統一坐標參考信息。

其次，從宏觀、中觀、微觀3個尺度對BIM進行BIM+GIS數據融合，將大場景模型的圖片、地表材質、局部精細航測影像、各構件模型進行模型整合，接入GIS數據。

（3）空間數據可視化技術

基于BIM、BIM+GIS數據融合技術，搭建基于WebGL的GIS平臺，實現針對航測場地的BIM要素加載，構建設施周邊房屋、河流模型，覆蓋高清衛星圖片。研究基于視點距離的BIM動態加載，實現空間模型飛行巡查、浸入式工程核查。

本項目BIM技術應用采用建設單位主導，設計單位牽頭，其他相關單位配合的組織模式。建設單位統籌規劃BIM總體應用流程，組織各參與方協同合作，建立BIM應用框架，明確工程實施階段各參與方的任務、交付標準等事項。設計單位建立BIM團隊及基于BIM的協同勘察設計工作模式，構建支持多種數據表達方式與信息傳輸的數據庫。建立勘察設計模型，進行專業協同和優化設計。施工單位通過BIM平臺對施工過程、質量安全監控及成本等進行精細管理。運維單位建立基于BIM的運營維護管理協同工作機制、流程和制度。

3 BIM平臺應用研究

3.1 初步設計

3.1.1 BIM專業族庫建立

基于Revit、Dynamo等軟件建立部分族庫要素，如圖3與圖4所示。采用Civil3D創建曲面，建立場地與道路工程，通過Infraworks導入專業族庫要素，構建周邊房屋、河流模型，覆蓋高清衛星圖片，實現一鍵式精準布置。

圖3 橋梁專業族庫

圖4 隧道專業族庫

3.1.2 初步設計方案比選

因互通樞紐毗鄰大頂禪寺景區，綜合考慮文物保護與城市交通的需求，對兩種設計方案進行比選，如圖5所示。基于三維模型一鍵式精準布局，檢測方案一對景區影響小。

圖5 雪堰樞紐方案比選

基于交通安全考量和人文景觀需求，校核橋跨視野通透性，著重分析大頂禪定寺周邊互通主線橋第四聯至第七聯。調整橋跨布置為[2×（30+30+30）+2×30+3×32]m，橋下視野通透性好。

圖6 主線橋設計第四聯至第七聯初步設計優化

3.2 施工圖設計

3.2.1 圖紙審核與優化設計

基于BIM平臺空間數據可視化快速渲染技術，實現全線逐樁浸入式視距核查與分合流端部視距核查。如圖7所示，主線與G匝道合流端部由于G匝道坡度較大，且主線與G匝道均為橋梁（傳統設置為墻式護欄），由于存在高差，從匝道匯入的車輛視線被護欄遮擋無法觀察主線車輛，存在安全隱患。

圖7 圖紙審核與優化設計

3.2.2 施工模擬與工程量復核

基于隧道BIM，動態模擬隧道設備用房內大型設備的安裝、檢修路徑，優化設計方案和設備運輸方案，如圖8所示。以BIM模型為基礎進行工程量復核，與設計核算的差量控制在3%以內。

圖8 大型設備運輸與路徑檢查

3.3 施工過程

3.3.1 施工深化設計與竣工模擬

通過對復雜節點施工工序開展精細化模擬，檢查施工方案可行性，達到優化施工方案的目的；在施工圖設計BIM基礎上，補充施工、變更、材料等信息，形成最終竣工模型，輔助現場的竣工驗收移交。

3.3.2 施工進度、安全、質量與變更管理

（1）導入網絡計劃、模型至BIM應用平臺，可視化方式展現施工進度分析[見圖9（a）]。

（2）整合與集成施工風險源監測數據，實現可視化展現監測和分析結果，及時預警報警[見圖9（b）]。

（3）實現質量管理計劃審核、批注、推送及整改跟蹤的完整管理閉環[見圖9（c）]。

圖9 基于BIM技術的施工進度、安全與質量管理

（4）基于BIM技術實時更新變更信息，確保工程質量和工期。

3.4 運維階段

（1）集成橋梁、隧道運行期間監控數據和報警信息，基于BIM快速查詢報警設備的空間位置、技術參數。

（2）根據維保管理計劃，制定設施設備日常巡檢內容、路線，并對項目設施設備的運行情況進行實時監控和記錄。

（3）根據設施設備的實際運行狀態，按維保管理計劃要求對設施設備開展定期維護保養。

（4）構建以數據中心為核心，以BIM為采集、管理終端的完整應用體系。

（5）開發基礎設施檢查移動端采集軟件和橋梁病害三維可視化軟件，實現養護信息標準化、病害三維可視化、現場記錄無紙化、報告生成自動化。

4 結語

以蘇錫常南部高速公路工程為例，針對重點道路基礎設施，通過建立全生命周期BIM協作平臺，實現了BIM技術在初步設計、施工圖設計、施工階段、運維階段的多單位、多專業統籌應用。同時，取得了如下成果：

（1）針對重點道路基礎設施，建立了BIM專業族庫，提出基于BIM+GIS數據融合的二階段建模技術，實現以輕量化模型為目標的快速建模方法。

（2）基于空間可視化技術，從平面、立體全方位對設計方案進行比選、優化、深度設計。更正設計主要問題30余處，深化設計、施工進度模擬、復雜施工工序模擬，施工效率提高約40%，提升建設質量。采用BIM技術，使得項目預算變更減少40%，成本預算時間減少80%，管線綜合資金節約10%，項目周期縮減7%，顯著提升經濟效益。

（3）設計施工統一平臺保障了設施構件信息傳遞的連續性、設施建設歷史信息的完整性，為基礎設施建設、運營、維護提供了完整數據基礎，提升了道路、橋梁、隧道的安全運行水平，有效提高了運維管理的數字化水平。