城市復雜環境地下互通立交工程數字化應用

劉攀攀，李倩文

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200082]

0 引 言

現階段城市隧道、軌道交通、地下通道和下立交等地下工程是我國城市發展的重要基礎工程。地質條件及周邊施工環境復雜、施工技術難度高、工程緊、機械設備投入眾多、施工人員管理要求高等已成為地下工程建設中面臨的諸多難點[1，2]。同時隨著城市化發展，越來越多的地下基礎設施興建，新建工程與既有設施的交叉穿越不可避免，這對新建工程施工的風險控制和精細化管理提出了更高的要求。

從上世紀20 年代起，數字化手段不斷的應用在工程管理中，近年來，國家和地方政府相繼出臺了推動行業數字化水平提升和數字化技術應用推廣的政策文件，明確指出了要推進數字化技術在工程設計、施工和運營維護全過程的應用，不斷建立完善的BIM 技術政策法規和標準體系。

總體而言，當前國內的建筑市場已經在數字化技術的應用上做了很多工作，包括設計階段的設計優化、能耗分析，施工階段的碰撞檢查、施工方案模擬等[3]，近兩年設計管理平臺、施工管理平臺和運營管理平臺也漸漸落地，這些數字化工作的探索為我們城市復雜環境地下互通立交工程的數字化應用起到了良好的借鑒與指導作用。

本文基于城市復雜環境地下互通立交工程建造難點與痛點，提出項目數字化應用總體實施路線，并依托淞滬路—三門路下立交工程，面向施工各參與方，由項目實際需求驅動，利用各種數字化手段，開展了施工準備期及施工建造期的各項實踐應用，為項目建造提供有效施工指導，為數字化技術在城市地下工程行業應用與普及奠定基礎。

1 總體路線

在解決工程實際難題的大背景下，自主采納和吸收數字化技術，在項目投標階段更好的表達總體施工規劃，在項目推進階段通過多專業的協同，做好施工前期的準備工作；基于數字化技術進行施工方案的推演與分析，在現場施工開始之前確定合理可行的施工方案，指導實際施工，同時便于與各參與方協作溝通。

針對城市復雜環境地下互通立交工程施工特點及施工管理痛點，研究制定項目數字化應用總體實施路線：項目在開展數字化技術應用之初，進行滿足施工工序、進度、工程量清單劃分要求的建模規則制定，確保后期施工建造階段能順利應用模型，同時基于項目各方需求，編制工程數字化應用實施方案，指導項目各應用點有序實施。

在施工準備期間采用Autodesk Revit、3dmax、Tekla 以及Bentley 公司相關軟件建立多專業的三維模型用于施工方案的策劃比選與空間干涉檢查；在施工建造期間，針對重點工藝如管節吊裝、深基坑開挖等重要工藝采用Navisworks 軟件進行數據整合及施工方案預演，利用Bentley 公司的ContextCaputure 軟件處理無人機正射影像源數據，形成的帶坐標信息的高清正射影像圖擬合CAD 的籌劃文件進行施工組織方案優化，以指導施工；同時研究開發以私有云方式部署的智慧工地數據集成管理平臺對現場人員、設備、材料、安全生產、文明施工、質量控制、流程審批等工作實現全方位數字化管理[3]，總體的應用路線見圖1。

圖1 工程數字化應用路線

2 城市復雜環境地下互通立交工程數字化應用實踐

2.1 項目簡介

淞滬路——三門路下立交工程（以下簡稱“本工程”）位于上海五角場城市副中心，采用雙層Y 型下立交，雙向四車道設計形式，工程南起淞滬路政學路，上層為主線，沿淞滬路上跨匝道和軌道交通10號線后轉入閘殷路，于民府路前接地，下層為匝道，沿淞滬路走向，匝道以矩形頂管形式下穿合流污水箱涵及規劃軌道交通20 號線，之后迅速上行，于淞滬路民府路南側接地，總體示意見圖2。

圖2 工程總體示意圖

工程周邊設施密集繁多，有眾多已建或在建的商業綜合體，淞滬路西側緊靠新排污水管，東側全線緊鄰運營的軌道交通10 號線，最近處僅相距2.09 m。匝道段采用大斷面矩形頂管施工，全程保護合流污水箱涵，并預留規劃地鐵空間。

鑒于工程工期緊，施工風險極高，本文利用BIM、物聯網、互聯網等多種技術手段開展了方案籌劃優化、干涉檢查、重點工藝施工模擬、多源數據整合應用及智慧工地平臺應用，提升了項目建造管理水平及精細化程度，項目于2021 年7 月11 日，順利建成通車。

2.2 施工準備期應用

2.2.1 方案籌劃優化

上跨地鐵隧道彈鋼琴段是上海軟土層典型高卸荷比大跨度穿越基坑工程，基坑開挖深度8 m，坑底距10 號線隧道頂覆土僅4.8 m，卸荷比高達0.61，基坑跨度90 m，與隧道47°斜交，工程風險極大。針對此工況采取隧道股份特有的彈鋼琴工法施工，結合項目現場環境在施工前通過可視化的BIM 模型比選優化彈鋼琴工法施工方案，見圖3。

圖3 上跨地鐵隧道彈鋼琴段施工籌劃方案

開挖前首先對10 號線隧道進行微擾動MJS 門式加固，然后施工隔離樁和圍護，最后施工坑底滿堂加固。基于土體時空效應和充分利用隧道結構抗彎鋼度采用彈鋼琴工法，將大基坑分隔為小基坑，小基坑再跳倉和分層開挖，結合預制底板鋼筋等措施，加快基坑施工，確保10 號線安全，圖4 為小基坑跳倉和分層開挖模擬中的一個過程。該工藝借用BIM 技術事先進行跳坑開挖模擬，合理規劃施工工序及現場空間，有效提升了方案決策效率，提前規避了潛在問題。

圖4 小基坑跳倉和分層開挖模擬

2.2.2 空間干涉檢查

三門路- 淞滬路- 閘殷路交叉節點地下環境復雜，涉及已運營軌交10 號線、已運營約27 年的上海合流污水總管、各類管線及規劃軌交20 號線，地下空間極為復雜，且頂管雙線穿越合流污水箱涵下倒虹段，最小凈距僅3.9 m，施工風險極高。施工準備期間利用Autodesk Revit2017 建立全專業項目模型，涵蓋主體結構、地上地下構筑物等，并在同一坐標系下予以整合，進行空間干涉檢查，見圖5。基于多專業數據整合模型直觀清楚的展示了該區域管線及各重點構筑物的空間關系，為現場頂管頂進施工、合流污水總管保護與監測提供了有效指導，大大節省了各級管理人員溝通協調時間。

圖5 頂管下穿合流污水總管

同時，在上跨軌交運營區間基坑施工前，基于BIM 模型進行管線搬遷方案討論，見圖6，確定基坑最優施工順序及時間安排，優化施工空間，保證了軌交線路的正常運行，有效提升現場溝通協調效率。

圖6 上跨運營區間基坑與周邊環境的關系

2.3 施工建造期應用

2.3.1 施工方案模擬

匝道段采取國內最大斷面矩形頂管施工，大量的矩形管片吊裝作業需要完成，從管片進場、堆放、吊裝、下井再到離場，需要考慮吊點的選擇、翻身的空間、下井的位置等每一個步驟都需要精確控制。根據管片的重量選擇合適的吊裝設備和吊具，基于BIM 模型對吊裝場地進行合理規劃布置，通過三維預演施工，對整個吊裝作業選擇合適的吊裝角度和下井位置等內容進行施工交底，節約了整個吊裝成本，提高施工效率，圖7 為管片吊裝的施工模擬過程。

圖7 管片吊裝施工模擬

2.3.2 多源數據整合應用

場地環境模型是三門路下立交工程需要關注的一個重要組成部分，它涉及到主體結構與環境的位置關系。無人機采集工程的高疊合率照片，利用相關專業處理軟件，形成帶有工程坐標信息的實際環境數據，并與施工籌劃方案、BIM 模型于統一坐標系下進行整合，為現場施工提供數據支撐。

項目利用無人機技術，進行前期大臨設計及施工便道籌劃分析，預判了現場施工空間及便道設置的合理性，見圖8（a）。同時基于無人機正射影像技術，并進行控制點坐標計算，形成帶有工程坐標信息的矢量高清正射圖。以施工工序籌劃CAD 方案為基準，將正射影像圖、相關地下環境數據圖等以統一工程坐標進行匹配，實現施工設計方案與實體工程環境無縫銜接，見圖8（b），達到有效組織現場施工的目的，為項目施工籌劃提供了決策依據。

圖8 多源數據整合應用

2.4 智慧工地系統應用

項目在三維模型應用與正射影像數據基礎上，結合數據庫建設，歸納施工各要素之間的相互關系以及對工程項目整體進行分部分項拆分的基礎上研究開發了智慧工地系統，主要功能板塊包括：監控中心（實時定位、視頻監控、事件通知等）、人員管理（人員教育、測評、違章記錄等）、設備管理、現場質量安全管理（問題整改、推薦作業等），由Web 端及移動端兩種應用方式，見圖9。

圖9 智慧工地系統

系統監控中心頁面，對項目現場的人員、設備、危險品、視頻監控、施工進度等數據信息進行了有效集成，管理者可基于監控中心頁面總覽項目進展。如圖9 所示，基于系統監控中心界面，可查看現場人員、設備、危險品等實時位置、不同工種用不同顏色進行區分，頁面上可快速查找到現場作業人員及設備所在位置，點擊相關圖標查看人員相應信息及設備工作狀態等。同時，在界面上點擊攝像頭圖標查看該位置下的現場視頻監控實況，方便管理人員實時了解現場情況。其次，通過點擊各基坑區域，可隨時查看基坑施工進度情況，方便各層級管理人員實時查看施工進展。

智慧工地系統的開發與應用，為企業管理者及項目管理者提供了線上管控的平臺，實現了管理人員隨時隨地管控項目現場的目的，有效規范了項目現場人員的管理及質量安全問題的反饋整改流程與效率，為項目決策及高效管理提供了有效技術手段。

3 結 語

基于城市復雜地下互通立交工程數字化應用技術路線與實踐，實現了項目管理人員全過程參與，做到利用數字化技術去改進工作方式、提升管理精細化程度，為項目創造更高的利潤空間。基于項目應用實踐主要成效體現在以下三點：

（1）三維模型應用度高

通過建立大量的高精度三維模型，并于統一坐標系下整合形成工程完整信息模型，在工藝優化、空間有效利用方面起到了很好的三維可視化指導作用，幫助項目部提前發現問題，同時基于整合的模型，進行施工方案可視化交底，確保了項目各方有效了解工程結構及施工工藝，提升了溝通協調效率。

（2）提升精細化管理水平

基于工程數字化技術的項目管理，項目各崗位條線生產管理都基于同一數據集成平臺，項目管理決策均有合理可追溯的數據支撐，項目管理細化到構件級、工種級，使得項目管理更加精細化。

（3）完善公司信息化管理流程

通過項目數字化技術應用實施，有利于公司及其他項目信息化管理流程的完善。企業信息化管理需要海量數據的收集、沉淀與分析，項目數字化應用實踐為企業管理信息化提供了有效基礎。