BIM技術在復雜市政隧道項目中的應用

摘要 在各類市政工程中，隧道工程以設計難度大、環境影響高、建設周期長等特點而被列為最復雜的項目類型之一。在城市化進程下，隧道工程建設的周邊控制因素愈發復雜，而傳統設計方法較難有效解決這類問題，BIM技術的介入成為解決復雜工程設計難題的突破口。文章通過蘇州市吳江區笠澤路跨運河通道項目的設計工作，進行了BIM技術應用研究，形成了一套具有針對性的復雜市政隧道項目BIM技術解決方案，對同類型復雜隧道工程具有借鑒意義。

關鍵詞 隧道；BIM；設計

中圖分類號 U412.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0108-03

0 引言

市政工程作為推動城市發展的內在動力，一直是國家建設發展的重中之重。隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，我國各項基礎建設都在不斷發展和完善。在此背景下，市政道路的功能需求及復雜程度也在持續地提高，這就對市政道路設計提出了更高的要求。傳統的交通設計行業由于受到設計技術的極大限制，大多采用的是二維設計、平面出圖的方法來呈現工程的三維結構，這對設計人員自身的專業水平、設計經驗等有著極高的要求[1]。尤其在市政隧道設計階段，有限的設計期限內難以保證設計質量，需要采用新型設計技術進行輔助設計[2]。近年來，數字化技術對市政行業的發展影響深刻，國家十四五規劃提出了加快數字化發展的目標，給市政設計行業的數字化轉型工作帶來了新的機遇和挑戰[3]。目前越來越多的市政工程設計亦開始采用BIM技術，利用三維可視化技術，解決傳統二維設計中不易解決的各類問題，同時通過模型化和信息化的技術手段來摒除設計數據和信息流傳遞斷層的弊端。

1 項目背景

1.1 項目概況

蘇州市吳江區笠澤路跨運河通道項目位于吳江區云梨路和東太湖大道之間，起點位于花園路，終點位于龐山路，中間橫穿京杭大運河，路線全長約2.01 km。項目以優化吳江城區發展規劃為目標，側重于緩解該地段日益增大的交通壓力。經過多輪研究，該項目最終確定采用隧道方案。方案效果圖詳見圖1。

1.2 項目設計難點

該項目屬于發達城市中心區隧道項目，周邊環境極為復雜，設計過程中需綜合考慮隧道功能需求以及對現狀設施影響的規避，設計條件極為嚴苛。結合該項目設計要求，項目設計難點主要包含以下幾點：

1.2.1 周邊控制因素影響

該項目所在位置周邊用地現狀較為復雜，包含變壓器廠、加油站、中儲糧倉和水利征地，以及山湖西路與湖心西路兩側的民營企業及多個住宅小區等，方案設計過程中需綜合考慮線位走向。項目初期，設計人員綜合考慮南側、中間、北側三種可選線位，但因控制因素過于復雜，在方案的選取上，方案比選過程中無法完全兼顧所有控制因素，且對居住環境、建設條件、征地范圍及造價差異等方面難以有效評估，方案推進過程中遇到較大困難。

1.2.2 城市隧道消防性能

該項目屬于城市隧道，在交通高峰期時段，交通事故發生率較高，密集的車流下，潛在的火災風險較為突出，在傳統的設計過程中，通常通過合規性設計方法，采取相應的消防設計措施，使其能夠滿足相關消防規范的要求，但在各類不確定因素影響下，隧道的消防性能依然缺乏合理有效的驗證手段。

1.2.3 隧道出口段交通流

該項目跨河隧道的建成旨在對城市區域交通壓力起到疏解作用，但是交通引流對銜接道路的交通量也會造成影響。該項目隧道兩側出口直接與現狀一級公路和城市主干路銜接，設計過程中需要重點考慮對銜接段道路交叉口的交通流影響，避免形成交通擁堵點的轉移。

2 BIM技術應用研究

通過對該項目設計難點的分析與研究，考慮在BIM技術體系下尋求合理的應用點，以目的為導向，探索相應問題的解決方案。通過一系列的研究與實踐，最終研究出了具有針對性的關鍵技術，包括基于“BIM+傾斜攝影技術”的方案可視化決策、隧道消防疏散模擬分析、隧道出口道路交叉口車流分析，從實際角度出發，解決了該項目設計過程中存在的問題。

2.1 基于“BIM+傾斜攝影技術”的方案可視化決策

針對該項目周邊用地現狀復雜、控制因素過多和方案合理性分析較為困難的情況，該項目考慮采用BIM技術與傾斜攝影技術的融合應用，基于BIM技術，快速構建三維方案設計模型，并由無人機采集項目環境現狀并生成現狀傾斜攝影模型，通過數字化技術將兩種模型基于精確的坐標系統進行整合，在三維可視化的場景下輔助進行方案決策。

2.1.1 方案模型快速構建

針對該項目方案階段設計需求，選取合適的三維設計軟件，快速構建了道路、隧道等各專業的多方案模型，同時附帶必要的設計信息（如道路的路線數據，橫縱坡坡度、隧道截面尺寸等），供后續項目參與方展開方案比選等應用，并針對方案調整，進行快速跟進修改。具體方案設計BIM模型參見圖2。

2.1.2 傾斜攝影模型構建

通過無人機在項目現場進行巡航攝影，從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，通過高效的數據采集及專業的數據處理，并結合先進的定位技術、精確的地理信息嵌入和高清影像信息集成，生成能夠直觀、精確地反映現狀用地地物的外觀、位置、高度等屬性的三維模型，為現狀分析和設計方案的決策提供必要的數據支撐。無人機采集的傾斜攝影影像數據參見圖3。

2.1.3 BIM模型與傾斜攝影模型整合

通過對方案設計模型以及傾斜攝影模型進行格式轉換與數據處理，并通過基于網絡端的BIM+3DGIS平臺，將兩個模型依照精確的坐標系統進行整合，形成一個完整的，帶有工程設計信息以及現狀用地數據的整體模型，為設計團隊與建設方搭建出一個可視化的方案溝通“橋梁”，直觀反映各個方案與周邊環境的位置關系和銜接情況等等，在征拆范圍選取、居住用地及工業用地的規避等方面清晰地體現各選線方案的優劣等，便于方案的選擇及優化。該項目直接通過網絡平臺上的三維模型開展方案討論、評審和決策，有效提升了方案決策的效率。項目BIM模型+傾斜攝影整合模型，參見圖4所示。

這一套技術方法能夠在方案階段針對設計需求以及設計難點快速響應，并形成高效的輔助決策能力，最終幫助項目組確定了最佳設計方案，有效解決了多控制因素下各方案難以評估和比選的問題。

2.2 隧道消防疏散模擬分析

根據該項目隧道消防性能要求，采用BIM技術，結合消防分析軟件，對隧道工程進行消防疏散模擬分析工作，通過對火災模擬條件下的煙氣蔓延情況和隧道最大承載人員條件下的疏散情況進行仿真模擬分析，驗證該項目隧道工程消防設計情況。

2.2.1 軟件方案

通過通用BIM建模軟件完成隧道模型的構建，隨后通過格式轉換，將模型導入分析軟件中，生成可用于開展火災模擬和疏散分析的分析模型。該項目主要通過Pyrosim生成基于BIM模型的火災模擬分析模型，模擬項目適用條件下，最不利火災條件下有毒煙氣在隧道中的動態擴散情況，為消防疏散模擬提供用于驗證的輔助條件。隨后通過Pathfinder生成基于BIM模型的人員疏散分析模型，借助火災模擬分析結果，模擬分析最不利火災條件下人員疏散情況，驗證該項目隧道消防設計成果。

2.2.2 模擬分析流程

該項目模擬分析工作流程如下：

（1）建立隧道BIM模型。

（2）將BIM模型導入火災模擬分析軟件Pyrosim中，通過設置火災相關參數和模擬條件，建立火災模擬分析模型，形成具有針對性的分析結果。

（3）將BIM模型導入疏散分析軟件Pathfinder中，通過設置逃生出口、疏散路徑、人員模型以及相關疏散參數，建立疏散分析模型，并形成可用于驗證消防性能化設計的分析結果。

（4）將火災模擬分析模型與疏散分析模型進行融合，綜合判斷在火災模擬條件下隧道的疏散分析情況，驗證該項目消防性能。

2.2.3 模擬分析結果

該次分析結合各項場景條件，分別針對隧道不同起火位置情況進行了精細的火災模擬及疏散模擬分析，根據分析結果合理優化消防設計內容，確保有害煙氣得到有效控制，人員可通過有效的疏散路徑及時完成疏散，從而使得該項目隧道設計滿足消防性能要求。

2.3 隧道出口道路交叉口車流分析

根據該項目設計需求，結合前期的項目交通量分析數據成果，開展了隧道兩側出口道路交叉口車流模擬分析工作。通過分析結果判斷現有設計成果在現有交通量條件下的通行能力是否滿足預期需求，從而驗證該項目隧道選線的合理性。

2.3.1 分析工作流程

該項目車流模擬分析工作按照以下工作流程執行：

（1）依據設計文件直接建立專用于仿真的分析模型。

（2）依據該項目交通量分析成果，給交叉口各項路徑設置交通量參數。

（3）根據交通分析原則以及該項目特征，設置信號配時等相關分析參數。

（4）利用軟件進行車流分析，通過分析后生成的數據判斷并輸出分析結果。

2.3.2 分析模型構建與設置

根據道路路線及路面設計內容，構建車流仿真道路模型，設置準確的車道數和車道寬度等。項目交通工程設計內容，給路口處各車道定義準確的行駛路徑，完成仿真模型構建。

完成分析模型構建后，通過現有的交通量預測數據，針對現有設計條件，對分析對象交叉口的交通運行能力進行驗證，分析參數采用標準、通用和常規的數值進行設定，若分析結果與預期有較大出入，則通過進一步的參數調試或優化來推算驗證。

2.3.3 交叉口通行能力判定

該次分析通過在預測交通量及設定的相位信控參數下的分析結果，得出相應的信控路口車輛平均延誤時長來進行通行能力與交通服務水平判定。根據分析結果，該項目道路交叉口綜合交通運行狀況良好，在多個連續信控周期時間內，車輛平均延誤時間均低于35 s，車流綜合服務水平可達到C級，滿足項目所在地交通運行需求。

3 結語

該文針對蘇州市吳江區笠澤路跨運河通道項目設計過程中遇到的各個設計難點，基于BIM技術，開展了三維設計輔助應用研究，最終形成了一系列切實可行的新技術應用點。通過“BIM+傾斜攝影技術”的融合應用，基于精準設計模型的消防性能化分析和車流仿真模擬，對提高復雜市政隧道項目設計質量，提升方案決策能力等方面起到了非常必要的作用。

參考文獻

[1]樊康佳. BIM技術在公路隧道工程設計中的應用[J]. 技術分析，2020（5）： 43.

[2]歐佳佳. 市政隧道工程設計階段BIM技術應用[J]. 工程設計， 2019（4）： 89-91.

[3]李洋. 市政設計行業數字化轉型態勢研究[J]. 北方交通， 2021（6）： 551-560.