上海市北横通道新建工程BIM技术应用

1上海市北横通道新建工程BIM技术应用(一)项目概况项目基本概况上海市北横通道是中心城区北部东西向小客车专用通道，服务北部重点地区的中长距离到发交通，是三横北线的扩容和补充。北横通道西起北虹路，东至内江路，贯穿上海中心城区北部区域，全长19.1公里，是国内目前规模最大的以地下道路为主体的城市主干路，全线工程涉及盾构法隧道、高架道路、立交改造、明挖基坑、地面道路改扩建等内容。北横通道新建工程当前北虹路立交、西段隧道、中江路段处于现场施工阶段；天目路立交、东段隧道处于初步设计审批阶段。本项目于2016年4月被上海市列为第三批“上海BIM技术试点项目”，在本项目中开展了BIM技术在特大型市政工程设计、施工阶段、试运行全生命期应用。工程特难点分析北横通道全线长19.1km，包括盾构法隧道、高架道路、地面道路改扩建、立交改造等，施工工艺多，总体工程体量大。工程贯穿长宁、普陀、静安、闸北、虹口及杨浦等6个行政区，均为上海中心闹市区域，周边环境复杂；施工期交通组织难度大；建设参与方多、信息交互量大；施工工艺多、环境控制要求高；施工环境苛刻、施工场地有限；关键工程节点施工筹划复杂。根据主要特点及难点策划BIM应用如下：表1工程难点及应用点策划序号特点及难点BIM应用需求分析BIM应用点策划1工程体量大、涉及范围广通过三维模型及地理信息的融合，直观展示工程设计方案的整体现状，辅助决策。基于BIM与GIS的工程信息管理平台2周边环境复杂建立工程模型与周边环境模型，直观展示工程与周边环境的干涉关系。周边环境场地分析2序号特点及难点BIM应用需求分析BIM应用点策划3施工期交通组织难度大结合周边环境及工程模型，进行各关键节点的道路翻浇及交通组织仿真，直观展示与辅助决策。道路翻交及交通组织仿真4建设参与方多、信息交互量大搭建基于BIM的工程信息协同管理平台，为工程建设提供多方信息交流与传递平台。基于BIM的工程信息协同管理平台5施工工艺多、环境控制要求高施工监测信息与工程三维模型管理，直观反映各阶段工程及周边环境影响情况，实现智能预警。施工深化设计可视化动态监测与预警6施工环境苛刻，施工场地有限通过工程模型及周边环境模型，直观反映施工用地、施工方案可行性等。施工场地规划施工方案模拟7关键工程节点施工筹划复杂基于工程模型及交通组织等信息，关联时间，形成4D模型，辅助工程筹划及施工进度管理。工程筹划及进度管理(二)BIM技术应用概况应用目标本项目以实现北横通道全生命期的BIM应用，充分发挥BIM价值，有效控制和管理工程建设的质量、进度、成本和安全，提升北横通道项目的精细化管理水平，提高工程管理和决策效率，减少返工浪费，保证工期，提高工程质量和投资效益，为总体应用目标。同时为类似的市政工程推进BIM技术提供示范基础。针对北横通道项目工程特点和难点，北横通道工程全线全面应用BIM技术，贯穿工程设计、施工、竣工验收和试运行全生命周期。在BIM建模方面采用局部正向建模、二次建模为主的方式。在方案设计（总体设计）阶段，针对市政管线节点和工程将影响到的关键交通节点，制定管线搬迁方案，利用BIM模型验证方案可行性并对其进行优化，并对施工期间的交通组织和可能发生的状况进行模拟，提前发现问题并研究确定应对方案。在初步设计阶段，充分发挥BIM可视化的特点，优化设计方案，发挥设计和施工协同，细化设计方案；在设计过程中，许多环节通过BIM技术提高专业间的协同性，对设计过程产生促进与优化的作用。在施工图设计阶段，整合北横通道全线模型，模拟人、车在三维场景中自由行走，获得身临其境的真实感受，增加设计体验感；选取隧道段机电较为复杂的节点，检查机电设计中的错漏碰缺，解决各专业存在的冲突和几何碰撞问题；查看道路、高架立交、隧道的指示牌的设计是否合理以及交通信息指示是否清晰。在施工准备阶段，根据总体布置方案，建立包含重要设备设施的三维模型，直观反映施工场地布置情况及周边环境关系；依据施工方案和工程实际情况，进行市政管线搬迁模拟。在施工实施阶段，将施工计划整合到BIM模型中，形成4D模型，模拟施工进度；结合BIM模型，模拟重点施工工艺、工序，直观展示施工过程；结合施工进度，利用BIM软件按周期对工程生成工程量清单，辅助工程量统计；根据工程进度要求，以及工作点的复杂程度，选取工程难点和要点进行方案优化，以保证重点工作点和施工节点的进度和设计/施工质量。在运维阶段，将在竣工模型基础上，根据运维需求对模型进行轻量化处理，保留运维阶段所关注的信息，去除其他工程建设过程性信息，使得运维模型便于信息的高效查询和筛选。组织架构北横通道BIM技术应用采用业主主导、专业咨询、各方参与的模式。各方基于BIM实现模型唯一、数据共享，以此达到出效率、提质量和控成本的目标。各家设计院和施工单位内部建立BIM团队进行辅助设计和施工应用，BIM咨询团队负责建立项目级实施标准，指导、规范各方BIM团队的成果和应用过程，并进行模型审查，确保模型质量和交付进度；BIM咨询团队亦负责搭建北横通道基于BIM的可视化和项目管理平台，使得各参与方在统一平台上进行信息互换和交流，便于业主方的项目管理工作。34协同工作机制本项目在BIM技术实施过程中，以业主方为主导，项目各参与方进行不同阶段的工作职责细化及管理，并通过信息协同管理平台进行沟通和信息交互，具体交互流程如下：5应用阶段和应用项列表表2BIM应用阶段及应用项工程阶段应用点方案设计（总体设计）规划方案表现场地分析性能模拟分析交通分析设计方案比选初步设计各专业模型建立管线搬迁与道路翻交模拟场地仿真性能模拟分析交通仿真重要工序的施工模拟工程阶段应用点结构分析施工图设计工程量计算虚拟仿真漫游视距分析复杂节点分析竖向净空优化辅助施工图设计施工准备施工深化设计交通组织模拟施工设施模型深化施工筹划模拟施工方案模拟施工建造虚拟进度与实际进度比对同步施工模拟工程量统计质量和安全管理(三)BIM技术应用成果与特色方案设计阶段由于北横东段原方案实施难度大，于今年年中启动设计方案调整。从杨浦段4个下立交调整为3+1，再到虹口、杨浦全地下方案，BIM小组始终跟进设计进度。并参与了周边环境分析，方案快速建立，方案汇报，局部节点深化，设计文本编制等工作。图1BIM+GIS集成67在东段隧道方案讨论中，设计院尝试了设计与BIM的协同工作方式。将设计的地形、控制线结合GIS，快速形成场地与环境模型。由于是方案调整，沿线的周边环境，地下管线大部分已经收集、创建过，这为协同设计打下了基础。设计在确定平面线路，横断面尺寸后，BIM团队可以快速将线性生成方案模型，并且在真实环境中整合，快速灵活地提供三维展示手段，及时讨论方案合理性，动拆迁影响，障碍物避让等关键问题。图2BIM协同方式沿线先后讨论了多个关键节点，包括避让第一人民医院，虹口港桩基拔除，梧州路井与历史风貌区的关系，两港截留改排，下穿新建路隧道，下穿规划南北通道，下穿规划19号线，安国路井匝道设置，风塔选址，杨树浦工作井与匝道设置等。提供了大量的模型与数据支撑，体现了BIM与设计的协同性，及时性。图3基于BIM设计方法展示8初步设计阶段（1）性能模拟分析北横通道由地面、地下和高架道路组合而成。从泸定路、中江路附近进入地下道路，穿越中山公园、苏州河后，从长安路西侧出地面。整条北横通道地下道路段约8公里，堪称“地下延安高架”，因此，超长隧道的安全性与舒适性的分析具有重要意义。1）隧道烟气扩散模拟采用BIM模型试验及CFD模拟研究重点排烟方式在双层小车隧道中的烟气扩散特征、温度、烟毒性等指标特征，掌握下层排烟支管重点排烟模式火灾工况下的排烟性能及效率。图420m³/s，100s-600s烟气蔓延图5隧道内温度云图10008006004002000050100150200Distance(m)图6温度分布302520151050050100150200Distance(m)图7能见度分布图5，虽然烟气蔓延较远范围，但从图6温度数据，除火源点外，仅在火源附近40m范围内温度超过60oC，且最高温度为71oC。图7中虽然烟气在300s后下沉至2m，但能见度却维持在15-20m范围内，满足逃生要求。2）隧道内照明分析无论是白天还是黑夜，隧道内的道路环境及对车行视觉产生的影响都不同于一般道路。主要原因是隧道内汽车行驶排出的废气几乎无法消散，在隧道内形成较大的烟雾。烟雾除了吸收汽车前灯发出的光线，使照度降低外，还使光线的传播发生散射现象，散射光在隧道内形成光幕，从而降低了道路前方障碍物及周围环境光度，使驾驶员识别前方障碍物的视觉能力下降。因此隧道内照明分析显得尤为重要。100s200s300s400s500s600sTEM(oC)100s200s300s400s500s600sVIS(m)910在本项目中采用VR技术与BIM技术相结合，对隧道内照明进行分析。首先，根据设计方案进行BIM模型及周围环境的搭建；然后将BIM模型通过专业VR软件进行整合；最后，设计根据实际光源参数进行调整，模拟出实际运营的环境效果，通过VR设备进行驾驶模拟，以驾驶员角度进行驾驶模拟，提前发现设计不足，并提供分析数据，结合模拟分析的数据，专业设计人员调整设计参数，对隧道运营安全提供了技术支撑。图8隧道内照明分析（2）结构分析基于AutodeskRevit结构单体建模，并将模型传递给AutodeskRobot，对模型进行二次利用，提高设计效率。图9模型传递11图10计算分析采用三维有限元梁板分析，墙和楼板采用板单元模拟，框架采用梁单元模拟。将分析结果反馈至Revit中，根据分析结果对模型进行调整。施工图设计阶段（1）参数化建模设计院研究了一套参数化实现流程：1）线形处理利用AutodeskCIVIL3D将道路提供的平、纵曲线形进行离散化处理，换算成结构中心线坐标点（X,Y,Z）并输出至EXCEL中再将桥梁分孔线，及每块隔板的里程，与中心线夹角，路幅宽度，横隔板尺寸等参数录入到EXCEL中。该EXCEL表格作为数据集合表，包含模型总体数据。`图11图纸导出数据2）构件制作利用族编辑器功能，分类创建预制拼装桥梁结构中的主要构件：包括了桩基，承台，立柱，盖梁，小箱梁等。实现主要尺寸灵活可变，并将各类构件族载入到项目文件样板中，便于程序调用。3）构件赋予信息将需要录入的信息整理在EXCEL表单中，对于类型参数和实例参数需进行区分，参数名与参数值等内容可通过调用REVITAPI，用C#语言进行二次开发，最终实现一键录入。图12构件参数化及信息录入4）模型生成加载编写好的Dynamo功能模块，程序会自动调用EXCEL表中的定位数据赋予各构件，同时在程序中对个别参数进行调整，可实现修改模型的功能。模型生成后还可在建模环境中手动对构件进行二次调整。图13Dynamo工具模块流程12在北虹路立交主线段中试验段，该路段以双向6车道规模的标准断面为主，主线并非全部处于直线段。下部结构中的立柱、盖梁采用预制拼装技术，灌浆套筒连接形式，上部结构为钢箱梁。在设计提供道路中心线、边界线、桥位平面等必要资料后，通过参数化手段，从导出线形数据，构件参数化建族，信息自动录入，到构件自动组装，整个过程非常快捷，包含模型构件建族的时间，总共仅需要2天左右，而且当模型构件制作和信息录入在形成统一的构件样板库后效率还有提升的空间。（2）构件库在北横通道BIM设计中，采用了Bentley公司的PowerCivil软件进行明挖段的设计。与工民建工程项目不同，市政道路工程项目族库的重复利用率低，而模板库的利用率高，根据北横项目特点，把通用的顶板、中板、底板、路面、空腔以及排水沟等进行模块化定义。图14构件库拆分图15模板组合1314（3）碰撞检查天目路立交为了节约工期、倡导绿色环保，在结构设计上采用了小箱梁和钢箱梁的结构形式，但由于线性复杂、匝辅道数量多、截面尺寸变化频繁，整个项目中约有90%的小箱梁互不相同，盖梁的尺寸也较为复杂，参数繁多，因此对施工图的质量有很高的要求，要做到所有尺寸零出错，才能保证现场顺利安装。为了保证设计质量，在施