BIM技术在沉管隧道工程设计中的应用研究
文 / 2021-06-01 09:39
黄福杰、何则干、张为民
（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广州 510060 ）
摘 要 针对沉管隧道工程的特点，论述沉管隧道BIM应用的总体框架。结合沉管隧道工程实例，从三维参数化模型、信息模型的建立和基于信息模型的BIM技术应用等方面出发，开展沉管隧道工程建模、应用方法及流程方面的探索，并揭示BIM技术在沉管隧道应用中存在的问题，为BIM技术在沉管隧道设计中的应用提供参考。
关键词 沉管隧道；BIM；参数化；可视化
Application of BIM technology in
immersed tunnel engineering design
Huang Fujie
(Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd，Guangzhou 510060)
Abstract：Aiming at the characteristics of immersed tunnel engineering, the general framework of BIM application at immersed tunnel was discussed. Combining with the example of immersed tunnel, the immersed tunnel modeling method, application and process were explored based on 3D parametric model, information model and the BIM technology application. And the problems existing in the application of BIM technology in immersed tunnel were revealed, thus providing references for BIM technology application in design of immersed tunnel.
Key words：immersed tunnel; BIM; Parametrization; Visualization
1引 言
沉管隧道具有埋深浅、地基适用性好、与两岸路网衔接顺畅、提高隧道周边土地价值等优势[1-3]，在越江跨海通道中得到了越来越多的应用。然而传统二维设计面对复杂沉管隧道工程时，已经难以满足设计、施工和运营信息一体化应用的要求，需要借助全新的设计手段为项目全生命周期的信息应用提供支撑。
BIM技术是工程建设领域引发的信息化技术变革，通过可视化三维模型对数据和信息进行系统的管理、应用，以实现工程项目全生命周期信息化管理，从而提高工程项目建设的质量和效率[4-5]。
以如意坊放射线工程为依托，进行沉管隧道设计过程的BIM技术研究，总结沉管隧道BIM建模的方法及应用流程。
2工程概况
如意坊放射线工程起于内环路如意坊立交处，终点与东南西环高速及广珠西线相接，项目按城市快速路标准建设，全长8100m，标准段路宽60m。一期工程北起黄沙大道，南至芳村大道，全长约2.4公里，含如意坊立交及过江隧道。隧道全长1511m，江中618m采用沉管法施工。沉管隧道采用单箱三室结构设计形式，两个车行孔和一个管廊孔。车行孔满足双向六车道要求，隧道中设置的管廊孔可满足管线布设和日常检修，包括上下两层，且能用作临时避难空间和逃生用通道。
图1 如意坊隧道与地铁11号线关系示意图
Fig.1 Relationship layout between Ruyifang Tunnel and Metro Line 11
项目建设条件错综复杂，周边存在现状道路、桥梁、在建地铁等多种构筑物影响与制约，其建设周边环境见图1所示。其中与在建地铁站点还存在结构上重合部分，需要利用BIM技术三维可视化功能，验证并优化常规设计方法完成的复杂节点设计方案，统筹项目之间的各种信息。
3建模研究
3.1 平台选择
目前工程领域主要有4个基础建模平台，包括欧特克公司的系列软件（如Revit、Civil3D等）、Bentley 公司的系列软件（如OpenRoads Designer、OpenBridge Modeler、AECOsim Building Designer等。本项目采用Bentley系列软件作为BIM核心建模平台。
OpenRoads Designer 是一款应用于交通运输和土木工程设计的软件。该软件提供完整且详细的设计功能，适用于勘测、排水、地下设施和道路设计。本项目采用该软件进行地形、地质和路线设计。
OpenBridge Modeler是一款三维桥梁设计软件，能直接利用OpenRoads Designer的地形、线路等基础数据进行桥梁建模。由于隧道建模跟桥梁建模具有类似性，本项目采用OpenBridge Modeler进行隧道结构建模。
3.2 模型标准
模型是承载信息的实体，是信息输入、交付和管理的对象，因此，模型的建立是BIM技术在项目全生命周期中开展应用的基础。为了达到模型的完整性和准确性，便于信息在不同阶段的传递，需要制定项目BIM标准 [6]。
根据软件功能并结合本项目的工程的特点，同时参考了《中国市政设计行业BIM实施指南》、《市政隧道管廊工程BIM技术》等相关标准和技术手册，制定了本项目的建模方法、编码规则以及应用流程。
3.3 模型创建
3.3.1 创建地形地质三维模型
创建能准确地反应真实情况的地形和地质三维模型是隧道结构三维设计的前提条件。
（1）三维地形模型创建。通过对项目范围内等高线等数据进行修正和补全，在OpenRoads Designer中将有效地形数据通过过滤器进行选择，创建生成本项目地形曲面，见图2。
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图2 地形曲面
Fig.2 Terrain surface
（2）三维地质模型创建 [7]。利用OpenRoads Designer进行三维地质模型的创建，先通过“地理技术”选项卡功能将钻孔数据连接进软件，将钻孔数据创建为三维柱状模型，再利用三维钻孔柱状模型构建出地质界面，最后利用各层地质界面创建完整地质三维模型。
图3 地质模型
Fig.3 Geological model
3.3.2 创建参数化模型
参数化设计是一种通过参数驱动方案调整的设计方法。参数化建模能够在方案修改时，快速实现模型修改，减少重复建模工作。
当前，参数化设计已被广泛应用于工程设计行业[8-9]。由于市政工程项目的复杂性，设计过程中经常会遇到方案调整，通过整体参数化设计和构件参数化设计，能够在方案修改后快速更新设计模型，大大提高建模效率。以如意坊隧道的创建为例详细介绍沉管隧道参数化、信息化的三维建模方法和流程如下。
（1） 平面线和纵断面线创建。平纵曲线是隧道的建模基准线，项目通过OpenRoads Designer创建隧道平纵曲线。第1步，新建名为“平纵线”的dgn文件，选择适合的项目模板。第2步，将已创建好的地形曲面、地质模型、原始地形图、规划隧道中心线等参考进上一步创建的“平纵线.dgn”中，并将地形曲面激活。第3步，根据设计规范和项目主要控制点进行平纵设计。
本工程范围内有运营中的地铁6号线和规划地铁11号线，两条线路在如意坊站交汇换乘。过江隧道与规划地铁11号线区间及如意坊站存在岸上段平面交叉、江中段近距离并行的关系。传统的设计工具和方法难以精确且直观地处理如此复杂的设计条件，利用OpenRoads Designer将设计的平纵拟合成空间三维道路中心线，在三维模型中可根据设计控制条件实时调整，确保设计方案技术合理、造价经济和景观视觉良好。
在沉管管段设计时，为方便沉管管段预制加工，沉管段实际线路纵断面是由每段沉管直线相连而成，在沉管管段接头处不设竖曲线。为满足这种设计的建模，需要设计两条纵断面，分别为带竖曲线和不带竖曲线的纵断面。不带竖曲线的纵断面用于沉管管段建模，带竖曲线的纵断面用于路面铺装层和压重层建模。
（2） 隧道横断面的设计。横断面是实现隧道参数化设计的基础，参数及约束关系都在横断面中设定。第1步，在OpenBridge Modeler的横断面编辑器中通过直接绘制或复制参考的CAD图形创建横断面模板。第2步，设置参数和点约束。图形的每个交点都是一个可添加参数约束的控制点，根据设计需要设置合适的参数，如顶底板厚度、侧墙厚度、隧道内净宽、净高等。
图4 高度参数化的横断面模板
Fig.4 Highly parametric cross section templates
（1） 创建隧道实体模型。第1步，打开Open Bridge Modeler，新建名称为“隧道”的dgn文件。第2步，将“平纵线.dgn”参考进新建dgn文件。第3步，新建桥梁，桥梁名称输入“沉管隧道”，桥梁类型选“RC Slab”，并在图形中选择参考的无竖曲线的隧道中心线。第4步，根据隧道变形缝设置布跨，利用在OpenBridge Modeler中“Place PierLine”工具进行布跨设计。第5步，通过“Place Deck”工具创建隧道实体模型。在“Place Deck”对话框中选择对应的横断面模板，在参数界面输入设计参数，实现隧道结构建模。不同的隧道位置在创建模型时有不同的方法和技巧：岸上敞开段侧墙高度根据隧道两侧辅道设计标高与隧道设计标高的高差来确定的，可以通过点控制将侧墙顶与隧道两侧辅道的道路中心线关联起来，实现侧墙高度自动计算；暗埋段有射流风机的位置需要增大隧道结构净高以满足隧道净高要求，可通过调整横断面中的净高参数来实现；上下行隧道之间的消防通道可以利用实体剪切工具将隧道中墙剪切出门洞，再从单元库中找到防火门插入来创建。
（2） 路面铺装层和压重层的建模。路面铺装层通过“Place Deck”工具创建，通过参数调整横坡或宽度变化。沉管隧道压重层结构比较特殊，顶面与路面铺装层相接，底面与隧道结构相接，因此顶底面分别具有不同的纵断面。通过在压重层横断面中多设置一个底面控制点，并将底面所有点的竖向都约束到该控制点。压重层通过“Place Deck”工具并选择带竖曲线的纵断面建模，再添加点控制，将底面控制点跟不含竖曲线的纵断面进行约束，从而实现压重层模型的创建。
图5 隧道模型
Fig.5 Tunnel model
（3） 隧道附属设施建模。通过Auxiliary中的Barrier功能创建路边侧石、排水沟、检修道等。通过“Auxiliary By Path”功能放置射流风机和消防设施等。
3.3.3模型信息化
一个全面的信息模型，可以在建设项目生命周期的不同阶段连接数据、过程和资源， 它是对工程对象的完整描述，可以被建筑项目参与者广泛使用 [10]。BIM的全生命周期从设计开始，设计阶段信息模型的建立为施工和运维阶段的BIM应用提供基础的数据支撑。
BIM模型包含几何信息、拓扑关系、工程信息等设计数据、参数和描述。通过OpenBridge Modeler创建的隧道模型已经有了基本的3D几何信息和拓扑关系，再通过自定义项类型将其他的设计信息添加到模型中，可以随时查看构件的各种设计信息，图6为隧道节段的设计信息查看。
图6隧道节段信息模型
Fig.6 Tunnel structure with information
4 BIM模型应用
在沉管隧道BIM设计中，利用BIM模型可以进行各专业间碰撞检查与设计校核，提高设计质量与精细化水平；通过工程量辅助统计，减少人为失误，确保统计及时准确；利用BIM模型进行管段力学分析计算，减少重复建模工作；通过三维可视化展示，提高项目参与各方及设计团队内部沟通效率；通过工程进度模拟，有效缩短工期、控制成本。
4.1浏览碰撞校核
工程师可以利用BIM模型在虚拟的三维环境中优化工程设计，减少传统设计阶段难以发现的设计错误和碰撞冲突，大大降低因设计变更导致的工程投资增加及工期延长风险。
图7 隧道与地铁站碰撞图
Fig.7 Collision between the tunnel and the metro station
该项目沉管段与广州地铁11号线如意坊站平面交叉，车站按预留空间方式为隧道提供路由，方案阶段就引入了BIM技术进行碰撞检查，通过BIM模型对设计方案进行模拟和优化，因此在原方案基础上，提出隧道底板与地铁站顶板共建思路，该段隧道改由地铁项目单位整体建设。
4.2 工程量统计
BIM模型能实现和工程数量表的实时动态关联，快速统计出准确的工程量，输出工程数量表，当修改模型后工程数量表将自动更新，实时计算工程实物量，有效提升工程造价的精度与效率。
图8 隧道模型自动工程量
Fig.8 Automatic statistics of the tunnel quantities
4.3 计算分析
利用BIM生成的模型导入有限元软件作为管段结构力学行为和流体动力学计算分析的几何模型，减少重复的建模工作。如图9是BIM模型导出结构计算模型，图10为BIM模型导出流体动力学计算模型。
图9 沉管隧道结构计算模型
Fig.9 Structural calculation model of immersed tunnel
图10 沉管隧道流体动力学计算模型
Fig.10 Hydrodynamic calculation model of immersed tube tunnel
4.4 可视化展示
可视化是BIM技术最基础且重要的功能，它将以往的线条式的二维图纸用三维立体形式展示出来。与传统的效果图模型相比，BIM模型包含了精确的构件几何尺寸、材质等信息，同时也包含了构件之间的互动性和反馈性。通过将BIM三维模型文件在设计、施工、运维等整个生命周期中流转，可以实现整个流程中的三维可视化。
图11 如意坊放射线工程可视化展示
Fig.11 Visualization display of Ruyifan model
4.5 虚拟施工模拟工程进度
BIM三维模型加入时间维度，可以进行虚拟施工模拟。在工程还处于设计阶段时，通过虚拟施工减少或避免工程中可能出现的碰撞和设计错误，并通过模拟验证施工工艺和工法的合理性和可行性。
本文实例项目中过江隧道与拟建地铁11号线相互交叉，相互影响，只有先完成如意坊隧道围堰施工、基槽开挖、水下爆破作业，再进行11号线盾构施工，才能确保邻近地铁11号线江中隧道的安全。BIM技术在本项目的应用，可以事先确定准确工期，为地铁11号线实施安排提供科学依据。
5 结语
本文以如意坊沉管隧道设计阶段的BIM技术应用为例，阐述了沉管隧道BIM技术应用的总体框架，详细介绍了沉管隧道的建模方法、流程及应用特点，对BIM技术在沉管隧道设计实施中的应用与推广具有良好的借鉴意义。同时，BIM技术在沉管隧道设计阶段的实施为项目施工和运维阶段的BIM应用奠定了数据基础，促进项目全生命周期BIM技术的应用与开展。
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