港珠澳大橋BIM模型包含了主體工程橋梁、隧道、人工島、管理中心和交通工程。港珠澳大橋連接香港、澳門(mén)、珠海，是目前世界上最長(zhǎng)的跨海大橋，是中國(guó)從橋梁大國(guó)走向橋梁強(qiáng)國(guó)的里程碑之作。大橋被英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》評(píng)為“新世界七大奇跡”之一。

　　其中橋梁、隧道、人工島、管理中心的建模深度達(dá)到了LOD200;交通工程各子系統(tǒng)建模深度達(dá)到了LOD400以上，其中有部分設(shè)備的深度達(dá)到了LOD500。

　　一、港珠澳大橋BIM項(xiàng)目概況

　　拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線的關(guān)鍵控制工程，是繼港珠澳大橋主橋之后又一世界級(jí)工程。隧道所在地隸屬于珠海市，毗鄰澳門(mén)行政區(qū)。通車(chē)后可滿足香港、內(nèi)地、澳門(mén)兩岸三地之間的陸路客貨運(yùn)輸要求。拱北隧道全長(zhǎng)2.74公里，包括海域明挖段、口岸暗挖段、陸域明挖段三部分，其中暗挖段總長(zhǎng)255米，采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的曲線管幕凍結(jié)暗挖法施工，曲線管幕長(zhǎng)度創(chuàng)造新記錄，隧道開(kāi)挖斷面345平方米為世界最大。

　　二、港珠澳大橋項(xiàng)目特點(diǎn)

　　拱北口岸作為國(guó)內(nèi)第一大陸口岸，地理位置特殊、政治意義敏感。工程建設(shè)不允許對(duì)口岸通關(guān)造成任何干擾。拱北隧道陸域段建筑物主要有：孫中山市政公園、澳門(mén)、珠海國(guó)防公路、鴨涌河等;海域沿線有邊防五支隊(duì)營(yíng)樓;且工程施工與城市道路多次交叉;需要協(xié)調(diào)的部門(mén)眾多，多部門(mén)之間如何有效溝通，成為項(xiàng)目挑戰(zhàn)。

BIM技術(shù)在港珠澳大橋的具體應(yīng)用

　　拱北隧道工程施工工序復(fù)雜、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高。隧道暗挖段周?chē)捎?6根Φ1620mm管幕頂管作為超前支護(hù)，分上下兩斷面同步頂進(jìn)施工。洞內(nèi)五層三襯雙向式暗挖，然后分三階段澆注三次襯砌。拱北口岸涉及海域及陸域，地質(zhì)條件極差，項(xiàng)目采用曲線管幕凍結(jié)暗挖法施工，凍結(jié)頂管之間土體進(jìn)行封水，然后進(jìn)行洞內(nèi)暗挖。有效克服地質(zhì)條件差的問(wèn)題。

　　曲線管幕凍結(jié)暗挖法施工為國(guó)內(nèi)隧道工程項(xiàng)目首次采用，凍結(jié)法原理即利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水，以便進(jìn)行地下工程掘砌作業(yè)。凍結(jié)法的主要風(fēng)險(xiǎn)，來(lái)自供冷不足或外部熱源導(dǎo)致凍土范圍、強(qiáng)度的退化，使地下水倒灌，造成項(xiàng)目災(zāi)難性的破壞。溫度監(jiān)控及預(yù)警，將成為影響項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素之一。

港珠澳大橋總設(shè)計(jì)師孟凡超

　　中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司董事長(zhǎng)、副總經(jīng)理孟凡超，他是赫赫有名的全國(guó)工程勘察設(shè)計(jì)大師，他是橋梁界資深專家，他他主持設(shè)計(jì)的黃石長(zhǎng)江公路大橋是國(guó)家重點(diǎn)工程，是國(guó)家公路干線312國(guó)道(上海至成都)上的特大型橋梁，是交通部自主設(shè)計(jì)、制造的第一座特大型橋梁，1999年竣工驗(yàn)收時(shí)被評(píng)為優(yōu)良工程。他主持設(shè)計(jì)的西堠門(mén)大橋主跨1650米，其跨度在當(dāng)時(shí)居于國(guó)內(nèi)第一、世界第二，備受?chē)?guó)內(nèi)外橋梁界關(guān)注，是一座采用最新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雙塔雙索面非對(duì)稱式兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋。南京長(zhǎng)江第二大橋?yàn)閲?guó)家“九五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，他作為該橋預(yù)可行性研究、工程可行性研究項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人之一，在主持研究工作中，提出了南京二橋建設(shè)橋位選擇新生村橋位優(yōu)于燕子磯橋位的結(jié)論;在橋型方案選擇上，提出了采用三跨過(guò)江斜拉橋方案優(yōu)于一跨過(guò)江斜拉橋的結(jié)論，有效降低了南京二橋的工程風(fēng)險(xiǎn)性，減少了工程投資。

三、港珠澳大橋設(shè)計(jì)階段解決方案

　　BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段主要有路線設(shè)計(jì)、BIM多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、BIM模型出圖、設(shè)計(jì)方案論證等多個(gè)方向的應(yīng)用。

　　1. 路線線形設(shè)計(jì)

　　項(xiàng)目組將Autodesk Revit 軟件與中交二公院自主研發(fā)的路線專家系統(tǒng)結(jié)合，利用路線專家系統(tǒng)的平面坐標(biāo)、縱斷面高程以及坡度計(jì)算等功能，生成用于 Autodesk Revit 建模的路線數(shù)據(jù)，采取二次開(kāi)發(fā) 的手段，實(shí)現(xiàn)隧道路線三維實(shí)體的自動(dòng)創(chuàng)建。

　　圖2 Autodesk Revit 創(chuàng)建隧道三維實(shí)體

　　2. BIM多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

　　拱北隧道BIM建模項(xiàng)目由結(jié)構(gòu)專業(yè)、交通工程專業(yè)、防排水工程專業(yè)及路基路面專業(yè)等四大專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)完成。由于組成全專業(yè)拱北隧道BIM模型的構(gòu)件較多，項(xiàng)目組建立企業(yè)級(jí)BIM構(gòu)件管理系統(tǒng)，并將全部構(gòu)件導(dǎo)入管理系統(tǒng)，形成中交二公院自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為項(xiàng)目組協(xié)同管理、快速建立BIM模型起到積極作用。

　　圖3 BIM多專業(yè)協(xié)同技術(shù)方案圖

　　3. BIM隧道設(shè)計(jì)流程

　　拱北隧道設(shè)計(jì)可以分為兩類：工作井和特殊段建模，其BIM建模的主要流程有項(xiàng)目模板、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件、路線線形、橫斷面、管幕及附屬構(gòu)造，最后形成BIM設(shè)計(jì)成果。主要設(shè)計(jì)流程如下圖所示：

　　圖4 港珠澳大橋BIM隧道工程設(shè)計(jì)流程圖

　　4. BIM模型與出圖

　　基于以上步驟，項(xiàng)目組完成了凍結(jié)曲線管幕、暗挖開(kāi)挖斷面345平方米拱北隧道BIM模型，以及東、西兩側(cè)工作井和周邊主要建筑物拱北口岸BIM模型。通過(guò)BIM三維可視化直觀的展示方式，有效解決項(xiàng)目挑戰(zhàn)多部門(mén)協(xié)調(diào)難度大的問(wèn)題。根據(jù)拱北隧道BIM模型出圖，工作井施工圖、襯砌施工圖、管幕施工布置圖等。

　　圖5 拱北隧道設(shè)計(jì)階段模型

　　5. 工作井選址方案

　　采用三維BIM模型與實(shí)景照片相結(jié)合的方法，對(duì)避免口岸建筑拆遷、工作井進(jìn)入澳門(mén)界內(nèi)等問(wèn)題，提供了論證方案。

　　圖6 工作井選址方案

　　6. BIM三維設(shè)計(jì)平臺(tái)與有限元分析系統(tǒng)集成

　　通過(guò)軟件二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)在BIM建模軟件中導(dǎo)出工作井計(jì)算模型，與大型有限元分析軟件結(jié)合，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維仿真受力分析。從基坑開(kāi)挖階段到暗挖破墻階段的坑內(nèi)水平形變、豎向彎矩分析，計(jì)算結(jié)果變形最大值為14.2mm ，出現(xiàn)在開(kāi)挖面中下部，最大彎矩699KN·m ，最大負(fù)彎矩-984KN·m，均滿足設(shè)計(jì)要求。

　　圖7 工作井有限元分析圖

　　四、施工階段解決方案

　　BIM技術(shù)在施工階段主要應(yīng)用有建立暗挖段BIM施工模型、施工進(jìn)度管理、漫游與工序模擬。

　　1. 暗挖段BIM施工模型

　　隧道暗挖段為保證施工安全，開(kāi)挖斷面共劃分5個(gè)臺(tái)階15個(gè)分區(qū)，臺(tái)階高度約3.8m左右，長(zhǎng)度約5m左右，主體結(jié)構(gòu)以及支護(hù)構(gòu)造物較為復(fù)雜。暗挖段BIM施工模型包含 初期支護(hù)、二次襯砌、三次襯砌，分為先仰拱、側(cè)墻及中板、最后拱部、臨時(shí)支撐、袖閥管劈裂注漿管，完成暗挖段全部模型后，可用于施工各個(gè)管理段。

　　圖8 拱北隧道暗挖段模型劃分

　　圖9 拱北隧道施工模型

　　2. 施工進(jìn)度管理

　　拱北隧道項(xiàng)目工期要求嚴(yán)格，在總體進(jìn)度控制框架下，由施工單位在征求各單位的意見(jiàn)后，編制總體進(jìn)度計(jì)劃;然后利用AutodeskNavisworks 軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)整合功能，將總體進(jìn)度計(jì)劃與BIM施工模型各構(gòu)件相互關(guān)聯(lián)，采用軟件二次開(kāi)發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)拱北隧道施工進(jìn)度管理系統(tǒng)。

　　施工進(jìn)度管理系統(tǒng)，整合工程項(xiàng)目各單位計(jì)劃進(jìn)度信息，在施工過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)控進(jìn)度執(zhí)行情況，協(xié)助總體單位完成進(jìn)度的動(dòng)態(tài)控制，當(dāng)系統(tǒng)采集的進(jìn)度執(zhí)行情況與計(jì)劃情況不一致的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)提示并持續(xù)跟蹤和反饋;4D施工模擬更是以可視化的方式，向眾多參與方，集成展示整個(gè)項(xiàng)目的總體進(jìn)度情況，嚴(yán)格控制工期起到重要作用。

　　圖10 拱北隧道施工進(jìn)度管理

　　3. 漫游與工序模擬

　　拱北隧道工程復(fù)雜，主要對(duì)復(fù)雜工點(diǎn)進(jìn)行工序模擬，利用游戲引擎強(qiáng)大的展示功能，制作三維施工工序模擬，可以直觀瀏覽、檢查和方案的修改，有效應(yīng)對(duì)拱北隧道工程項(xiàng)目工序復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

　　圖11 工作井工序模擬

五、項(xiàng)目創(chuàng)新

　　經(jīng)過(guò)充分的調(diào)研和專家咨詢，項(xiàng)目組針對(duì)拱北凍結(jié)法施工，結(jié)合BIM技術(shù)特點(diǎn)，制定了管幕凍結(jié)設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)了管幕溫度監(jiān)控系統(tǒng)。為配合暗挖施工，凍結(jié)管幕橫斷面上分為A ，B1，B2 ，B3 ，C五個(gè)區(qū)。為控制土體的凍脹效應(yīng)，采用控制性凍結(jié)施工，并在凍結(jié)A區(qū)及局部敏感區(qū)域采用注漿改良凍結(jié)法。同時(shí)，分別在各區(qū)安裝溫度傳感器，以便掌控溫度的變化情況。'

　　圖12 管幕溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

　　拱北隧道凍結(jié)法管幕溫度監(jiān)控系統(tǒng)，首先需要建立凍結(jié)管、監(jiān)測(cè)點(diǎn)BIM模型。然后，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，將溫度采集數(shù)據(jù)與BIM模型構(gòu)件關(guān)聯(lián)。管幕溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、溫度變化趨勢(shì)查詢、溫度預(yù)警以及風(fēng)險(xiǎn)定位等功能。相對(duì)于傳統(tǒng)模式，基于BIM技術(shù)的管幕溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以結(jié)合三維模型對(duì)于歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置等多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，可以更加準(zhǔn)確、及時(shí)定位于風(fēng)險(xiǎn)的位置，使項(xiàng)目的安全與質(zhì)量得到提升。

圖13 拱北隧道凍結(jié)法管幕溫度監(jiān)控系統(tǒng)

　　六、結(jié)語(yǔ)

　　為了規(guī)范建立BIM三維建模，項(xiàng)目組制定了中交二公院隧道BIM的建模標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)及交付標(biāo)準(zhǔn)，并研發(fā)了企業(yè)級(jí)BIM 構(gòu)件管理系統(tǒng)。形成中交二公院自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為BIM技術(shù)在中交二公院工程項(xiàng)目中的應(yīng)用與推廣起到積極作用。

　　在建立隧道橫斷面和道路路線的BIM模型時(shí)候非常困難，項(xiàng)目組將Autodesk Revit 建模軟件與中交二公院自主研發(fā)的路線專家系統(tǒng)結(jié)合，自動(dòng)創(chuàng)建三維線形實(shí)體。拱北隧道BIM 建模項(xiàng)目由四大專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)完成。最終建立 隧道BIM 構(gòu)件308個(gè)，并全部錄入企業(yè)級(jí)BIM族庫(kù)管理系統(tǒng)，形成中交二公院自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并為項(xiàng)目組協(xié)同管理、快速建立BIM模型起到積極作用。

　　隧道BIM技術(shù)應(yīng)用尚處于初始階段，面臨著各種各樣的難題，中交二公院將繼續(xù)實(shí)施BIM技術(shù)研究推廣應(yīng)用的戰(zhàn)略，積極參與編制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)、構(gòu)建技術(shù)共享平臺(tái)、提供公共信息服務(wù)。只有這樣才能使BIM技術(shù)釋放出更大的力量，從而推動(dòng)工程行業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步，獲得更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　目前，正是中國(guó)交建企業(yè)由傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)向空間BIM三維技術(shù)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重要階段，中交二公院作為路橋及隧道工程方面，我國(guó)公路勘察設(shè)計(jì)行業(yè)綜合實(shí)力最強(qiáng)的企業(yè)之一。擬將BIM 技術(shù)在拱北隧道項(xiàng)目中的成功經(jīng)驗(yàn)及應(yīng)用成果擴(kuò)展到其它工程領(lǐng)域，更進(jìn)一步推廣到整個(gè)中國(guó)交建的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，助推中國(guó)交建向空間BIM 三維技術(shù)轉(zhuǎn)型目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。探索基于BIM技術(shù)的全新工作模式與方法，更可以提高中國(guó)交建的技術(shù)水平，使其在設(shè)計(jì)、施工、投資領(lǐng)域再創(chuàng)新業(yè)績(jī)、再上新臺(tái)階。

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