黃浦江上游水源地連通管工程的BIM技術(shù)應(yīng)用

鐘俊彬 周文斌

(1.上海水業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司 200092；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱BIM)技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，2000年左右引入中國，引發(fā)了一次徹底的建筑產(chǎn)業(yè)變革[1]。BIM 技術(shù)是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多維建筑模型信息集成管理技術(shù)，其在可視化、虛擬化、協(xié)同管理和進(jìn)度控制等方面的優(yōu)勢(shì)，能有效提升工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工水平，提高工程質(zhì)量和投資效益。

美國國家BIM 標(biāo)準(zhǔn)(National Building Information Modeling Standard)由美國建筑科學(xué)研究院于2007年發(fā)布[1]。英國機(jī)構(gòu)NBS(National Building Specification)自2011年起每年發(fā)布BIM 國家報(bào)告(National BIM Report)跟蹤、推進(jìn)數(shù)字化進(jìn)程。自2016年4月起英國政府投資項(xiàng)目強(qiáng)制要求達(dá)到BIM Level 2[2]。中國也相繼發(fā)布《建筑信息模型設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 51301—2018)》、《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 51235—2017)》等標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)BIM 技術(shù)應(yīng)用。

目前從住建部到各地地方政府，都在積極推進(jìn) BIM 技術(shù)的應(yīng)用推廣。2014年10月，上海市發(fā)布《關(guān)于在本市推進(jìn)建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，以確保2017年上海市規(guī)模以上政府投資工程全部應(yīng)用BIM 技術(shù)，規(guī)模以上社會(huì)投資工程普遍應(yīng)用 BIM 技術(shù)[3]。2015年7月，上海市發(fā)布《關(guān)于在本市開展BIM 技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)工作的通知》，鼓勵(lì)本市擬建、在建的政府投資工程和社會(huì)投資工程申報(bào)BIM 技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)。黃浦江水源地連通管工程根據(jù)工程需要，在實(shí)施過程中全面應(yīng)用BIM 技術(shù)，成為上海市首批BIM 技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目之一。

本文針對(duì)黃浦江水源地連通管工程設(shè)計(jì)、施工過程中存在的技術(shù)問題進(jìn)行分析，并介紹了BIM 應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)。

1 工程概況

黃浦江水源地連通管工程是2015年上海市重大工程，包括連通管線(含青浦、金山、閔奉三個(gè)分水點(diǎn))和松江泵站兩大部分。工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)模351 萬 m3/d，中間設(shè)松江泵站，泵站設(shè)計(jì)規(guī)模 240 萬 m3/d，線路全長約 43km，管徑DN4000～ DN3600，其中口徑 DN4000 段長度19.1km，口徑DN3800段長度15.8km，口徑DN3600段長度 8.1km。圖1為工程系統(tǒng)布置示意。

圖1 連通管工程系統(tǒng)布置示意Fig.1 The layout of the communicating pipe engineering system

本工程具有以下特點(diǎn)：

(1)建設(shè)項(xiàng)目系統(tǒng)復(fù)雜。建設(shè)項(xiàng)目包括復(fù)雜泵站、長距離管線等子工程，各子工程關(guān)聯(lián)度高。工程中的單體構(gòu)筑物復(fù)雜，涉及到深大基坑、復(fù)雜設(shè)備安裝等；

(2)進(jìn)度質(zhì)量控制要求高、建設(shè)時(shí)間短，從開始建設(shè)到通水，僅有20 個(gè)月的施工時(shí)間；

(3)管道口徑大、長度長，主要沿處于水源地保護(hù)區(qū)的太浦河岸邊敷設(shè)，環(huán)境保護(hù)要求極高；

(4)連通管全線采用非開挖的鋼頂管施工方式，是目前世界上規(guī)模最大的鋼頂管工程，對(duì)質(zhì)量控制、風(fēng)險(xiǎn)控制要求高。

以上特點(diǎn)，對(duì)參建各方都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需要采用新技術(shù)作為輔助手段，以減少返工、有效控制進(jìn)度、提高工程質(zhì)量，為工程的順利實(shí)施提供支撐。經(jīng)充分調(diào)研和咨詢論證，決定在設(shè)計(jì)、施工過程中采用BIM 技術(shù)。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用策劃

本工程為綜合型工程，包含“點(diǎn)狀”的泵站工程以及“線狀”的頂管工程。其中泵站工程以設(shè)計(jì)的一致性為重點(diǎn)管控、驗(yàn)證內(nèi)容。而頂管工程尤其是大口徑、長距離頂管工程中存在較多重要的風(fēng)險(xiǎn)管控點(diǎn)，如地表沉降、頂管工作井設(shè)計(jì)、頂管姿態(tài)控制、鋼管焊接質(zhì)量等[4，5]。

本工程BIM 應(yīng)用由建設(shè)方總體協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌項(xiàng)目的BIM 技術(shù)實(shí)施，參建方協(xié)同應(yīng)用。圖2所示為本項(xiàng)目BIM 實(shí)施的總體技術(shù)路線，以適用于本項(xiàng)目的一系列BIM 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將BIM 技術(shù)應(yīng)用成果規(guī)范化，以應(yīng)用點(diǎn)為主線逐條開展BIM 技術(shù)應(yīng)用。

圖2 本工程BIM 實(shí)施技術(shù)路線Fig.2 BIM implementation technical route

3 BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)

《上海市建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用指南》針對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營不同階段，提出了包括：各專業(yè)模型構(gòu)建、沖突檢測、虛擬仿真漫游、施工方案模擬等全生命期的23 項(xiàng)BIM 技術(shù)基本應(yīng)用點(diǎn)，并詳細(xì)描述了每項(xiàng)應(yīng)用的目的和意義、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、操作流程以及成果等內(nèi)容[6]。

黃浦江水源地連通管工程的BIM 技術(shù)實(shí)施以《上海市建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用指南》為基本依據(jù)，結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)大型頂管工程的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段和施工階段主要進(jìn)行了泵站及頂管井模型構(gòu)建、頂管施工場地優(yōu)化布置、頂管施工過程模擬、頂管施工可視化數(shù)據(jù)管理等方面的應(yīng)用。

3.1 專業(yè)模型構(gòu)建

連通管中途泵站涉及眾多專業(yè)，包括工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、自控等。本工程采用 Revit平臺(tái)，以中心文件模式進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，各專業(yè)同步開展設(shè)計(jì)，所見即所得。圖3所示為中途泵站整合模型。每個(gè)專業(yè)修改的內(nèi)容都可讓其他專業(yè)同步知曉。根據(jù)不同專業(yè)的需要，本工程建立了較為完善的管道工程參數(shù)化專業(yè)構(gòu)件庫，如圖4所示，既可滿足本工程的實(shí)際需要，也可為今后同類工程的快速建模所用。

圖3 松江中途泵站BIM 模型Fig.3 BIM model of Songjiang Midway Pumping Station

圖4 專業(yè)構(gòu)件庫Fig.4 BIM Revit family library

基于各專業(yè)模型應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行泵站沖突檢測，完成泵站及頂管井各專業(yè)間設(shè)計(jì)成果的協(xié)調(diào)性檢查，如檢查各種設(shè)備管線與建筑結(jié)構(gòu)平面布置和豎向布置，避免空間沖突，盡可能減少碰撞，有效地減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤傳遞到施工階段，減少了現(xiàn)場的出錯(cuò)返工。碰撞檢測與設(shè)計(jì)優(yōu)化流程如圖5所示，在實(shí)施的過程中，BIM 應(yīng)用與設(shè)計(jì)交叉執(zhí)行。工程可以基于BIM 應(yīng)用發(fā)現(xiàn)碰撞問題以及不合理的設(shè)計(jì)，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)BIM 應(yīng)用相關(guān)成果調(diào)整設(shè)計(jì)，最終調(diào)整BIM 模型達(dá)到圖模一致。圖6所示為二級(jí)泵房內(nèi)某配電柜布置與結(jié)構(gòu)框架沖突示意，通過可視化調(diào)整驗(yàn)證泵房空間布局合理性。

圖5 碰撞檢測與設(shè)計(jì)優(yōu)化流程Fig.5 Clash detection and design optimization process

圖6 沖突檢測Fig.6 Clash detection

3.2 頂管工作井場地優(yōu)化布置

頂管工程的現(xiàn)場施工設(shè)備包括大型頂管機(jī)、龍門吊、頂管附屬設(shè)備等，頂管管節(jié)等各種材料都需堆放或者安置于現(xiàn)場有限的空間。同時(shí)，還需考慮臨時(shí)通道、運(yùn)輸車輛進(jìn)出等因素。本工程管道大部分沿河道布置，緊鄰防汛墻，限制條件較多，施工場地條件苛刻。常規(guī)的場地布置主要依賴現(xiàn)場技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，場地布置圖基本上是平面二維的，不能準(zhǔn)確反映設(shè)備的真實(shí)尺寸及空間感，導(dǎo)致后期實(shí)際布置對(duì)后期施工造成不便。

本工程采用BIM 技術(shù)，首先建立參數(shù)化的設(shè)備模型庫，以裝配式的方法規(guī)劃場地布設(shè)，整個(gè)場地模型通過設(shè)備任意的位置擺放和參數(shù)調(diào)整快速形成，省去了建模和平面圖繪制的繁瑣工作，將原有二維平面的、難以理解的技術(shù)圖紙?zhí)鎿Q為直觀的三維模型。施工場地的設(shè)備布置、材料堆放、車輛通行狀況等等一目了然。同時(shí)，將起吊設(shè)備和車輛通行予以動(dòng)態(tài)模擬，場地布置的合理性就可以直觀判斷出來。基于BIM 技術(shù)的施工場地優(yōu)化布置流程如圖7所示。通過BIM 技術(shù)將場地布設(shè)可視化和設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬，頂管施工場地條件狹小、限制條件多的難題得以有效解決，起到了優(yōu)化場地布設(shè)方案的作用。圖8所示為頂管工作井場地總體布置模型。

3.3 頂管施工總體計(jì)劃及專項(xiàng)方案模擬

本工程管線長度長，標(biāo)段劃分較多，相鄰標(biāo)段會(huì)在分界處共用頂管接收井。為避免不同標(biāo)段在共用頂管井處產(chǎn)生沖突，通過BIM 技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目總體工期的優(yōu)化，通過4D 模型制定合理的施工計(jì)劃，即制定不同時(shí)間段的進(jìn)度計(jì)劃。基于BIM 技術(shù)的施工方案模擬流程如圖9所示。通過施工過程的預(yù)演，合理安排資源和場地分配，避免了施工機(jī)械、場地等沖突。

頂管在地下進(jìn)行非開挖施工，難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求高。利用BIM技術(shù)在實(shí)際施工前對(duì)頂進(jìn)工藝進(jìn)行虛擬仿真，驗(yàn)證工藝的可行性和合理性。通過工藝模擬動(dòng)畫，將施工技術(shù)交底可視化，直觀展現(xiàn)工藝流程，便于施工人員的理解及各方的溝通協(xié)調(diào)。圖10所示為工作人員下井作業(yè)、驗(yàn)收焊接質(zhì)量的三維仿真。頂管的專項(xiàng)施工方案采用BIM 技術(shù)編制，直觀地對(duì)復(fù)雜工序進(jìn)行分析，將復(fù)雜部位簡單化、透明化，提前模擬方案編制后的現(xiàn)場施工狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場可能存在的危險(xiǎn)源、安全隱患等提前排查并采取針對(duì)性措施，確保了專項(xiàng)方案的可操作性和合理性。

圖7 工作井場地優(yōu)化布置流程Fig.7 Pipe-Jacking working shaft site optimization layout process

圖8 頂管工作井施工場地布置Fig.8 Pipe-Jacking working shaft construction site layout

圖9 施工方案模擬流程Fig.9 Construction plan simulation process

圖10 頂管工作井內(nèi)部布置示意Fig.10 Schematic diagram of the internal arrangement of the pipe-jacking shaft

3.4 輔助質(zhì)量控制和安全管理

本工程全線采用非開挖鋼頂管施工。頂管工程的難點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)主要集中在頂管姿態(tài)控制、周邊環(huán)境保護(hù)、鋼管焊接質(zhì)量等實(shí)時(shí)控制、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判等方面，注重風(fēng)險(xiǎn)管理[8]。BIM 技術(shù)為建筑業(yè)信息化提供了全新的管理模式。通過 BIM 模型，利用 REVIT為每個(gè)構(gòu)件生成唯一識(shí)別ID，以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，鏈接工程管理過程中的構(gòu)件管理信息，如質(zhì)量管理、安全管理、進(jìn)度管理、材料管理等信息。以數(shù)據(jù)為中心，存儲(chǔ)各種結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及文件。

圖11所示為頂管施工信息化BIM 管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)?；诠こ坦芾淼慕嵌?，最大限度整合各方面的模型、信息，服務(wù)于工程管理，提升風(fēng)險(xiǎn)管理水平。

圖11 頂管施工信息化管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)Fig.11 Technical architecture of the pipe-jacking constructionmanagement platform

頂管施工需要實(shí)時(shí)監(jiān)控頂管機(jī)狀態(tài)、頂管軸線狀態(tài)及鋼管焊接質(zhì)量，通過將BIM 模型與施工信息關(guān)聯(lián)，即可輔助進(jìn)行質(zhì)量控制和安全管理。

本工程將頂管機(jī)上位機(jī)PLC 模塊接入BIM信息管理平臺(tái)，將頂管機(jī)頂進(jìn)參數(shù)和頂管區(qū)間模型相關(guān)聯(lián)，對(duì)頂管機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輔助工程精細(xì)化頂進(jìn)。同時(shí)，將鋼管外觀質(zhì)量驗(yàn)收、鋼管補(bǔ)口質(zhì)量驗(yàn)收、鋼管焊接質(zhì)量驗(yàn)收、頂進(jìn)測量記錄管理、頂進(jìn)施工記錄管理等電子表單和頂管區(qū)間模型相關(guān)聯(lián)，便于參建各方掌握和監(jiān)控鋼頂管施工質(zhì)量和測量數(shù)據(jù)。

表1和圖12所示為工程中18#～19#頂管井區(qū)間的頂進(jìn)過程數(shù)據(jù)，從頂管頂力數(shù)據(jù)可以看出，頂力頂力隨頂進(jìn)長度逐漸增加，地質(zhì)均勻，頂進(jìn)過程穩(wěn)定。

圖12 區(qū)間頂管頂力分析Fig.12 Analysis of jacking force in jacking section

表1 平臺(tái)中頂管機(jī)上位機(jī)PLC 數(shù)據(jù)Tab.1 PLC data in the platform from pipejacking controlling machine

在實(shí)施過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)會(huì)隨著錄入的變化而被修改，可視化模型也可隨之改變，并通過報(bào)警值來顯示當(dāng)前模型的狀態(tài)情況，從而方便項(xiàng)目部相關(guān)人員對(duì)指定位置快速響應(yīng)。工程各參與方可以根據(jù)實(shí)際需要，查看任意結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的施工數(shù)據(jù)信息，提高了頂管工程施工管理的效率。

數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的頂管管節(jié)空間位置- 注漿壓力-頂力數(shù)據(jù)為頂管頂力設(shè)計(jì)、薄壁鋼頂管穩(wěn)定性分析等重要的科研課題提供了基礎(chǔ)的工程數(shù)據(jù)，為今后類似的工程設(shè)計(jì)提供了重要的過程數(shù)據(jù)積累。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)大型頂管工程的特點(diǎn)，介紹了上海市BIM 技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目黃浦江水源地連通管工程在BIM 實(shí)施策劃、模型構(gòu)建、頂管施工場地優(yōu)化布置、頂管施工過程模擬、頂管施工信息化集成與可視化數(shù)據(jù)管理等方面的應(yīng)用，同時(shí)總結(jié)了關(guān)鍵應(yīng)用點(diǎn)的實(shí)施流程。通過設(shè)計(jì)階段協(xié)同建模，有效地減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤傳遞到施工階段，規(guī)避了后續(xù)施工階段的潛在問題；通過三維場地布置和設(shè)備動(dòng)態(tài)模擬，解決了頂管施工場地條件狹小、限制條件多的難題；通過4D模型制定項(xiàng)目總體工期計(jì)劃及專項(xiàng)方案模擬及施工過程的預(yù)演，合理安排資源分配，避免了施工機(jī)械、場地等沖突；通過將BIM 模型與施工信息關(guān)聯(lián)，輔助進(jìn)行質(zhì)量控制和安全管理，提高了頂管工程施工管理的效率。

本工程BIM 技術(shù)的應(yīng)用有力地支撐了工程的實(shí)施，可以有效地解決設(shè)計(jì)中不易發(fā)現(xiàn)的問題，提高施工信息化管理水平和工程質(zhì)量，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，可為同類工程提供參考。