BIM技術在港珠澳大橋的具體應用?

　　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、珠海，是目前世界上最長的跨海大橋，是中國從橋梁大國走向橋梁強國的里程碑之作。大橋被英國《衛報》評為“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到了LOD200;交通工程各子系統建模深度達到了LOD400以上，其中有部分設備的深度達到了LOD500。

　　一、港珠澳大橋BIM項目概況

　　拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線的關鍵控制工程，是繼港珠澳大橋主橋之后又一世界級工程。隧道所在地隸屬于珠海市，毗鄰澳門行政區。通車后可滿足香港、內地、澳門兩岸三地之間的陸路客貨運輸要求。拱北隧道全長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255米，采用國內首創的曲線管幕凍結暗挖法施工，曲線管幕長度創造新記錄，隧道開挖斷面345平方米為世界最大。

　　二、港珠澳大橋項目特點

　　拱北口岸作為國內第一大陸口岸，地理位置特殊、政治意義敏感。工程建設不允許對口岸通關造成任何干擾。拱北隧道陸域段建筑物主要有：孫中山市政公園、澳門、珠海國防公路、鴨涌河等;海域沿線有邊防五支隊營樓;且工程施工與城市道路多次交叉;需要協調的部門眾多，多部門之間如何有效溝通，成為項目挑戰。

BIM技術在港珠澳大橋的具體應用

　　拱北隧道工程施工工序復雜、技術風險高。隧道暗挖段周圍采用36根Φ1620mm管幕頂管作為超前支護，分上下兩斷面同步頂進施工。洞內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，地質條件極差，項目采用曲線管幕凍結暗挖法施工，凍結頂管之間土體進行封水，然后進行洞內暗挖。有效克服地質條件差的問題。

　　曲線管幕凍結暗挖法施工為國內隧道工程項目首次采用，凍結法原理即利用人工制冷技術，使地層中的水結冰，增加其強度和穩定性，隔絕地下水，以便進行地下工程掘砌作業。凍結法的主要風險，來自供冷不足或外部熱源導致凍土范圍、強度的退化，使地下水倒灌，造成項目災難性的破壞。溫度監控及預警，將成為影響項目成敗的關鍵因素之一。

港珠澳大橋總設計師孟凡超

　　中交公路規劃設計院有限公司董事長、副總經理孟凡超，他是赫赫有名的全國工程勘察設計大師，他是橋梁界資深專家，他他主持設計的黃石長江公路大橋是國家重點工程，是國家公路干線312國道(上海至成都)上的特大型橋梁，是交通部自主設計、制造的第一座特大型橋梁，1999年竣工驗收時被評為優良工程。他主持設計的西堠門大橋主跨1650米，其跨度在當時居于國內第一、世界第二，備受國內外橋梁界關注，是一座采用最新結構設計的雙塔雙索面非對稱式兩跨連續鋼箱梁懸索橋。南京長江第二大橋為國家“九五”期間重點建設項目，他作為該橋預可行性研究、工程可行性研究項目總負責人之一，在主持研究工作中，提出了南京二橋建設橋位選擇新生村橋位優于燕子磯橋位的結論;在橋型方案選擇上，提出了采用三跨過江斜拉橋方案優于一跨過江斜拉橋的結論，有效降低了南京二橋的工程風險性，減少了工程投資。

三、港珠澳大橋設計階段解決方案

　　BIM技術在設計階段主要有路線設計、BIM多專業協同設計、BIM模型出圖、設計方案論證等多個方向的應用。

　　1. 路線線形設計

　　項目組將Autodesk Revit 軟件與中交二公院自主研發的路線專家系統結合，利用路線專家系統的平面坐標、縱斷面高程以及坡度計算等功能，生成用于 Autodesk Revit 建模的路線數據，采取二次開發 的手段，實現隧道路線三維實體的自動創建。

　　圖2 Autodesk Revit 創建隧道三維實體

　　2. BIM多專業協同設計

　　拱北隧道BIM建模項目由結構專業、交通工程專業、防排水工程專業及路基路面專業等四大專業協同設計完成。由于組成全專業拱北隧道BIM模型的構件較多，項目組建立企業級BIM構件管理系統，并將全部構件導入管理系統，形成中交二公院自主知識產權，為項目組協同管理、快速建立BIM模型起到積極作用。

　　圖3 BIM多專業協同技術方案圖

　　3. BIM隧道設計流程

　　拱北隧道設計可以分為兩類：工作井和特殊段建模，其BIM建模的主要流程有項目模板、標準構件、路線線形、橫斷面、管幕及附屬構造，最后形成BIM設計成果。主要設計流程如下圖所示：

　　圖4 港珠澳大橋BIM隧道工程設計流程圖

　　4. BIM模型與出圖

　　基于以上步驟，項目組完成了凍結曲線管幕、暗挖開挖斷面345平方米拱北隧道BIM模型，以及東、西兩側工作井和周邊主要建筑物拱北口岸BIM模型。通過BIM三維可視化直觀的展示方式，有效解決項目挑戰多部門協調難度大的問題。根據拱北隧道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 拱北隧道設計階段模型

　　5. 工作井選址方案

　　采用三維BIM模型與實景照片相結合的方法，對避免口岸建筑拆遷、工作井進入澳門界內等問題，提供了論證方案。

　　圖6 工作井選址方案

　　6. BIM三維設計平臺與有限元分析系統集成

　　通過軟件二次開發，實現在BIM建模軟件中導出工作井計算模型，與大型有限元分析軟件結合，對圍護結構進行三維仿真受力分析。從基坑開挖階段到暗挖破墻階段的坑內水平形變、豎向彎矩分析，計算結果變形最大值為14.2mm ，出現在開挖面中下部，最大彎矩699KN·m ，最大負彎矩-984KN·m，均滿足設計要求。

　　圖7 工作井有限元分析圖

　　四、施工階段解決方案

　　BIM技術在施工階段主要應用有建立暗挖段BIM施工模型、施工進度管理、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，開挖斷面共劃分5個臺階15個分區，臺階高度約3.8m左右，長度約5m左右，主體結構以及支護構造物較為復雜。暗挖段BIM施工模型包含 初期支護、二次襯砌、三次襯砌，分為先仰拱、側墻及中板、最后拱部、臨時支撐、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. 施工進度管理

　　拱北隧道項目工期要求嚴格，在總體進度控制框架下，由施工單位在征求各單位的意見后，編制總體進度計劃;然后利用AutodeskNavisworks 軟件強大的數據整合功能，將總體進度計劃與BIM施工模型各構件相互關聯，采用軟件二次開發方式，實現拱北隧道施工進度管理系統。

　　施工進度管理系統，整合工程項目各單位計劃進度信息，在施工過程中重點監控進度執行情況，協助總體單位完成進度的動態控制，當系統采集的進度執行情況與計劃情況不一致的時候，系統會主動提示并持續跟蹤和反饋;4D施工模擬更是以可視化的方式，向眾多參與方，集成展示整個項目的總體進度情況，嚴格控制工期起到重要作用。

　　圖10 拱北隧道施工進度管理

　　3. 漫游與工序模擬

　　拱北隧道工程復雜，主要對復雜工點進行工序模擬，利用游戲引擎強大的展示功能，制作三維施工工序模擬，可以直觀瀏覽、檢查和方案的修改，有效應對拱北隧道工程項目工序復雜的挑戰。

　　圖11 工作井工序模擬

五、項目創新

　　經過充分的調研和專家咨詢，項目組針對拱北凍結法施工，結合BIM技術特點，制定了管幕凍結設計方案，開發了管幕溫度監控系統。為配合暗挖施工，凍結管幕橫斷面上分為A ，B1，B2 ，B3 ，C五個區。為控制土體的凍脹效應，采用控制性凍結施工，并在凍結A區及局部敏感區域采用注漿改良凍結法。同時，分別在各區安裝溫度傳感器，以便掌控溫度的變化情況。'

　　圖12 管幕溫度監測點布置圖

　　拱北隧道凍結法管幕溫度監控系統，首先需要建立凍結管、監測點BIM模型。然后，對監測點進行編號，將溫度采集數據與BIM模型構件關聯。管幕溫度監控系統，實現溫度數據關聯、溫度變化趨勢查詢、溫度預警以及風險定位等功能。相對于傳統模式，基于BIM技術的管幕溫度監控系統可以結合三維模型對于歷史數據、監測點位置等多個方面進行綜合分析，可以更加準確、及時定位于風險的位置，使項目的安全與質量得到提升。

圖13 拱北隧道凍結法管幕溫度監控系統

　　六、結語

　　為了規范建立BIM三維建模，項目組制定了中交二公院隧道BIM的建模標準、應用標準、協同標準及交付標準，并研發了企業級BIM 構件管理系統。形成中交二公院自主知識產權，為BIM技術在中交二公院工程項目中的應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模型時候非常困難，項目組將Autodesk Revit 建模軟件與中交二公院自主研發的路線專家系統結合，自動創建三維線形實體。拱北隧道BIM 建模項目由四大專業協同設計完成。最終建立 隧道BIM 構件308個，并全部錄入企業級BIM族庫管理系統，形成中交二公院自主知識產權，并為項目組協同管理、快速建立BIM模型起到積極作用。

　　隧道BIM技術應用尚處于初始階段，面臨著各種各樣的難題，中交二公院將繼續實施BIM技術研究推廣應用的戰略，積極參與編制技術標準、研發關鍵技術、構建技術共享平臺、提供公共信息服務。只有這樣才能使BIM技術釋放出更大的力量，從而推動工程行業技術不斷進步，獲得更大的經濟和社會效益。

　　目前，正是中國交建企業由傳統二維平面設計向空間BIM三維技術戰略轉型的重要階段，中交二公院作為路橋及隧道工程方面，我國公路勘察設計行業綜合實力最強的企業之一。擬將BIM 技術在拱北隧道項目中的成功經驗及應用成果擴展到其它工程領域，更進一步推廣到整個中國交建的業務領域，助推中國交建向空間BIM 三維技術轉型目標的實現。探索基于BIM技術的全新工作模式與方法，更可以提高中國交建的技術水平，使其在設計、施工、投資領域再創新業績、再上新臺階。

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