刘 钊 袁胜强 黄 虹
(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)
【摘 要】 上海市沿江通道越江隧道工程是上海市重点工程，交通功能复杂，结构形式多样，设计难度大。本文提出了工程全寿命周期BIM应用构架，总体设计及专业设计均采用BIM技术，建立了市政交通行业的BIM设计模板库，同时基于达索3D Experience平台进行了二次开发，完成了多专业BIM模型的快速构建和参数化设计，利用BIM模型进行了方案优化与设计深化，提出了钢结构方案设计、计算、优化、出图的整套解决方案，并为数字化制造打下了良好的基础。
【关键词】 BIM；城市交通工程；二次开发；方案优化；设计深化
【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.04
1.1 项目简介
图1 本工程概况
上海市沿江通道越江隧道(江杨北路至牡丹江路)工程是沿江通道越江隧道工程的浦西接线段，位于宝山区中部，呈东西走向，东接G1501越江隧道江，向西延伸至江杨北路接现状G1501，全长约3.9 km，项目总投资约46.2亿元。工程主线包含高速公路、城市快速路和地面道路3个系统；高速公路采用高架形式，设计速度100 km/h，按双向6车道和硬路肩规模建设，设互通式立交1座；同济路地道采用地面快速路，设计速度60 km/h，双向4车道规模；富锦路为快速路的地面辅道，双向4车道规模，设计速度40 km/h。该项目的建设，不仅使郊环线闭合，增加了越江通道，完善了上海市高速公路路网，而且使沿江沿海大通道的重要一环得以实施，对于宝山区，可释放同济路的快速路，得以为宝山区区域出行服务。
本工程总体概况如图1所示。
1.2 工程特点和难点
本工程的特点为空间上多系统，包含有高架桥梁、城市道路、市政管线、地道等多种结构形式，另外本工程与沪通铁路和轨道交通形成复合交通走廊，多个庞大的交通系统布置在有限空间内，相互关系复杂，传统的二维设计在处理复杂市政三维结构时很难综合考虑空间上的相互关系。因此本工程设计过程中有必要充分应用BIM三维技术，并通过BIM的可视化、协调性、模拟性、优化性等技术的应用，力求达到改善沟通、降低成本、缩短工期、减少风险的目标。
2.1 BIM应用目标
本工程BIM应用目标主要有以下三点：
(1)建立交通系统各专业协同工作模式；
(2)对交通系统IFC标准进行研究，通过二次开发技术实现带属性BIM模型的智能化和快速化构建，并且利用建立的BIM模型进行方案的优化和设计的深化；
(3)初步建立施工及运维阶段的模型构架，同时预留设计模型到施工与运维模型接口，可实现工程全寿命周期的数据传递。
2.2 实施方案
图2 BIM技术的全过程应用实施方案
BIM技术在本工程中的应用可以用“分阶段、全过程”来实现(图2)，各阶段通过二次开发技术进行BIM模型的快速建立与逐步深化。在前期规划阶段，BIM模型可用于进行总体方案的优化；在初步设计阶段，借助于BIM模型各专业进行了各专业设计的优化，同时在同一设计平台上进行了专业间的协同设计；施工图设计阶段，各专业对BIM模型进行了更进一步的深化设计，并利用全尺寸、全信息的BIM模型进行了工程量统计与二维出图的工作；在施工与运维阶段，对设计阶段BIM模型进行了进一步细化形成竣工模型，用于施工模拟和运维养护[1]。
2.3 团队组织
本工程BIM技术团队由工程设计人员和BIM人员组成，共10人(包含各专业人员)。总院领导对本项目给予了技术上和行政上的大力支持，达索-上海市政院联合研发中心等部门对本项目进行了协助。
2.4 应用措施
本工程BIM应用在项目初期便进行了BIM实施标准的制定(图3)，主要分为BIM实施资源标准、BIM模型行为标准、BIM模型交付标准和BIM模型应用标准，以保证在项目应用全阶段规范各方的建模和交付。
2.5 软硬件环境
软件方面本工程从前期项目管理、模型建立、设计应用到施工模拟主要采用了达索最新的设计平台3D Experience V6 R2015[2]，各阶段建立的模型存放于云平台中，从同一平台读取和深化BIM模型，有效避免了不同软件互导过程中数据和属性的丢失。其中全过程项目管理采用了平台中的ENOVIA，建模采用的是平台中的CATIA+二次开发，结构分析采用了SIMULIA，施工模拟则采用了DELMIA和3D Composer，另外还采用了Vissim进行了交通仿真和ANSYS进行了结构分析。
硬件方面则是采用了大内存和高性能显卡的图形级工作站，同时配备了专业级服务器存储设计数据。
3.1 BIM建模
本工程在BIM技术应用初期便对工程范围进行了划分，建立了工程模型树如图4所示，从上到下分为项目总体层级、专业层级、专业子项层级，各专业BIM建模需严格按照本工程模型树进行。
在总体方案阶段，建模深度为LOD1-LOD2级别，模型不需要反映出所有构造，只需表达出设计者的设计意图和部分细节；初步设计阶段，BIM模型应达到LOD3-LOD4级别的深度及表达出各专业设计成果的基本构造和细节；在施工图设计阶段，模型应达到可以施工的深度，因此模型需达到LOD5级别，即全尺寸全信息的模型。
本工程项目对IFC标准也进行了研究，并且在下部结构和钢筋中应用了属性定制功能。基于IFC标准在BIM技术应用初期便开发了大量的专业化模板，在BIM模型建立过程中，调用合适的模板，按照设计数据修改模板的参数，可达到避免重复建模快速生成BIM模型的目的。
各专业以工程模型树中专业层级的产品为基础，自上而下展开进行各个专业子项的模型搭建，其中各专业模型是根据中心线骨架驱动，通过市政院二次开发的基于知识工程脚本语言[3] 和基于Automation的程序，结合各专业的设计数据和调用专业化构件模板进行桥梁上下部结构、道路、地道和综合管线的快速建模，建模完成后在项目总体层级可实时看到各专业最新的模型(图5)。由于是“自上而下”的建模和中心线骨架驱动[4]，所以各专业设计模型与总体设计是相关联的，设计变更后模型也能得到快速的更新。
图3 BIM实施标准
图4 工程模型树划分和专业化构件库
3.2 BIM应用情况
本工程中建立了BIM模型，并输出到交通仿真软件Vissim中，添加交通流量输入数据便可以直观展示某一时期的交通服务水平，根据仿真结果验证了方案的总体合理性，同时对方案进行了局部优化。
在初步设计阶段本工程利用了BIM模型进行了设计优化，主要针对了互通立交区域的桥梁结构进行了优化(图6)。互通立交区域AY2 和AY3 匝道斜交上穿过G1501高架主线，匝道上下部结构和主线结构空间关系复杂，布置空间紧凑。通过BIM模型动态调整了匝道的平纵线型，优化了跨径和桥梁结构高度，降低了造价和工程实施难度。
五冶大楼段工程结构复杂，从上到下依次有高架桥梁、地面道路、综合管线、同济路地道、地铁三号线和沪通铁路。在初步设计阶段通过协同设计平台进行碰撞检查，及时发现了在五冶大楼段，雨水管道与PZX-096-097墩有设计不协同的问题，优化了管线的设计(图7)。
图5 各专业BIM模型构建和整合
图6 基于BIM模型的平立面空间优化
图7 基于BIM模型的各专业协同设计
在施工图设计阶段，本工程利用BIM模型进行了钢结构三维深化设计和钢筋混凝土结构的三维深化设计，钢结构三维设计直接从三维骨架入手，通过建立参数化设计模型，实现设计可视化，并细化了局部构造；通过与有限元计算软件Ansys的接口研究，将建立的BIM模型转化为了有限元分析模型，通过对结构的模拟分析优化了设计方案，节省了用钢量，并利用优化后的BIM模型进行了工程量统计，大大减少了统计工程量的时间，提高了工程量统计的准确度。
本工程中还采用了知识工程开发语言实现了钢筋混凝土结构的参数化快速建模，通过参数驱动生成各种类型钢筋，利用钢筋的IFC属性快速统计了钢筋工程量，并且为后续钢筋的采购、加工、安装提供了可靠的模型接口；在BIM模型的基础上采用二维有限元分析软件对混凝土结构的钢筋布置进行了优化，同时实现了BIM模型的展示与钢筋数量表的实时联动。
在设计基本完成之后，在本工程中还利用了BIM三维模型进行开发，实现了二维快速化出图，图纸包括有高架桥梁总体立面布置图、总体平面布置图、装配式小箱梁平面布置图和桥梁下部结构构造图等(图8)，并且二维图纸与三维模型相互关联，可实现联动修改的功能。
在施工准备阶段，本项目还利用已有的BIM模型对重点节点位置进行了施工模拟。拟建高架与北侧地铁3号线结构最窄处仅有6 m左右，施工精度要求高，在部分路段，各种结构相互交错影响，施工中需处理深基坑、坑中坑等高难度作业，建设期间作业面十分复杂，通过BIM模型结合虚拟施工软件对每一个施工步序进行了模拟，有效地预判了可能的施工难点，并且研究了施工方案实施可能性，进行了三维可视化的技术交底(图9)。施工期间由于需根据宝钢铁路的运营时间要求错开施工时间，需要在有限的时间内完成管线、地道结构、桥梁结构的施工，协调难度大，BIM团队通过对工期的分析，
图8 基于BIM模型的二维出图
图9 基于BIM模型的虚拟施工
结合桥梁的施工时间、工序、工法等要求确定了施工组织方案，将施工构件生产信息、运输方式、到场时间等信息输入到模型中，在施工模拟软件DELMIA中通过甘特图控制各个施工构件的虚拟建造[5]，直观展示了每一个时间点已建成的结构、正在施工的结构和未完成的结构，有效实现了工程建设在时间、空间、资金上的控制。
本工程BIM技术应用成果表明，在大型市政交通类项目应用BIM技术，能够在项目方案阶段通过快速创建BIM模型展示设计方案，表达设计意图；在设计阶段通过BIM技术的可视化和协同化优点能够快速检查出错漏碰缺，有效提高设计的质量和效率；通过BIM模型进行的优化设计和深化设计更是带来了设计品质的提高；对数字化制造的研究和施工数据接口的预留初步实现了BIM技术的全过程实际应用，实现了BIM技术与工程设计的有效结合。
另外，针对本工程进行的BIM技术二次开发也取得了较好的效果，在构建模型阶段为项目节省了大量时间，使得BIM人员能够把更多的精力放在BIM具体应用上来。
下一阶段BIM应用过程中，希望通过对不同阶段模型需求的分析，对模型分级与轻量化进行重点研究，以方便后续工程中的进一步应用。
参考文献
[1] 上海市城乡建设和管理委员会.上海市建筑信息模型技术应用指南[S].2015.
[2]达索系统，达索系统集团官方中文网站，http：//www.3ds.com/cn.
[3]顾晓华，仲梁维.基于知识工程的参数化设计[J].设计与研究，2001，30(4)：17-18.
[4]黄俊炫，张磊，叶艺.基于CATIA的大型桥梁三维建模方法[J].土木建筑工程信息技术，2012，4(4)：51-55.
[5]吴露方.基于BIM的桥梁全生命周期管理研究初探[J].土木建筑工程信息技术，2013.5(6)：17-21.
Liu Zhao，Yuan Shengqiang，Huang Hong
(SMEDI(Group)Co.，Ltd.,Shanghai 200092，China)
Abstract:Shanghai Riverside Passageway & River-Crossing Tunnel Project is a major Shanghai municipal project with complex traffic system,various types of structures and relative high design difficulty.In this project,we propose a whole life-cycle BIM application process,and we apply BIM technology from general design to specific design in all disciplines.We create design components catalog for municipal transportation projects,and conduct secondary development based on Dassault Systeme 3D Experience platform,which contributes to multiple-disciplinal rapid modeling and parametric design,as well as scenario optimization and design development based on the BIM model.Finally,for the metallic structure,we propose the solution from scenario design,analysis,and optimization to drawing,which lays the foundation for future digital manufacturing.
Key Words：BIM; Urban Transportation Project; Secondary Development; Scenario Optimization; Design Development
【基金项目】 国家自然科学基金资助项目(61170327)；国家科技重大专项支持资助项目(2014ZX02502)
【作者简介】 刘钊(1990-)，男，助理工程师，主要从事桥梁设计和BIM应用工作； 袁胜强(1971-)，男，教授级高工，总院副总工程师，设计院BIM中心主任，主要从事道路交通设计及BIM开发； 黄虹(1970-)，女，教授级高工，道桥院副总工程师，主要从事桥梁设计工作。
【中图分类号】TU17
【文献标识码】A
【文章编号】 1674-7461(2016)03-0020-06
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