王帅¹、鲁盛¹、张浩¹、张志飞¹、董浩²、苏东升¹
（1.中交水运规划设计院有限公司，北京100007；
2.天津水运工程勘察设计院, 天津300450）

前言

随着社会经济的快速发展，在沿海地区特别是沿海发达地区，土地、岸线资源日益紧张，一些影响国计民生的重大建设项目已经无地可用，适合港口建设的优良岸线也所剩不多，为了寻找新的岸线和土地资源，人们逐步把目光投向海洋，近年来填海造地呈现加快的趋势。由于人工岛具有周边空间开阔、受到干扰小、拓展空间广阔、可创造深水岸线和对生态影响相对较小的特点，可以避免沿岸围垦所造成的生态影响，因此，以人工岛为主要开发方式和载体的海洋资源开发越来越受到行业的认可和重视。目前采用人工岛形式建设的项目主要包括海上油气平台、海上机场、深水港口、海上城市、工业岛以及海上桥隧转换的人工岛衔接等^[1]。
BIM作为一种全新的理念和技术，正在引发工程建设行业一次史无前例的变革。BIM源自美国，逐渐扩展到欧洲、亚洲的日本及新加坡等发达国家。我国从2003年开始引进BIM技术，近来政府相关单位、各行业协会与专家、设计单位、施工企业、科研院校等陆续开始重视并推广BIM，然而目前我国BIM技术的研究和应用都主要集中在建筑设计行业，其他行业包括水运建设行业均处在起步阶段。为了加快BIM技术在水运工程领域的应用，有必要尽快开展水运工程BIM设计标准、专业BIM应用软件等方面的应用和研究^[2]。
研究表明，BIM作为支撑建设行业的新技术，涉及不同应用方、不同专业、不同项目阶段的应用，绝非一个或一类软件可以解决的，BIM的发展离不开软件的支持^[3]。Bentley公司立足地理、土木、建筑和工厂四大纵向市场，旗下系列软件几乎涵盖了整个基础设施领域，可以针对于每个行业的特定需求，提供相应的软件产品和解决方案。本文将立足于实际工程项目，结合Bentley数字化设计平台在深中通道西人工岛BIM应用过程中的相关经验，对人工岛BIM应用的成套解决方案进行研究和探讨，希望以此推动BIM在水运工程领域的应用和推广。
 
一、项目背景

1.1     工程概述
深圳至中山跨江通道位于我国广东省珠江中游核心区域，东起深圳机场南侧，终于中山马鞍岛横门，将珠江口东岸深莞惠经济区与西岸的江中珠经济区近距快捷地连接起来，该通道北距虎门大桥约30km，南距港珠澳大桥约40km。本工程是集超宽超长海底隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程，规模空前、建设条件异常复杂、综合技术难度再上新高，是我国继港珠澳大桥之后的又一项世界级的重大跨海交通工程。

工程建设内容包括沉管隧道，伶仃航道桥、横门东航道桥以及其他非通航孔桥，东、西人工岛，三座码头，沉管预制场及浮运航道，特种装备海洋平台专用航道，龙横航道，施工航道等。其中，人工岛总体设计和岛体结构设计由我院负责完成，人工岛的基本功能是通过填海筑岛形成稳定陆域，实现海上桥梁与隧道的顺畅衔接，满足岛上建筑物的布置需要，并提供基本掩护功能，保障主体建筑物的正常运营。

1.2     BIM应用范围
本项目BIM应用范围为人工岛水工建筑物，所有专业BIM建模内容包括：三维地质、基坑开挖回填、岛壁结构（钢圆筒、岛堤结构和扭王块体护面等）、地基处理以及施工码头等。
BIM技术的应用对于人工岛工程技术手段及设计理念将产生重大影响，从而为项目施工建造提供必要的信息模型和技术指导，同时对提高工程质量效益、数字化管理水平等方面也具有很好的促进作用。
 
二、Bentley数字化平台
本项目以Bentley系列软件为基础，搭建项目数字化平台，实现对深中通道人工岛设计过程信息模型的建立及相关深化应用。平台涉及的主要BIM软件及其在项目BIM实施过程中所扮演的主要角色如表1所示。
 
三、人工岛BIM应用实施过程

以本项目西人工岛BIM实施为例，主要应用过程包括：建立项目信息协同管理平台；建立各专业BIM设计模型；基于BIM模型进行必要的工程分析；建立BIM综合模型进行综合协调；基于BIM模型优化设计；通过BIM模型生成二维视图等。
3.1     项目协同设计平台

BIM协同设计与传统二维设计不同，将基于统一的BIM模型数据源，保持数据良好的关联性与一致性，完成高度的数据共享，实现对信息的充分使用。深中通道西人工岛工程的BIM应用，基于ProjectWise（简称PW）协同设计平台，如图2所示，利用其强大的流程管理、权限管理及知识积累功能，以文件级协同方式，实现项目信息的集中存储与访问，从而缩短项目周期，增强信息的准确性和及时性，提高各参与方协同工作的效率。

图2基于ProjectWise的深中通道西人工岛项目协同设计平台

3.2     模型分解及装配规则
对于一个大型工程而言，其工程范围往往很大，甚至达到几百公里以上，虽然很多结构模型比较复杂，但是往往不同结构段可能会采用相同结构形式或由相同的结构构件通过组合而成，如果对每一个结构都进行建模，毫无疑问将增加很多重复性的工作，使得工作效率大打折扣，同时也会大大增加计算机的负荷。因此，要强化分专业、分区，用不同的图纸来存储模型的概念。不同专业的模型，应分成不同的文件存储，通过参考的方式来进行总装，尽量减小一个文件的存储负荷。
专业内的不同构件对象，可以采取分文件的方式建模，使用文件参考组装。尺寸规格相同的构件重复使用时，应尽量使用“共享单元”的形式插入，可以有效地控制文件大小。如结构模型，多结构段模型相同，则无需将模型重复复制，仅需要在总装模型上来对同一层模型进行重复参考，并修改标高即可。人工岛模型的装配分四个层级（项目总装、专业分装、结构组装和设计模型）进行，装配层级关系如图3所示。

3.3     人工岛BIM建模过程

（1）三维地质模型
地勘资料是工程建设的基础资料，工程区的地质分布情况是相关设计工作的重要依据，而三维地质模型能够全方位呈现地层环境和岩性分布情况，为人工岛结构的设计优化提供更加科学的判断依据。本项目采用华创汇翔基于MicroStation开发的三维地质模型系统，建模过程主要包括数据库端的地质勘探钻孔信息数据录入管理和图形端的三维地质模型建立两大部分。首先，根据地勘资料在系统数据库端依次对地层环境、岩性环境、钻孔布置、钻孔岩性分布和地质勘探线布置等信息进行录入和设置，待所有信息核对无误后，接着在系统图形端导入钻孔和勘探剖面岩性分布信息，并依据上述信息建立人工岛三维地质模型，地质模型成果如图4所示。

图4西人工岛三维地质模型的创建

 
（2）基坑开挖回填
由于工程区覆盖层上部土体整体承载力强度均较低，压缩性高，不宜直接作为隧道及人工岛的基础持力层，因此需采用基坑开挖回填中粗砂的方案，对上述覆盖层进行软土处理，将人工岛岛壁结构下方淤泥进行挖除并换填中粗砂。结合软件平台的特点，选用GeoPak建立西人工岛基坑开挖回填模型，如图5所示。

图5基于GeoPak建立的基坑开挖及回填模型

（3）岛壁结构
岛壁结构BIM建模内容主要包括钢圆筒及弧形副格仓、岛堤结构以及扭王块体护面等。
①    钢圆筒及弧形副格仓

本项目采用大直径钢圆筒沿人工岛外圈振沉至持力层，并在圆筒之间打设钢弧板构成副格仓，构筑安全、可靠的隧道基坑施工期止水围护结构，实现快速整岛止水的同时，避免了传统基坑围护结构的内部支撑结构，扩大了岛上隧道施工的作业面。利用MicroStation软件在人工岛的整体定位轴网中建立了钢圆筒及弧形副格仓的三维模型，如图6所示。

②    岛堤结构
岛堤结构作为人工岛的主体挡浪结构，在建模过程中存在一些技术难点，如岛堤结构与前期开挖后的地形相交、与地基处理模型相切、与施工码头结构相切、按等间距施工缝摆放阶梯挡浪墙等，上述这些方面使建模难度加大，单纯依靠一款专业软件很难解决所有问题。在综合相关软件主要优势和特点的情况下，考虑同时采用Bentley专业线性建模软件PowerCivil（简称PC）和Open Bridge Modeler（简称OBM）进行建模，利用PowerCivil完成岛堤放坡段及转弯处结构的建模，实现结构与地形的自然衔接以及转弯处结构的平滑过渡，而利用Open Bridge Modeler完成堤身主体结构和阶梯状挡浪墙的建模，解决岛堤与其他结构物的切割问题以及按等间距施工缝摆放挡浪墙的问题，建模过程分别如图7与图8所示。

图7基于OBM的岛堤结构（非转角堤段和阶梯挡浪墙）建模

图8基于PC的岛堤结构（岛头转角复杂堤段）建模

③    扭王块体护面
堤身护面扭王块体的摆放在设计和施工阶段一直都是一个技术难点，如何摆放能够达到比较好的消浪效果和如何从成本角度控制块体的数量等问题到目前为止还没有一个统一的结论。本项目人工岛岛堤堤身轴线方向为不规则弧线设计，堤身护面块体的摆放较规则护面而言则更加复杂。在建立本项目岛堤扭王块体护面模型时，将不规则护面拆分为若干个规则护面，然后再在规则护面上按照交错布置的原则整齐摆放扭王块体。实际操作中，利用MicroStation CONNECT版本提供的接口，通过二次开发MDL应用程序，实现了任意平面块体摆放的功能，很好地解决了扭王块体护面建模的问题，大大提高了建模的效率。扭王块体护面模型如图9所示。

图9扭王块体建模及岛堤护面扭王块体的摆放

（4）陆域形成和地基处理
陆域形成和地基处理设计范围包括岛壁结构内侧回填和地基处理、岛壁结构地基处理（挤密砂桩和钢圆筒内地基处理）。根据施工工序的安排，首先要在西小岛钢圆筒基坑侧采用3排高压旋喷桩进行止水，然后按照西小岛、西大岛、钢圆筒的工程范围分别进行地基处理，形成陆域。陆域形成回填与软基处理堆载相结合，降水联合堆载预压处理后能达到工后沉降要求，考虑原状土预压处理固结沉降以及回填砂自身的振冲密实。
结合陆域形成和地基处理的设计方案，利用MicroStation建立各施工工序的三维可视化模型，如图10所示，可用于人工岛施工过程的模拟和施工方案的优化。

图10西人工岛陆域形成及地基处理模型

（5）施工码头
①    码头结构
西人工岛北侧设置有施工码头一座，采用重力式沉箱结构，按200吨级救援船舶靠泊进行设计，其基本功能是为深中通道桥、岛、隧提供交通事故应急救援或人员紧急转移等基本救援保障功能。施工码头的设计难点在于码头前后方与岛壁衔接处均为弧线，难以确定基床平面图的边缘线；同时由于码头后方与大圆筒相连，致使墙后回填块石的工程量难以统计。通过AECOsim Building Designer（简称ABD）建立施工码头模型，如图11所示，帮助设计人员确定基床轮廓线，同时能够方便的统计施工码头工程量。
施工码头的建模思路为将预制沉箱、系靠船设备和四脚空心方块等对其他工程有使用价值的构件建立单元，丰富水运工程项目单元库，如图11所示。


图11 水运工程项目元件库的建立

对于抛石基床、回填块石以及面层垫层等仅针对本工程的构件使用MicroStation进行三维模型设计，并通过ABD对其赋予属性信息。首先编辑属性定义，定义工程所需的属性信息，同时可实现丰富数据组的目的；然后定义各构件名称并添加相应属性信息，亦可实现丰富数据组对象的目的。待上述各个构件建立完毕后，即可将其进行定位组装形成最终的施工码头三维可视化模型，如图12所示。

图12沉箱结构建模及施工码头整体结构模型的组装

②    码头构件配筋
单一的素混凝土往往难以满足结构所需承担荷载的要求，钢筋的布置可大大提高结构的强度，因此，配筋工作是结构设计的重要环节。施工码头的胸墙及沉箱部分为钢筋混凝土材料，需对其进行钢筋布置，以满足结构体的强度要求。本项目采用华创汇翔基于MicroStation开发的三维配筋系统进行配筋。在建立结构三维配筋模型之前，需根据规范确定如混凝土等级、各配筋面保护层厚度等参数，然后依据专业规范及配筋计算结果，设计各面层的布筋间距及钢筋类型，确定内外钢筋的布筋方向，在钢筋信息确定无误之后，将信息录入到面布筋选项中，即可布置多种类型及型式的钢筋组，钢筋组的信息同步存储于配筋体的各个面上。此外，在完成结构的三维配筋模型之后需对模型进行校核，确保模型的准确性。施工码头沉箱及胸墙三维配筋模型如图13所示。

图13施工码头沉箱及胸墙结构三维配筋模型

3.4     BIM成果及应用展示
本项目基于Bentley数字化平台，利用先进的BIM技术手段，实现了深中通道西人工岛各专业BIM模型的创建，顺利完成了人工岛项目实施，最终整体BIM模型成果如图14所示。

图14深中通道西人工岛BIM模型成果

同时，为了发挥BIM更大的价值，从可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特征出发，本项目完成了基于深中通道人工岛BIM模型的深化应用，如：实现了专业间可视化协同及设计优化复核、输出二维图纸及属性信息和工程量的快速统计、基于BIM模型的施工工序模拟以及移动端应用等，如图15所示。

（a）专业间协同及设计复核


（b）输出二维图纸及工程量


（c）施工工序模拟


（d）模型移动端应用
图15深中通道西人工岛BIM模型应用展示

本项目的顺利实施，实现了人工岛BIM信息化立体模型的建立，展现了BIM技术在人工岛项目中对于提高工效、确保质量、提升项目管控水平等方面的重要应用价值。通过BIM手段，实现了对设计方案及施工工序的模拟分析，直观形象地展示了工程全貌，各专业间实现了设计成果及信息的有效传递和交互式沟通，并改变了传统的人工绘图及算量模式，从而大幅提升了人员工作效率及设计成果质量，同时对于节约项目工期及成本、提升项目效益及数字化管理水平也具有重要促进作用。

四、结论和展望
BIM在深中通道西人工岛项目中的应用，是BIM在水运基础设施领域的一次尝试和探索。通过BIM技术手段的运用，充分发挥了BIM在可视化、仿真性、协同性和一体化等方面的特点和优势，为人工岛工程项目在三维展示、优化设计、协同工作和施工模拟等方面发挥了重要作用，也是传统技术手段所不具备的。Bentley数字化平台在深中通道西人工岛BIM设计过程的成功应用，表明该数字化平台能够满足人工岛设计建模的各项要求，同时能够适应后续桥梁和隧道工程的技术衔接，因此该数字化平台符合人工岛项目BIM整体实施的相关需要。
虽然BIM作为一种全新的理念和技术，具有无可比拟的优势，其推广应用的大环境尚不成熟。与国外相比，我国现有的行业体系仍然不统一，缺乏较完善的BIM应用标准，导致各行业BIM应用大环境不够成熟，推广难度较大。综上所述，BIM技术和理念的推广普及，仍然面临诸多困难和挑战，尤其是在BIM应用标准和法律法规的制定、BIM软件平台的开发和各行业BIM应用技术的创新探索等方面，还需要经历一个积累、探索和创新的过程。
 
参考文献
[1]张志明, 刘连生, 钱立明, 等. 海上大型人工岛设计关键技术研究[J]. 水运工程, 2011, 1.
[2]中交水运规划设计院有限公司科技开发中心. 水运工程行业BIM解决方案[R]. 2016.
[3]何清华, 钱丽丽, 段运峰, 等. BIM 在国内外应用的现状及障碍研究[J]. 工程管理学报, 2012 (1): 12-16.

 

本信息涉及广告