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BIM技术在港珠澳大桥的具体应用​

发布日期: 2018.11.01

  港珠澳大桥BIM模型包含了主体工程桥梁、隧道、人工岛、管理中心和交通工程。港珠澳大桥连接香港、澳门、珠海,是目前世界上最长的跨海大桥,是中国从桥梁大国走向桥梁强国的里程碑之作。大桥被英国《卫报》评为“新世界七大奇迹”之一。

  其中桥梁、隧道、人工岛、管理中心的建模深度达到了LOD200;交通工程各子系统建模深度达到了LOD400以上,其中有部分设备的深度达到了LOD500。

  一、港珠澳大桥BIM项目概况

  拱北隧道为港珠澳大桥珠海连接线的关键控制工程,是继港珠澳大桥主桥之后又一世界级工程。隧道所在地隶属于珠海市,毗邻澳门行政区。通车后可满足香港、内地、澳门两岸三地之间的陆路客货运输要求。拱北隧道全长2.74公里,包括海域明挖段、口岸暗挖段、陆域明挖段三部分,其中暗挖段总长255米,采用国内首创的曲线管幕冻结暗挖法施工,曲线管幕长度创造新记录,隧道开挖断面345平方米为世界最大。

  二、港珠澳大桥项目特点

  拱北口岸作为国内第一大陆口岸,地理位置特殊、政治意义敏感。工程建设不允许对口岸通关造成任何干扰。拱北隧道陆域段建筑物主要有:孙中山市政公园、澳门、珠海国防公路、鸭涌河等;海域沿线有边防五支队营楼;且工程施工与城市道路多次交叉;需要协调的部门众多,多部门之间如何有效沟通,成为项目挑战。

港珠澳大桥BIM应用

BIM技术在港珠澳大桥的具体应用

  拱北隧道工程施工工序复杂、技术风险高。隧道暗挖段周围采用36根Φ1620mm管幕顶管作为超前支护,分上下两断面同步顶进施工。洞内五层三衬双向式暗挖,然后分三阶段浇注三次衬砌。拱北口岸涉及海域及陆域,地质条件极差,项目采用曲线管幕冻结暗挖法施工,冻结顶管之间土体进行封水,然后进行洞内暗挖。有效克服地质条件差的问题。

  曲线管幕冻结暗挖法施工为国内隧道工程项目首次采用,冻结法原理即利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,增加其强度和稳定性,隔绝地下水,以便进行地下工程掘砌作业。冻结法的主要风险,来自供冷不足或外部热源导致冻土范围、强度的退化,使地下水倒灌,造成项目灾难性的破坏。温度监控及预警,将成为影响项目成败的关键因素之一。

港珠澳大桥总设计师孟凡超

  中交公路规划设计院有限公司董事长、副总经理孟凡超,他是赫赫有名的全国工程勘察设计大师,他是桥梁界资深专家,他他主持设计的黄石长江公路大桥是国家重点工程,是国家公路干线312国道(上海至成都)上的特大型桥梁,是交通部自主设计、制造的第一座特大型桥梁,1999年竣工验收时被评为优良工程。他主持设计的西堠门大桥主跨1650米,其跨度在当时居于国内第一、世界第二,备受国内外桥梁界关注,是一座采用最新结构设计的双塔双索面非对称式两跨连续钢箱梁悬索桥。南京长江第二大桥为国家“九五”期间重点建设项目,他作为该桥预可行性研究、工程可行性研究项目总负责人之一,在主持研究工作中,提出了南京二桥建设桥位选择新生村桥位优于燕子矶桥位的结论;在桥型方案选择上,提出了采用三跨过江斜拉桥方案优于一跨过江斜拉桥的结论,有效降低了南京二桥的工程风险性,减少了工程投资。

三、港珠澳大桥设计阶段解决方案

  BIM技术在设计阶段主要有路线设计、BIM多专业协同设计、BIM模型出图、设计方案论证等多个方向的应用。

  1. 路线线形设计

  项目组将Autodesk Revit 软件与中交二公院自主研发的路线专家系统结合,利用路线专家系统的平面坐标、纵断面高程以及坡度计算等功能,生成用于 Autodesk Revit 建模的路线数据,采取二次开发 的手段,实现隧道路线三维实体的自动创建。


港珠澳大桥BIM多专业协同技术方案图

  图2 Autodesk Revit 创建隧道三维实体

  2. BIM多专业协同设计

  拱北隧道BIM建模项目由结构专业、交通工程专业、防排水工程专业及路基路面专业等四大专业协同设计完成。由于组成全专业拱北隧道BIM模型的构件较多,项目组建立企业级BIM构件管理系统,并将全部构件导入管理系统,形成中交二公院自主知识产权,为项目组协同管理、快速建立BIM模型起到积极作用。


港珠澳大桥BIM多专业协同技术方案图

  图3 BIM多专业协同技术方案图

  3. BIM隧道设计流程

  拱北隧道设计可以分为两类:工作井和特殊段建模,其BIM建模的主要流程有项目模板、标准构件、路线线形、横断面、管幕及附属构造,最后形成BIM设计成果。主要设计流程如下图所示:


港珠澳大桥BIM隧道工程设计流程图

  图4 港珠澳大桥BIM隧道工程设计流程图

  4. BIM模型与出图

  基于以上步骤,项目组完成了冻结曲线管幕、暗挖开挖断面345平方米拱北隧道BIM模型,以及东、西两侧工作井和周边主要建筑物拱北口岸BIM模型。通过BIM三维可视化直观的展示方式,有效解决项目挑战多部门协调难度大的问题。根据拱北隧道BIM模型出图,工作井施工图、衬砌施工图、管幕施工布置图等。


  图5 拱北隧道设计阶段模型

  5. 工作井选址方案

  采用三维BIM模型与实景照片相结合的方法,对避免口岸建筑拆迁、工作井进入澳门界内等问题,提供了论证方案。


  图6 工作井选址方案

  6. BIM三维设计平台与有限元分析系统集成

  通过软件二次开发,实现在BIM建模软件中导出工作井计算模型,与大型有限元分析软件结合,对围护结构进行三维仿真受力分析。从基坑开挖阶段到暗挖破墙阶段的坑内水平形变、竖向弯矩分析,计算结果变形最大值为14.2mm ,出现在开挖面中下部,最大弯矩699KN·m ,最大负弯矩-984KN·m,均满足设计要求。


工作井有限元分析图

  图7 工作井有限元分析图

  四、施工阶段解决方案

  BIM技术在施工阶段主要应用有建立暗挖段BIM施工模型、施工进度管理、漫游与工序模拟。

  1. 暗挖段BIM施工模型

  隧道暗挖段为保证施工安全,开挖断面共划分5个台阶15个分区,台阶高度约3.8m左右,长度约5m左右,主体结构以及支护构造物较为复杂。暗挖段BIM施工模型包含 初期支护、二次衬砌、三次衬砌,分为先仰拱、侧墙及中板、最后拱部、临时支撑、袖阀管劈裂注浆管,完成暗挖段全部模型后,可用于施工各个管理段。


拱北隧道暗挖段模型划分

  图8 拱北隧道暗挖段模型划分


拱北隧道施工模型

  图9 拱北隧道施工模型

  2. 施工进度管理

  拱北隧道项目工期要求严格,在总体进度控制框架下,由施工单位在征求各单位的意见后,编制总体进度计划;然后利用AutodeskNavisworks 软件强大的数据整合功能,将总体进度计划与BIM施工模型各构件相互关联,采用软件二次开发方式,实现拱北隧道施工进度管理系统。

  施工进度管理系统,整合工程项目各单位计划进度信息,在施工过程中重点监控进度执行情况,协助总体单位完成进度的动态控制,当系统采集的进度执行情况与计划情况不一致的时候,系统会主动提示并持续跟踪和反馈;4D施工模拟更是以可视化的方式,向众多参与方,集成展示整个项目的总体进度情况,严格控制工期起到重要作用。


拱北隧道BIM施工进度管理

  图10 拱北隧道施工进度管理

  3. 漫游与工序模拟

  拱北隧道工程复杂,主要对复杂工点进行工序模拟,利用游戏引擎强大的展示功能,制作三维施工工序模拟,可以直观浏览、检查和方案的修改,有效应对拱北隧道工程项目工序复杂的挑战。

工作井工序模拟

  图11 工作井工序模拟

五、项目创新

  经过充分的调研和专家咨询,项目组针对拱北冻结法施工,结合BIM技术特点,制定了管幕冻结设计方案,开发了管幕温度监控系统。为配合暗挖施工,冻结管幕横断面上分为A ,B1,B2 ,B3 ,C五个区。为控制土体的冻胀效应,采用控制性冻结施工,并在冻结A区及局部敏感区域采用注浆改良冻结法。同时,分别在各区安装温度传感器,以便掌控温度的变化情况。'

港珠澳大桥管幕温度监测点布置图

  图12 管幕温度监测点布置图

  拱北隧道冻结法管幕温度监控系统,首先需要建立冻结管、监测点BIM模型。然后,对监测点进行编号,将温度采集数据与BIM模型构件关联。管幕温度监控系统,实现温度数据关联、温度变化趋势查询、温度预警以及风险定位等功能。相对于传统模式,基于BIM技术的管幕温度监控系统可以结合三维模型对于历史数据、监测点位置等多个方面进行综合分析,可以更加准确、及时定位于风险的位置,使项目的安全与质量得到提升。

拱北隧道冻结法管幕温度监控系统

图13 拱北隧道冻结法管幕温度监控系统

  六、结语

  为了规范建立BIM三维建模,项目组制定了中交二公院隧道BIM的建模标准、应用标准、协同标准及交付标准,并研发了企业级BIM 构件管理系统。形成中交二公院自主知识产权,为BIM技术在中交二公院工程项目中的应用与推广起到积极作用。

  在建立隧道横断面和道路路线的BIM模型时候非常困难,项目组将Autodesk Revit 建模软件与中交二公院自主研发的路线专家系统结合,自动创建三维线形实体。拱北隧道BIM 建模项目由四大专业协同设计完成。最终建立 隧道BIM 构件308个,并全部录入企业级BIM族库管理系统,形成中交二公院自主知识产权,并为项目组协同管理、快速建立BIM模型起到积极作用。

  隧道BIM技术应用尚处于初始阶段,面临着各种各样的难题,中交二公院将继续实施BIM技术研究推广应用的战略,积极参与编制技术标准、研发关键技术、构建技术共享平台、提供公共信息服务。只有这样才能使BIM技术释放出更大的力量,从而推动工程行业技术不断进步,获得更大的经济和社会效益。

  目前,正是中国交建企业由传统二维平面设计向空间BIM三维技术战略转型的重要阶段,中交二公院作为路桥及隧道工程方面,我国公路勘察设计行业综合实力最强的企业之一。拟将BIM 技术在拱北隧道项目中的成功经验及应用成果扩展到其它工程领域,更进一步推广到整个中国交建的业务领域,助推中国交建向空间BIM 三维技术转型目标的实现。探索基于BIM技术的全新工作模式与方法,更可以提高中国交建的技术水平,使其在设计、施工、投资领域再创新业绩、再上新台阶。

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