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BIM在城市地下空間開發中的應用

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地下空間工程是指在地面以下的巖體或土層中修建地下建(構)筑物的工程,包括交通運輸工程、工業與民用工程、市政工程及地下綜合體,在解決土地緊張、交通擁堵、能源浪費、環境污染等問題中發揮了重要作用,是我國城市建設和改造的重要部分。


縱觀漫長的歷史,人類從來沒忽視過地下空間的開發價值,盡管不同歷史階段的文明各有特點,但在爭取生存的過程中,人們都不同程度地利用著地下空間。從原始“穴居”到突尼斯瑪特瑪塔的“地下村莊”,從中國西北下沉式“窯洞”到現在的“地下都市”,地下空間利用的深度及廣度不斷得到深化和發展。


突尼斯:馬特馬塔“地下村”


隨著城市化進程加快,我國地下空間工程建設發展迅速,改善了城市交通環境,節約了土地資源。但由于地下工程多屬隱蔽工程,項目的規劃、設計、施工等存在諸多問題。

1. 缺乏科學、系統的規劃

2. 協同設計體系與技術規范不完善

3. 施工信息管理手段落后

4. 運營維護難度大

如今,BIM技術已在我國地面建筑許多項目中得到了成功應用;在城市地下空間開發中,BIM技術的案例多集中在城市地下交通。


我國地下空間開發多為地鐵衍生項目

要充分開發利用地下空間,需通過BIM技術實現信息建模,并應用到地下空間工程的各個階段。


前期規劃階段

BIM應用于地下空間規劃,旨在建立一個信息模型。該模型能反映擬建工程的地下空間環境,包括地下空間資源數量、周邊已有地下建筑物以及地下管網系統布局。在此基礎上,分析擬建工程與已有工程的相互關系,利用BIM系列軟件強大的建模、渲染和動畫技術進行多方案3D模型的預演,合理選擇擬建地下工程的空間布局、結構形式,并構建資源系統、市政系統、環境系統的城市地下空間規劃指標體系,從而使地下空間總體規劃定性控制定量化,定量控制具體化,定位控制準確,增強總體規劃的科學性、合理性和可行性。


設計階段

地下空間工程設計主要包括總平面設計、建筑細部設計、結構設計和機電系統設計等。設計決定地下空間工程建成后的工程實體能否發揮其設計功能。利用BIM技術,進行合理設計,預留維修空間,合理布置地下管線,便于后期的順利施工和運營維護。


三維建模是BIM技術與地下空間工程設計有效結合的前提。整合參數化設計等BIM技術優勢,制定全面并具有可實施性的應用流程,構建全生命周期的BIM設計平臺,在BIM三維環境中進行設計、分析與優化。



基于BIM的設計流程


各專業、各流程軟件數據交互,保證設計數據能夠通過模型正確共享。每個設計對象都有各自的設計變量,不同設計變量之間的關系構成約束?;谶@些約束,應用沖突檢測工具檢測模型中存在的沖突,快速地發現BIM模型中個專業內部及各專業之間存在的空間碰撞,并形成碰撞報告。對模型進行同步修改,減少設計人員的重復勞動和錯誤率。


另外,運用Cloud-BIM技術,將BIM所需的軟件、存儲能力、運算能力分布于云端,在云端實現模型的創建、展示、碰撞檢測等功能?;诘叵驴臻g工程協同設計的需要,構建協同設計平臺架構,使用云端上的數據及軟件進行協同設計與分析。充分利用BIM模型信息,避免重復建模,實現高效設計。


施工階段

在地下空間工程施工中,施工信息化在工程進度、物料追蹤、可視化管理等方面的優勢凸顯。按照IFC標準定義地下建筑構件、組織地下空間結構,提供3D建模。創建、編輯材料、進度、成本、質量和安全等施工屬性,并與3D模型相關聯。將包含工程屬性的施工BIM模型導出為IFC文件,供BIM施工管理系統使用。



施工進度動態模擬

BIM技術的4D(3D+Time)模擬建造過程能實現對施工進度的查詢和調整、監控。將施工過程中的材料、勞動力和成本等信息輸入BIM施工模型中,進行施工進度模擬,對比實際進度和計劃進度,分析進度偏差,結合現場情況對施工計劃進行實時調整。


物料追蹤管理

通過BIM技術的4D關聯數據庫,及時獲得施工過程基礎數據,為制定采購計劃、限額領料等提供快速、準確的數據支撐。借鑒物流行業的成熟經驗,利用RFID技術的物流管理信息系統,結合BIM模型多維數據庫中建筑物、構件和設備的所有信息,實現對物料跟蹤管理。


可視化管理

將施工各階段、各專業的信息集成到Autodesk Navisworks Manage施工可視化分析平臺,利用BIM可視化技術進行工程施工進度動態展示;生成施工過程中動態的資源需求量及消耗量報告,分析各階段的資源分配情況;結合結構分解編碼與BIM模型,得到成本動態模型,繪制成本動態"直方圖",監控支出情況;利用3D模型進行施工場地動態布置,賦予各施工設施4D屬性信息?;谝陨霞夹g,實現對施工過程的進度、資源、成本和場地管理。


運營維護階段

集成設備的基本信息、合同信息、成本信息和運行維護管理信息,使用Architecture軟件建立BIM設備模型,通過Autodesk Revit軟件的開放數據庫互連,形成一個包含BIM模型中設備信息的初始運維管理數據庫。結合BIM模型和設備運維數據庫建立一個基于BIM的設備運行維護管理模型,實現對地下工程設備運行維護階段的可視化管理。地下空間多是人員集中的場所,要合理安排突發狀況下的人員疏散,結合BIM模型的子系統對突發狀況的預警和人員的疏散提供信息。


系統分析

系統分析就是按照業主需求和設計規定,衡量地下工程性能,對機械操作、能耗分析、人流分析、照明分析、內外部氣流模擬等工程項目性能進行評估。將系統分析軟件結合到BIM模型中,采用同一模型和系統參數,通過分析模擬對系統參數進行相應的確定或修改,甚至制定系統改造計劃,從而提高地下工程項目的性能。


災害應急模擬

結合災害分析模擬軟件和BIM技術,模擬災害發生的過程,分析災害發生的原因,幫助制定災害應急預案。災害發生時,利用BIM設備運行維護模型,能清晰地展現出緊急狀況點的位置,設計最合理路線,及時疏散人群,幫助救援人員做出最準確的應急措施,提高應急能力。

延伸閱讀:地下空間開發利用的國際化趨勢

美國波士頓:道路地下化

波士頓中央大道,經歷了由高架道路到地下道路的地下化過程。這個工程被稱為美國有史以來工程量最大、工期最長、資金投入最多的市政工程,驗證了城市道路及高架道路的地下化趨勢。


由于寒冷的氣候,蒙特利爾居民的地面出行多有不便。依靠1972年蒙特利爾世博會的成功舉行,開發了大規模的地下綜合體。如今,蒙特利爾已建成世界最長的地下步行系統。


共同溝,又名綜合管廊,最早形成于巴黎。經過幾十年發展,在日本達到成熟階段。日本東京的共同溝的長度在世界各大城市中排名榜首,在規劃、設計、施工、管理、營運等方面自上而下和自下而上已形成了一整套完整的法律、法規、規定、辦法。



巴黎最早的地下空間開發為廢棄礦穴的再利用。利用幾個世紀之前挖掘的廢棄礦井布置城市下水道、防空防災設施,并于1890年成功用于巴黎世博會中國館與印度館的設置,取得了轟動效應。

通過BIM技術充分實現地下空間工程全生命周期各個階段的信息數字化,從而合理規劃、優化設計流程、提高工程施工質量、簡化運營管理。目前,BIM技術在我國城市地下空間開發和利用的運用尚處在起步階段,應用的內容比較少,層次不深,需要不斷地研究和應用來推動深層次的應用。


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