港珠澳大桥澳门口岸工程中市政标段管线约35万m, 各类检查井1 600多座, 管井规格、造型繁杂。另外管线工程周边建筑物密集, 碰撞问题非常显著, 加上该项目工期特别紧张, 给管线施工带来极大难度。

为满足管线施工进度需要, 项目部决定采用预制装配式检查井施工方案。传统二维设计解决如此复杂检查井参数并用于预制加工生产, 效率低下且难以保证开孔预留精度。基于BIM参数化设计软件, 设置检查井设计参数驱动生成3D检查井, 在市政管线综合解决碰撞后的优化管线模型基础上提取检查井模型数据用于预制生产施工, 可避免安装过程中反复凿补, 为项目进展争取时间, 保证施工质量及节约施工成本。

排水管线设计检查井选型规格种类不一, 涉及方形井、扇形井、圆形井、小方井, 其中方形井又分为直通、三通和四通 (见图1～4) 。由覆土深度、接入管道规格及管道数目等设计参数决定选用检查井种类和规格。

传统二维市政管线设计未能直观反映预制井的相关参数, 未能较好地完成管井对接部位的深化工作, 所提供的信息亦未能达到预制加工所需求的精度, 同时所投入的时间、人力非常大。基于BIM三维设计软件Autodesk Revit可以很好地进行排水管线的深化, 在市政管线综合优化后, 保证深化成果, 提取管线模型中检查井数据, 辅助预制加工。

族是Autodesk Revit中一个非常重要的概念, 通过参数化族的创建, 可以像AutoCAD中的块一样, 在工程设计中大量复用, 提高三维设计效率。参数化族可以分为以下两类:标准参数化族和自定义参数化族。标准参数化族是将预先定义好的标准数据系列 (如产品样本中针对不同型号产品给出的外形尺寸数据) 作为驱动参数而创建出来的族, 每个族类型对应唯一的一个数据组, 所有族类型均在同一模型基础上实现参数驱动^[1], 主要应用于具有标准规格和尺寸的设备或构件族的创建。

检查井构件划分:井盖、井座、井筒、井室盖板、井室^[2], 混凝土检查井的组成构件如图5所示。整座井身拆分为可预制的构件, 现场施工时以搭积木方式拼接安装形成排水检查井。

为方便支模、浇筑及考虑设备调运能力, 将井室与盖板进行分别预制。井筒预制构件分为最下一节、标准节 (1m高) 、调节节段 (50cm高) , 现场施工时用C30素混凝土浇筑找平井盖与路面平齐, 找平节段高度≤50cm。井座为标准构件, 无尺寸规格变化。

目前市面未有专门针对市政构筑物参数化设计的软件, 考虑Autodesk Revit软件的参数驱动形体强大, 用常规模型族模块制作检查井3D模型。利用Autodesk Revit的常规模型族样板, 使用参照面, 驱动参照面从而驱动参照面上的线、面和体。在族编辑器中布局参照平面;并根据需要, 添加尺寸标注;然后为尺寸标注添加标签创建参数, 参数名与设计资料表达一致, 分别设置好井室构件几何参数A, B, b, H及开孔直径, 非几何参数混凝土材质、标记;井盖几何参数长、宽、厚度、开孔直径, 非几何参数混凝土材质信息;井筒几何参数高度、壁厚, 混凝土材质, 井座;添加到几何图形, 并将该几何图形锁定到参照平面。

考虑各预制构件形体参数设置, 按照检查井大样尺寸及构件拆分, 设置构件形体参数族模板, 利用参数运算公式设置并传递参数, 如图6所示。

考虑到每种检查井类型对应着一系列不同参数组, 为了提高制作不同参数族的效率, 采用txt文件数据进行参数驱动生成构件族。首先将欲创建的族的各类型对应的数据制作成数据表, 将检查井设计参数 (见表1) 按照参数格式制作成txt数据源;其次在建立模型的过程中创建参数与数据表中的参数一一对应;最后对每一组类型参数进行调试, 保证每一个族类型都可进行参数化驱动。

在检查井各拆分构件建立参数族后, 将检查井各预制构件建立形成单个族模块, 以嵌套族的方式将各构件拼接形成整座检查井族, 导入Autodesk Revit项目文件构建整个排水系统BIM模型。

选取对应井族布置检查井BIM模型, 井中心对准坐标点, 摆向调整满足井与下游管道正交原则摆正井位, 设置井内底标高及埋深参数, 并按CAD底图进行标记检查井编号, 逐步建立整个澳门口岸排水管线BIM模型 (见图7) 。

检查井井底标高由出水管管内底标高决定, 录入井底标高数据;由地面标高扣除井底标高得到埋深并录入;在参数驱动预生成检查井的同时, 对于覆土太浅的井会进行报错, 无法生成。重新优化井室高度, 按设计意见酌情减少, 但是由于预制厂采用钢模预制, 为了预制每种不同的规格需要花大量时间去调整, 影响生产效率, 故针对覆土太浅情况, 筛选出来该批量数据, 考虑到排水管道接入和井筒、井座布置时所需的富余值, 经分析后, 将井室高度H调整为1.2m和1.4m两档批次, 用于批次生产。

预制检查井最为紧要的是确定井的开孔数目、位置及尺寸, 避免漏错留洞而造成的后期凿补。井所接入管道规格、进水管及出水管标高、管道之间的夹角, 决定井室预制时孔洞留口, 按设计图纸将这些参数信息录入BIM模型。对于参数数据无法驱动生成井模型的, 及时找出不合理的参数并调试优化, 找到合适的规格井。此外, 当井筒剩余高度不足以接入道路两旁雨水篦或集水井出水管道时, 需将该种管从检查井井室接入;对于井筒高度h₂<0.8m的检查井, 在井室处增加孔道开口;在BIM模型中筛选出井筒高度h₂<0.8m的检查井, 排查其是否需接入雨水篦或集水井, 若有, 将这类开孔位置、数目、标高等参数信息添加至检查井。

现场施工时井位的平面、标高空间位置挪动都会引起井室孔口的凿补。在建立排水管线模型过程中已经发现设计存在诸多不合理的地方, 如:按实际尺寸建立检查井布置后发现和房建基础、其他市政管线碰撞的情况;排水管道和房建基础、其他市政管线碰撞的情况。将排水模型和结构建筑物、市政管线模型进行全专业碰撞检查, 发现冲突干涉问题。Autodesk Navisworks可以交互Revit数据格式模型文件, 将源数据模型轻量化, 进行全专业整合协作, 运行碰撞检测。检查发现排水BIM模型和结构建筑物基础存在92处碰撞, 排水BIM模型和其他市政管线存在367处碰撞。将碰撞情况制作成碰撞报告、建议方案文本反馈至设计院, 最终实现解决碰撞并深化排水设计, 使得模型数据高度准确能够直接指导加工, 如图8, 9所示。

在排水BIM模型与其他市政管线碰撞检查并进行管综优化后, 利用Autodesk Revit明细表功能直接提取井室加工生产数据 (见表2) 。对已编排的井号筛选出尺寸规格为700mm×700mm, 1 200mm, 1 200mm, 1 400mm, 1 200mm, 1 600mm, 1 200mm的方形井, 圆形井、扇形井, 用于加工。

Autodesk Revit软件具备强大的数据库处理功能, 可以任意设置添加设计参数信息, 如图10所示。通过软件明细表功能统计, 提取参数信息, 并将表格导出。

为避免预制厂预制次序混乱, 切实做好台账, 根据施工作业面提交先后组织预制井生产作业活动。以检查井的编号作为ID, 对已经预制成型的检查井进行标记, 对管道开口进行标识, 这样就能将预制井吊装在正确的坐标位置及按正确的方位摆放。

利用BIM技术在井口施工前进行模拟安装, 可以预知现有工作面是否满足井口施工, 选择的施工机械是否合适。通过对项目建设活动过程的动画模拟, 施工未动BIM先行, 提前发现并解决问题, 为施工工期保驾护航。

BIM软件之间可以很好地实现数据共享, 将建立好的BIM模型交互到Fuzor, 按照项目施工组织计划方案对项目进行虚拟建造。根据施工组织计划作业代码项, 甄别可挂接实体BIM模型作业子项并进行挂接, 设置施工作业车辆、施工机具设备、吊装作业等脚本动画, 附加到时间轴, 生成4D动画。

境内上落客平台先施工1层顶板结构, 后施工顶板下部路面的管线。该区域井口吊装受框架柱、梁、板的限制, 需考虑挖掘机的操作空间。利用BIM技术可模型性, 重点关注预制井吊装, 对上落客平台区域的井口施工进行精细化模拟仿真, 查找施工过程中可能存在的动态干涉, 从而提前做好应对措施, 如选择合适的施工机具、规划吊装作业路线及施工次序, 如图11所示。

基于港珠澳大桥澳门口岸工程的特殊性, 通过利用BIM技术, 自定义的检查井构件族, 充分考虑 了适用性而设置的参数变量, 为本工程检查井预制生产提供了确切数据支撑。同时口岸现场预制装配式井口的安装情况也反映了BIM技术在本工程运用取得的巨大成功, 现场管井对接基本无错漏, 提前预制为管线施工争取了宝贵时间。

1) BIM技术能够处理并组织繁杂的设计信息, 弥补二维设计的不足。参数化设计各预制构件, 在BIM模型中将预制井数据生成情况充分验证, 对可能发生的问题提前暴露并进一步优化, 利用BIM技术的专业协同性, 整合全专业BIM模型, 查找碰撞干涉, 使得管线碰撞得以提前解决, 有效避免因预制井留孔位置及数目而造成凿补现象, 提高施工质量, 给项目带来切实效益。

2) 利用BIM技术的可模型性, 对生产组织活动进行预演, 提前辨识施工组织安排存在的问题, 优化施工组织次序, 避免不合理安排造成作业干涉导致怠工、窝工。利用Autodesk Revit强大的数据库录入、输出功能, 从优化完善的排水BIM模型中直接提取加工数据, 指导预制加工, 可大大提高了工作效率。

3) 族库是Autodesk Revit平台核心建模软件的宝贵财富, BIM技术在本工程中应用积累的市政构筑物族库, 在以后类似项目应用中可以方便调取, 提高建模效率, 将为BIM工作开展发挥巨大作用。