BIM在城市地下管線遷改全過(guò)程管理中的應(yīng)用

毛寨漢，李凱彬，盧書桃，甘杰文，王震宇，張凱珊

(1.廣州市道路擴(kuò)建工程管理中心，廣東 廣州 510030； 2.廣州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣東 廣州 510030；3.廣州市建設(shè)工程拆遷有限公司，廣東 廣州 510230)

1 引 言

隨著城市空間快速更新，城市管網(wǎng)信息化建設(shè)與管理要求不斷提高。當(dāng)前城市地下管線信息化管理常常基于GIS數(shù)據(jù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了城市管線使用和維護(hù)信息化應(yīng)用[1]，但由于傳統(tǒng)GIS缺乏建筑建設(shè)信息數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)接建筑建設(shè)過(guò)程，難以滿足城市快速更新進(jìn)程下管線拆改快速設(shè)計(jì)、建造與歸檔的需求[2]。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)的應(yīng)用將推動(dòng)建筑業(yè)進(jìn)入信息時(shí)代，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的精細(xì)化管理。BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的簡(jiǎn)稱，是對(duì)新建建筑、既有建筑的幾何特性、物理特性及功能特性的數(shù)字化呈現(xiàn)，即通過(guò)信息模型對(duì)建筑實(shí)體進(jìn)行可視化的表達(dá)[3]。三維參數(shù)化信息模型是BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)，所有操作和應(yīng)用都是在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，模型是基于同一信息平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)建和完善，可使多專業(yè)協(xié)同工作，貫穿于項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化排布和自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量及出圖等優(yōu)勢(shì)[4]。

BIM技術(shù)應(yīng)用于城市地下管線，可實(shí)現(xiàn)地下管線三維可視化、精細(xì)化的分析管理，通過(guò)BIM+GIS的結(jié)合應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)管線遷改工程的規(guī)劃編制和審查(包括包含管線容量、管徑、位置及附屬設(shè)施等)，落實(shí)管線綜合規(guī)劃，充分考慮管線遷改的可實(shí)施性，為管線遷改提供了新的技術(shù)方法，極大提高城市管線遷改效率[5]。國(guó)家與地方政府先后出臺(tái)了BIM技術(shù)落地政策，極大推動(dòng)BIM的發(fā)展，為BIM技術(shù)應(yīng)用于城市管線管理創(chuàng)造了良好環(huán)境[6]。而城市管線復(fù)雜，建模效率較低，且當(dāng)前形成的BIM應(yīng)用體系主要是基于建筑工程領(lǐng)域，而城市管線工程具有獨(dú)特的應(yīng)用環(huán)境和需求，直接應(yīng)用效果不佳[7]。

本文以廣州某隧道工程管線遷改項(xiàng)目為例，開展地下管線全過(guò)程全階段的技術(shù)應(yīng)用體系研究，并針對(duì)管線應(yīng)用需求，通過(guò)BIM二次開發(fā)創(chuàng)建自動(dòng)化建模工具與主體工程碰撞管線工程量快速統(tǒng)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)管線模型自動(dòng)創(chuàng)建與碰撞拆改管線工程量的快速生成，解決復(fù)雜城市管網(wǎng)BIM應(yīng)用體系不完善，建模效率低，工具匱乏等問(wèn)題，為后續(xù)地下管線BIM應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 工程概況

該項(xiàng)目為廣州市某隧道工程地下管線遷改項(xiàng)目，位于天河區(qū)和海珠區(qū)，隧道橫穿珠江，全長(zhǎng) 2.1 km，工程范圍地勢(shì)比較平坦，規(guī)劃區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀管線包括雨水、污水、電力、通信、給水、燃?xì)獾葘I(yè)管線。管線綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則為充分利用現(xiàn)有工程管線，在滿足現(xiàn)行規(guī)范和不影響隧道工程施工前提下，盡可能保護(hù)現(xiàn)有工程管線不做遷移，并應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)管線遷改工程的施工協(xié)調(diào)，避免道路反復(fù)開挖，以節(jié)約工程投資。

3 管線遷改全過(guò)程BIM應(yīng)用

BIM技術(shù)在建筑工程中應(yīng)用廣泛，而其在全過(guò)程應(yīng)用可更大發(fā)揮其預(yù)演預(yù)排、信息追溯的價(jià)值。本文針對(duì)管線遷改過(guò)程各階段需求進(jìn)行分析，管線遷改全過(guò)程BIM技術(shù)應(yīng)用應(yīng)包括管線遷改設(shè)計(jì)、施工、保護(hù)及竣工交付等過(guò)程，圖1為城市地下管線遷改全過(guò)程BIM應(yīng)用的技術(shù)流程。

圖1 BIM技術(shù)在管線遷改中的應(yīng)用流程

3.1 BIM模型自動(dòng)化創(chuàng)建

模型創(chuàng)建之前，根據(jù)管線遷改項(xiàng)目的建模需求，對(duì)管線、管件及附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化族(數(shù)據(jù)庫(kù))創(chuàng)建和整理，形成標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)，尤其是參數(shù)化模型，可結(jié)合二次開發(fā)以便管線批量化建模，極大提高地下管線模型創(chuàng)建效率。本項(xiàng)目建立族庫(kù)包括窖井、閥門、水表、連接件等，約20多種(圖2)。模型的放置中心、尺寸均進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行參數(shù)修改，極大便利了管線建模需求。

圖2 BIM族

基于上述族庫(kù)，通過(guò)BIM二次開發(fā)管線自動(dòng)建模工具提取CAD數(shù)據(jù)或管線GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，快速獲取管線類型、放置位置、尺寸等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管線模型的快速生成。管線采用專業(yè)建模，生成污水、雨水、電力、電信、給水、燃?xì)獾?個(gè)專業(yè)管線BIM模型，以便模型管理。為便于分析管線埋深及遷改管線與主體的位置關(guān)系，還應(yīng)創(chuàng)建地形BIM模型與主體隧道工程BIM模型，地形模型與主體隧道模型基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)或圖紙創(chuàng)建，并與管線基于統(tǒng)一的坐標(biāo)系進(jìn)行合并，形成整合模型(圖3)。

圖3 管線BIM渲染圖

3.2 遷改設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用

(1)既有管線拆改分析

既有管線拆改分析是根據(jù)既有管線模型與隧道主體模型，并以隧道主體，考慮平面 5 m的合理施工緩沖范圍，應(yīng)用BIM可視化技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確全面自動(dòng)的碰撞檢查分析，查找到各專業(yè)管線與隧道出口存在多處碰撞，并進(jìn)行匯總整理為拆改分析報(bào)告，為管線綜合設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的拆改位置(圖4)。BIM拆改分析效率高，且碰撞為三維空間碰撞關(guān)系，減少了二維平面疊圖的誤判。

圖4 隧道出口管線碰撞

(2)管線綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)拆改分析報(bào)告以及管線規(guī)劃設(shè)計(jì)原則，對(duì)管線模型進(jìn)行遷改調(diào)整，避讓主體工程，生成管線遷改模型。管線優(yōu)化遵循有壓管道讓無(wú)壓管道、埋管淺的管道讓埋管深的管道、單管讓雙管、柔性材料管道讓剛性材料管道等原則。而不同類型管線根據(jù)規(guī)范要求需設(shè)置一定安全保護(hù)距離。

(3)工程量計(jì)算

工程量計(jì)算是工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)性工作，貫穿項(xiàng)目全生命期，是工程計(jì)價(jià)、成本管控與資源調(diào)配的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)管線BIM模型深化和完善構(gòu)件屬性參數(shù)，如狀態(tài)參數(shù)(賦值為現(xiàn)狀、拆除或規(guī)劃)、材質(zhì)、尺寸、埋深等影響算量的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)工程量計(jì)算要求設(shè)定計(jì)算規(guī)則、扣減關(guān)系，建立符合工程量計(jì)算要求的模型，利用配套軟件進(jìn)行工程量計(jì)算，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)模型和工程量計(jì)算無(wú)縫對(duì)接，極大提高工程量計(jì)算的效率與準(zhǔn)確性。

圖5 管線BIM工程量

(4)管線出圖

依據(jù)遷改后管線BIM模型，利用BIM軟件單獨(dú)創(chuàng)建各專業(yè)管線拆改視圖，并參考線性相關(guān)規(guī)范，為不同專業(yè)設(shè)置顏色分別為污水、雨水、電力、電信、給水、燃?xì)獾裙芫€建模，根據(jù)實(shí)際情況與地下管線探測(cè)規(guī)范、出圖規(guī)范生成不同類型的圖紙二維圖紙，如圖6所示，和三維視圖，為施工現(xiàn)場(chǎng)和線型主體工程的決策之用。

圖6 管線遷改后BIM模型二維出圖

3.3 遷改施工綜合應(yīng)用

(1)遷改模擬與方案優(yōu)化

通過(guò)在管線BIM模型的基礎(chǔ)上附加建造過(guò)程、施工順序等信息，進(jìn)行管線遷改進(jìn)行可視化模擬，并充分利用建筑信息模型對(duì)遷改方案進(jìn)行分析和優(yōu)化，減少現(xiàn)場(chǎng)管線搬遷次數(shù)和材料浪費(fèi)，提高方案審核的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，如圖7所示。

圖7 BIM遷改模擬

(2)遷改進(jìn)度與質(zhì)量管理

基于BIM技術(shù)的進(jìn)度與質(zhì)量管理是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)遷改施工情況與模型的比對(duì)，找出進(jìn)度與質(zhì)量偏差，并分析原因，采取對(duì)應(yīng)措施，降低控制進(jìn)度與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量的合理控制的目標(biāo)。結(jié)合虛擬設(shè)計(jì)與施工(VDC)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、三維激光掃描(LS)、施工監(jiān)控及可視化中心(CMVC)等技術(shù)，對(duì)項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度和質(zhì)量進(jìn)行有效的跟蹤和控制。通過(guò)實(shí)際進(jìn)度質(zhì)量與計(jì)劃間對(duì)比分析，對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)整以及更新目標(biāo)計(jì)劃，以達(dá)到多方平衡，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度質(zhì)量管理的最終目的，并生成施工進(jìn)度控制報(bào)告與施工質(zhì)量控制報(bào)告。

3.4 竣工測(cè)量驗(yàn)收交付

在管線遷改項(xiàng)目覆土前應(yīng)當(dāng)竣工測(cè)量。2017年廣州市地下管線建設(shè)項(xiàng)目達(dá) 1 059個(gè)，測(cè)量時(shí)效性，強(qiáng)探測(cè)定位、測(cè)量精度要求高。首先，收集遷改項(xiàng)目設(shè)計(jì)模型與竣工測(cè)量信息數(shù)據(jù)，并對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，形成包含設(shè)計(jì)、施工與測(cè)量過(guò)程的完整信息竣工模型，并將管線遷改竣工BIM模型數(shù)據(jù)輸出符合廣州市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)入庫(kù)要求的竣工管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息，如實(shí)際起點(diǎn)位置與終點(diǎn)位置，導(dǎo)出竣工管線數(shù)據(jù)表(如表1所示)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新與永久存檔?；诳⒐IM模型輸出的竣工管線數(shù)據(jù)表還可以直接導(dǎo)入廣州市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)廣州市地下管線信息的動(dòng)態(tài)更新。

竣工管線數(shù)據(jù)表 表1

4 BIM自動(dòng)化工具研究

4.1 三維自動(dòng)建模工具

城市地下管線專業(yè)廣、數(shù)量多，人工創(chuàng)建管線BIM模型效率低下，且易出錯(cuò)。因此本項(xiàng)目在管線建模過(guò)程中，分析管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，尋找規(guī)律，并通過(guò)BIM軟件二次開發(fā)生成三維管線自動(dòng)建模工具，一鍵生成各專業(yè)管線BIM模型。生成的構(gòu)件數(shù)據(jù)屬性表，具有構(gòu)件編碼、專業(yè)、類別、平面位置、高程、材質(zhì)等參數(shù)，自動(dòng)通過(guò)Revit二次開發(fā)管線建模工具可直接拾取屬性表中參數(shù)，自動(dòng)批量創(chuàng)建管線點(diǎn)BIM模型。

4.2 自動(dòng)碰撞工程量統(tǒng)計(jì)工具

在管線遷改應(yīng)用過(guò)程中，與主體工程碰撞的管線的工程量可直接用于管線拆除的工程量分析，具有十分重要的作用。在BIM軟件中可快速按各專業(yè)、管徑統(tǒng)計(jì)管線工程量，也可快速查找與主體碰撞管線，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)主體工程碰撞的管線的工程量。究其原因，BIM軟件工程量統(tǒng)計(jì)需基于設(shè)定參數(shù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，而碰撞分析過(guò)程中，只會(huì)顯示碰撞管線，卻未對(duì)其添加參數(shù)，因此無(wú)法對(duì)管線進(jìn)行篩選統(tǒng)計(jì)。為提高工程量分類統(tǒng)計(jì)工作效率，通過(guò)工具研發(fā)實(shí)現(xiàn)快速提取與主體工程碰撞的拆除管線工程量。具體分以下三步進(jìn)行：

(1)現(xiàn)狀各專業(yè)管線模型創(chuàng)建完成后，統(tǒng)一添加狀態(tài)屬性并賦值為現(xiàn)狀，并根據(jù)專業(yè)、狀態(tài)等關(guān)鍵屬性創(chuàng)建工程量表，如圖8所示。

圖8 BIM管線工程量

(2)通過(guò)Revit二次開發(fā)工具，選擇主體模型自動(dòng)查找與其碰撞的管線，并對(duì)碰撞管線狀態(tài)屬性值進(jìn)行修改，修改為拆除。

(3)通過(guò)主流的BIM建模軟件Revit，便可直接統(tǒng)計(jì)狀態(tài)為拆除的管線工程量(圖9)，即實(shí)現(xiàn)快速提取碰撞拆改管線工程量。

圖9 BIM管線數(shù)據(jù)庫(kù)

5 結(jié)論與展望

本文以廣州某隧道工程管線遷改工程案例開展設(shè)計(jì)、施工及竣工交付各階段BIM技術(shù)應(yīng)用研究，包括管線BIM模型的創(chuàng)建、碰撞分析、遷改模擬、工程量統(tǒng)計(jì)等應(yīng)用，形成了地下管線的全過(guò)程BIM應(yīng)用體系，可供后續(xù)項(xiàng)目應(yīng)用提供參考。此外，針對(duì)管線BIM建模效率低，項(xiàng)目工程量統(tǒng)計(jì)困難等問(wèn)題，進(jìn)行二次開發(fā)大大提高了管線應(yīng)用的效率，為BIM技術(shù)在城市地下管線應(yīng)用領(lǐng)域推廣提供便利。

未來(lái)，將結(jié)合《廣州市城鄉(xiāng)規(guī)劃技術(shù)規(guī)定》和相關(guān)文件，應(yīng)用于管線摸查工作。通過(guò)地下管線3D模型快速創(chuàng)建、碰撞分析、實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)生成、路由自動(dòng)布設(shè)、工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、快速計(jì)算遷改工程量，自動(dòng)生成遷改估算與摸查報(bào)告等功能，極大地實(shí)現(xiàn)摸查工作的可視化與自動(dòng)化，解放人工成本，提高效率與準(zhǔn)確性。使廣州市地下管線摸查工作能夠?qū)崿F(xiàn)“方案可視化、工作自動(dòng)化”。