BIM技術(shù)解決海綿城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維中存在的問題

高寧，楊永紅，張紫紅，王烘艷，盧輝

（西安交通工程學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市中的自然下墊面被屋面、道路、廣場等灰色設(shè)施代替，城市下墊面過度硬化，導(dǎo)致雨水徑流和匯流峰值增大，也帶來了水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化、水澇災(zāi)害頻發(fā)、城市熱島效應(yīng)等一系列問題。

海綿城市作為城市涉水問題綜合治理措施，涉及面廣、內(nèi)容繁多，是一項(xiàng)大型綜合性工程，該工程的規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維難度較大。迄今為止，影象和圖片，文字或電子表格在海綿城市的規(guī)劃、建設(shè)工作的開展中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]，上述手段的不足主要有效率不高、運(yùn)營和建設(shè)進(jìn)度不能夠及時(shí)掌握，數(shù)據(jù)不連續(xù)，展示效果抽象等。BIM技術(shù)的發(fā)展為海綿城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維管理提供了可能，目前關(guān)于利用BIM技術(shù)對海綿城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)管控，研究較少。文章的研究核心圍繞BIM技術(shù)如何在海綿城市規(guī)劃建設(shè)應(yīng)用來展開。

1 海綿城市簡介

“海綿城市”是在廣泛汲取國外涉水系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，并注重我國城市快速化發(fā)展需求的基礎(chǔ)上提出的綠色發(fā)展理念。近年來《海綿城市建設(shè)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》在住建部公開發(fā)表，海綿城市指城市能夠擁有海綿類似的特性，能夠有效地應(yīng)對自然條件變化，針對緩解自然災(zāi)害也能起到很好的效果，降水時(shí)能做到雨水的吸收、蓄存、滲透和凈化，缺水時(shí)可將水進(jìn)行有效的釋放，緩解干旱帶來的不利影響。從城市雨洪管理角度出發(fā)，海綿城市是一種可持續(xù)的城市發(fā)展模式，其內(nèi)涵為現(xiàn)代城市應(yīng)該像海綿一樣能夠?qū)⒂晁Y源吸納、凈化和利用，同時(shí)在應(yīng)對氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)、維持生態(tài)功能方面具有充足的能力?！吧鷳B(tài)為本、自然循環(huán)”的理念是海綿城市發(fā)展的核心，城市原始地貌、綠色植被、土壤濕地和水體等地形地貌對于水環(huán)境的有效循環(huán)都起到了至關(guān)重要的作用。

2 海綿城市建設(shè)中存在的問題

海綿城市的建設(shè)是一項(xiàng)大型綜合性工程，從規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程建設(shè)到運(yùn)維管理，需要多個(gè)部門和多個(gè)專業(yè)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，而在實(shí)際工程中海綿城市建設(shè)存在一些問題。

2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

海綿城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)是由多個(gè)專業(yè)協(xié)同配合來共同完成，涉及氣象、水文、環(huán)境、景觀等多專業(yè)的綜合知識(shí)體系，各專業(yè)之間協(xié)調(diào)難度大，一些海綿設(shè)施的布局與建設(shè)層面可能會(huì)與現(xiàn)有管道走位或設(shè)施發(fā)生碰撞，隱蔽的風(fēng)險(xiǎn)不宜察覺。在海綿城市設(shè)施建設(shè)全過程中的文字圖紙資料，如何確保其最終的更改到位，與建設(shè)過程中的修改保持一致，不造成信息的缺失遺漏，也是需要加強(qiáng)對建設(shè)過程的監(jiān)督和管理，避免成果的延續(xù)性和繼承性較差。

2.2 建設(shè)階段

目前，海綿城市的建設(shè)主要依據(jù)平面圖紙展示，可視性效果較差，造成操作人員對于某些復(fù)雜項(xiàng)目部位的理解不夠準(zhǔn)確。相較于三位立體模型，平面圖形在雨水花園、下凹式綠地、雨水管網(wǎng)等設(shè)施的展示層面還存有許多不足，最重要一點(diǎn)為不夠立體，多角度截面與多圖層的結(jié)合展示在所難免，施工時(shí)容易，會(huì)造成與建筑、道路等碰撞沖突，需調(diào)整圖紙，重新施工，延長施工工期。各工種間協(xié)調(diào)困難，施工效率較低。

2.3 運(yùn)維階段

海綿城市的運(yùn)維階段需要參考施工過程的二維圖紙，平面圖紙的信息準(zhǔn)確性尤為重要，海綿城市的建設(shè)是個(gè)多專業(yè)綜合知識(shí)運(yùn)用的結(jié)合體，建設(shè)現(xiàn)場復(fù)雜，設(shè)施種類繁多，許多設(shè)施在建設(shè)過程中若存在不合理的問題都需要及時(shí)的進(jìn)行技術(shù)交流，現(xiàn)場進(jìn)行更改，并且此類事件較多。運(yùn)維是海綿城市的后續(xù)接管階段，符合確保運(yùn)維信息與建設(shè)過程圖紙信息一致，是擺在海綿城市建設(shè)過程中的一道難題，任何信息的缺失與失真都將導(dǎo)致海綿設(shè)施運(yùn)維困難。

3 BIM技術(shù)在海綿城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維中的應(yīng)用

3.1 BIM技術(shù)的特征

BIM是一種包含項(xiàng)目信息在內(nèi)的三維立體可視化模型。建筑信息模型貫穿于項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，通過利用設(shè)計(jì)中相互協(xié)同、施工中相互協(xié)調(diào)以及節(jié)能分析和設(shè)施設(shè)備碰撞檢查等多種方式，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)、高效施工與高效管理。BIM技術(shù)在海綿城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維管理中具有可視化、協(xié)調(diào)性和關(guān)聯(lián)性三個(gè)特點(diǎn)。

3.1.1 可視化

BIM技術(shù)可將傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)換成虛擬的三維模型，將項(xiàng)目的實(shí)際效果以實(shí)物立體的形式進(jìn)行展示，效果更加直觀。

3.1.2 協(xié)調(diào)性

在項(xiàng)目建造前期BIM可通過碰撞檢查對各專業(yè)的沖突問題進(jìn)行協(xié)調(diào)，防止在施工過程中出現(xiàn)各部分沖突，減少不合理方案的變更，提高施工效率。通過三維施工模擬，確定施工方案，合理組織施工過程。

3.1.3 關(guān)聯(lián)性

整個(gè)模型對象在平面、三維等多角度觀察下均可通過識(shí)別功能建立聯(lián)系，資料和圖紙的構(gòu)建是個(gè)復(fù)雜的過程，關(guān)鍵信息鏈為模型信息的識(shí)別和統(tǒng)計(jì)。若模型中某個(gè)模塊在任一視圖模式下與之前特性不同，與之關(guān)聯(lián)的所有視圖均會(huì)發(fā)生改變，模塊信息的準(zhǔn)確完整是非常重要的，實(shí)現(xiàn)的前提是做到一處修改，處處關(guān)聯(lián)。

3.2 BIM技術(shù)在海綿城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維中的應(yīng)用

目前，BIM技術(shù)在海綿城市建設(shè)中主要用于某一階段或某幾個(gè)階段的建設(shè)過程。例如上海市虹口區(qū)市政道路配套大修項(xiàng)目為依托，基于BIM技術(shù)對海綿城市的市政配套設(shè)施進(jìn)行三維優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過構(gòu)建族庫的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效規(guī)劃，在三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對海綿設(shè)施的性能優(yōu)化。將BIM技術(shù)用于玉溪海綿城市建設(shè)中的地形建模、三維場布、三維樣板、智慧工地等方面，提高了項(xiàng)目各專業(yè)的相互協(xié)調(diào)、溝通效率，加快施工進(jìn)度，節(jié)約施工成本，提升精細(xì)化管理水平。運(yùn)用BIM、GIS、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)構(gòu)建小寨海綿城市設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管控（在線監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報(bào)、應(yīng)急處理等子系統(tǒng)）智慧管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)西安小寨地區(qū)海綿城市項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)字化、建造過程信息化、運(yùn)維管理智能化。

通過以上案例可以看出，BIM技術(shù)在海綿城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維中已有一些應(yīng)用，但其發(fā)展還處于初級階段，各個(gè)項(xiàng)目之間相互獨(dú)立，項(xiàng)目所在地區(qū)的地形地貌、水文、水利、降雨、道路、地下管線等參數(shù)千差萬別，如何應(yīng)用已建項(xiàng)目構(gòu)建未建或在建項(xiàng)目的數(shù)字化平臺(tái)，值得進(jìn)一步研究。通過文獻(xiàn)查閱，建立一個(gè)BIM標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)或許可以解決這一難題。

3.2.1海綿城市BIM模型的創(chuàng)建

建設(shè)項(xiàng)目海綿城市BIM模型的創(chuàng)建首先需要對和項(xiàng)目有關(guān)的不同專業(yè)領(lǐng)域信息進(jìn)行分類，根據(jù)項(xiàng)目信息及海綿設(shè)施族庫創(chuàng)建海綿設(shè)施三維模型，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目地形特征創(chuàng)建三維場地模型，在此基礎(chǔ)上完成海綿城市三維可視化模型創(chuàng)建，該模型本身的數(shù)據(jù)及項(xiàng)目的信息都存儲(chǔ)在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，不同的參與方都可基于平臺(tái)查看項(xiàng)目的相關(guān)信息，需要時(shí)可借助平臺(tái)導(dǎo)出建筑、道路、海綿設(shè)施、管網(wǎng)等信息。

3.2.2 數(shù)字化施工管理

基于BIM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)可首先對海綿城市施工全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在確保數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確的前提下進(jìn)行處理并分析，進(jìn)而表達(dá)出合理完整的施工方案。該平臺(tái)對于施工方案的合理選擇提供了重要的借鑒價(jià)值，通過該平臺(tái)的合理運(yùn)用，可實(shí)現(xiàn)多方案比較，進(jìn)而規(guī)避不足，比選出貼合的方案。平臺(tái)的應(yīng)用不僅在平面展示方面，在多維度視角方面可做到四維、五維立體展示，通過多維度視角的切入可以完善施工計(jì)劃，使施工資源與現(xiàn)場環(huán)境相匹配，減少機(jī)械與場地匹配不足等突出問題。應(yīng)用該平臺(tái)可提高工程施工過程的信息化管理水平，降低施工成本，提高施工質(zhì)量，保障施工安全。

3.2.3 智慧化運(yùn)維管控

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)、BIM和數(shù)學(xué)模型等技術(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報(bào)、洪澇災(zāi)害應(yīng)急處置、運(yùn)維管理等功能，有效收集相關(guān)信息，并對信息進(jìn)行處理、分析并決策，具備一體化、智能化和可視化等功能，最終構(gòu)建基于BIM技術(shù)的海綿城市智慧化運(yùn)營管控機(jī)制。

3.2.4 在線監(jiān)測

該平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、BIM和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，可對各海綿體及降雨數(shù)據(jù)同步監(jiān)控，將降雨量、徑流量、水質(zhì)指標(biāo)、各海綿設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀況等監(jiān)測結(jié)果接入數(shù)據(jù)庫，并應(yīng)用三維模型構(gòu)建地表漫流模型，通過嵌套城市排水模型，模擬海綿體積水情況，在平臺(tái)上直接觀察內(nèi)澇的動(dòng)態(tài)變化過程，對有可能發(fā)生內(nèi)澇的地區(qū)進(jìn)行人工采樣復(fù)核的管理方案。

3.2.5 預(yù)警預(yù)報(bào)

BIM標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇預(yù)警、水質(zhì)預(yù)警、水位預(yù)警等，例如根據(jù)雨水管網(wǎng)液位高度和內(nèi)河水位情況，設(shè)置一定的限值，在水位超過警戒值的特殊情況下及時(shí)警示。還可對儀器設(shè)備故障及泵站運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)警，并將結(jié)果按照圖表方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，管理人員借助各項(xiàng)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)分析信息并進(jìn)行可視化管理，同時(shí)與監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，對各類異常情況進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和報(bào)警，減少不必要的損失。

3.2.6 應(yīng)急處置

BIM標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)可在發(fā)生暴雨、洪澇災(zāi)害等緊急事件時(shí)，及時(shí)對排澇泵站、調(diào)蓄池和防汛物資及人員進(jìn)行在線調(diào)度，同時(shí)平臺(tái)及時(shí)記錄指定區(qū)域內(nèi)突發(fā)事件應(yīng)急處理處置方案，跟蹤相關(guān)操作人員的處置過程。進(jìn)一步提高災(zāi)情警情的預(yù)判能力，避免和減少突發(fā)事件造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

4 結(jié)語

文章論述了海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)運(yùn)維中存在的問題，結(jié)合BIM技術(shù)的可視化、協(xié)調(diào)性、關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，以及BIM技術(shù)在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用實(shí)例，提出BIM技術(shù)解決海綿城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)維存在問題的途徑，建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字化平臺(tái)。從海綿城市三維模型的創(chuàng)建、施工過程管理、運(yùn)維管控三個(gè)方面介紹了該平臺(tái)的功能，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)，可對土建、管道、海綿體等進(jìn)行碰撞檢查，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化三維建模，并與施工方案的比選、分析計(jì)算實(shí)時(shí)對接，還可實(shí)現(xiàn)海綿體狀態(tài)可視化跟蹤管理。應(yīng)用BIM平臺(tái)可進(jìn)一步促進(jìn)海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，為智慧城市的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)平臺(tái)，為建設(shè)智慧城市探索道路。