基于Bentley的BIM技術(shù)在綜合管廊工程的應(yīng)用

黃文歡,劉 慧,劉厚全

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,湖北 武漢 430063；2.湖北大學 藝術(shù)學院,湖北 武漢 430062)

0 引 言

近年來,隨著全國各地降雨量的增加，管線泄漏、爆炸、地面塌陷等事故的頻發(fā),管道安全問題已不容忽視[1]。綜合管廊涉及消防、供電,照明、排水等多種市政公用設(shè)施,是保障社會生產(chǎn)和居民生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施。為解決管線建設(shè)規(guī)模小、管理水平低等問題,并進一步發(fā)揮綜合管廊在保障民生、擴大投資等項目中的作用,應(yīng)進一步推進綜合管廊的部署建設(shè)[2]。

文獻[3]提出一種城市地下綜合管廊規(guī)劃布局方法,該方法通過分析確定城市綜合管廊建設(shè)過程中的影響因子,結(jié)合層次分析法構(gòu)建評價指標體系,合理規(guī)劃管廊選線，在此基礎(chǔ)上,結(jié)合城市功能結(jié)構(gòu)、管線功能對管廊設(shè)施進行系統(tǒng)布局,實現(xiàn)城市地下綜合管廊的綜合規(guī)劃。文獻[4]根據(jù)城市綜合管廊規(guī)劃概況和不同類型管線的功能特性，設(shè)計其銜接方式,保證綜合管廊的布局與管線、道路相協(xié)調(diào),并預(yù)留出重要節(jié)點、確定配套設(shè)施,從總體規(guī)劃、專項規(guī)劃和控制規(guī)劃3個層面實現(xiàn)綜合管廊的建設(shè)。然而因綜合管廊工程過程復(fù)雜、規(guī)劃量較大,上述2種方法難以實現(xiàn)全周期的監(jiān)管,導(dǎo)致工程建設(shè)管理效果難以與工程進度有效結(jié)合。文獻[5]提出一種基于三維激光掃描技術(shù)的地下綜合管廊規(guī)劃方法,該方法利用三維激光掃描設(shè)備實景測量管廊的節(jié)點部位,將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中,并通過數(shù)據(jù)去噪、拼接等處理建立實景模型,實現(xiàn)施工建設(shè)過程的規(guī)劃和管理。文獻[6]提出一種城市綜合管廊安全運行規(guī)劃管理方法,結(jié)合綜合管廊的建設(shè)與管理現(xiàn)狀,在總結(jié)影響綜合管廊安全運行因素的基礎(chǔ)上,從設(shè)計規(guī)范、安全指標等詳細規(guī)劃了綜合管廊的設(shè)計方案,針對不同用途的管線設(shè)計不同連接、管理方式,并提出管廊安全運行管理措施,實現(xiàn)城市綜合管廊的安全運行。然而文獻[5-6]在施工和設(shè)計中的應(yīng)用效果較好,卻難以實現(xiàn)整體規(guī)劃和運行維護,應(yīng)用范圍較小。

BIM技術(shù)是一種多維模型信息集成技術(shù),該技術(shù)可以通過大量數(shù)據(jù)表達物體或工程的物理特征與功能信息,將其應(yīng)用于工程項目的規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工、運營維護當中,可以實現(xiàn)信息化管理[7]。因BIM獨特的優(yōu)化設(shè)計能力,使其在生產(chǎn)力、工作效率、質(zhì)量與安全性方面都具有極大的競爭力。綜合管廊工程過程復(fù)雜、工程量巨大,若想實現(xiàn)該工程的全程設(shè)計監(jiān)督,則采用BIM技術(shù)更為適合。

目前,相關(guān)專家對大范圍土地綜合建模的研究越發(fā)重視,本文研究的萬頃沙開發(fā)項目與綜合管廊項目就屬于該研究范疇。傳統(tǒng)的大范圍土地綜合建模方法,如文獻[8]提出基于Revit綜合管廊三維建模二次開發(fā)應(yīng)用方法,將Revit作為創(chuàng)建信息化模型的平臺,根據(jù)構(gòu)件特性創(chuàng)建綜合管廊構(gòu)件信息數(shù)據(jù)庫,用于直接調(diào)取所需的構(gòu)件創(chuàng)建,在此基礎(chǔ)上,創(chuàng)建基于Revit平臺的綜合管廊模塊,結(jié)合不同函數(shù)編寫程序設(shè)計可視化建模、施工安全管理、后期運營管理等模塊,實現(xiàn)對綜合管廊模型的快速設(shè)計，然而該方法的定位精度較差,難以為后續(xù)的施工管理和狀態(tài)監(jiān)控提供支持。文獻[9]提出BIM在綜合管廊全生命周期智慧管控中的應(yīng)用方法,將BIM技術(shù)引入綜合管廊全生命周期的設(shè)計階段、施工建設(shè)階段和運維階段等過程,利用虛擬三維的思維方式,通過多維信息集成對綜合管廊全生命周期實施數(shù)字化、互動化、可控化管控。然而該方法的細節(jié)處理量較小,導(dǎo)致建模效果較差。文獻[10]提出BIM技術(shù)在綜合管廊設(shè)計施工全過程中的應(yīng)用方法,以城市副中心綜合管廊工程為研究對象,設(shè)計BIM技術(shù)在綜合管廊設(shè)計階段和施工階段的應(yīng)用方法,在實現(xiàn)綜合管廊管線、主體結(jié)構(gòu)的同步設(shè)計的同時,將施工階段的效益最大化,并實現(xiàn)綜合管廊的可視化化建設(shè)、互動運營和管理。文獻[11]提出基于BIM技術(shù)的城市地下綜合管廊可視化設(shè)計方法,針對城市地下綜合管廊的特點,從總體設(shè)計、施工設(shè)計、后期維護3個角度進行管廊工程綜合規(guī)劃,結(jié)合三維可視化技術(shù)實現(xiàn)對綜合管廊的三維建模、施工監(jiān)管和運行監(jiān)控。但文獻[10-11]方法的運行時間較長,效率較低,應(yīng)用效果較差。

為此,本研究選取某萬頃沙地塊,在該范圍內(nèi)對綜合管廊進行了全方位的BIM設(shè)計。主要建設(shè)內(nèi)容包括綜合管廊主體及其附屬設(shè)施,綜合管廊主體包括為主體標準結(jié)構(gòu)、投料口、通風口、集水坑、排水口等節(jié)點,附屬設(shè)施包括綜合管廊配套的消防系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等工程。本研究從多角度進行分析設(shè)計,應(yīng)用BIM技術(shù)進行平臺搭建與模型建設(shè)對該工程進行研究。

1 信息化管理平臺建設(shè)

由于BIM技術(shù)大多應(yīng)用于大規(guī)模土地綜合模型建設(shè),因此要想完成相關(guān)模型的設(shè)計,需要先對BIM的信息化管理平臺進行建設(shè)。信息化管理平臺的建設(shè)分為硬件平臺、軟件程序兩部分,并且需要模型中各專業(yè)組的積極配合才能實現(xiàn)[12]。

硬件平臺主要包括實地檢測裝備與電腦綜合評估。實地檢測裝備主要分為定位裝置與移動裝置,定位裝置通過衛(wèi)星進行定位,并可以通過衛(wèi)星定位評估概括出該沙地粗略模型;而移動裝置可以通過人為實地檢測來對該地進行更加精細地分析。二者相結(jié)合得出的綜合性數(shù)據(jù)會傳輸給電腦綜合性評估設(shè)備,用于評估出綜合管廊工程中相對較優(yōu)的施工區(qū)域,進而幫助各部門專業(yè)工作組進行施工[13]。

軟件程序采用與多家軟件公司進行合作的方式獲得相關(guān)軟件的使用權(quán)，并對相關(guān)工作人員進行培訓(xùn),通過專家系統(tǒng)和具體分工統(tǒng)計構(gòu)成綜合性信息化管理平臺[14]。目前,平臺各專業(yè)工作組主要應(yīng)用的軟件及相關(guān)工作內(nèi)容如表1所示。

表 1 各部門專業(yè)應(yīng)用軟件歸納表Tab.1 Table of professional application softwares for each department

以上4個專業(yè)組構(gòu)成了基于BIM技術(shù)的綜合性信息化管理平臺的基本機構(gòu),其中工藝專業(yè)組主要負責管廊項目的三維模型的平、縱、橫設(shè)計,對萬頃沙地的整體結(jié)構(gòu)進行整體規(guī)劃設(shè)計和數(shù)值估算,然后對綜合管廊的主體結(jié)構(gòu)中的投料偶、通風口、集水坑、排水口與附屬設(shè)施中的消防系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等結(jié)果進行詳細規(guī)劃設(shè)計,再將規(guī)劃結(jié)果交予結(jié)構(gòu)專業(yè)組、電力專業(yè)組與排水專業(yè)組。其中,結(jié)構(gòu)專業(yè)組主要負責投料口、通風口、集水與排水口的整體鋼筋結(jié)構(gòu)的詳細搭建與設(shè)計,這是綜合管廊項目開發(fā)的基礎(chǔ)工作[15]。電力專業(yè)組主要負責對各標準結(jié)構(gòu)與提供電力設(shè)備的設(shè)計與安裝,保障相關(guān)電力管線與支架安裝的安全性。排水專業(yè)主要負責集水坑、排水口與排水系統(tǒng)的建設(shè)與監(jiān)督。由于綜合管廊項目繁雜,各管道線路進出水的正常使用十分重要。

在信息化管理平臺中,由工藝專業(yè)組進行設(shè)計、修改、更新模型,其余專業(yè)組只需更新參考模型和圖紙信息,無需做大量的修圖工作,各專業(yè)組工作完成后,由工藝專業(yè)對模型進行整合,分工明確且效率高[16]。

各工作組合理分配完成相關(guān)任務(wù),進而實現(xiàn)萬頃沙開發(fā)項目綜合管廊工程的信息化管理平臺建設(shè)。

2 模型結(jié)構(gòu)與應(yīng)用分析

通過BIM技術(shù)對萬頃沙開發(fā)項目綜合管廊工程信息化管理平臺進行了初步建設(shè),在此基礎(chǔ)上,本研究將對綜合管廊工程進行整體建模,對模型的結(jié)構(gòu)進行介紹與分析。模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該部分綜合管廊為雙艙室結(jié)構(gòu), 分為綜合艙和燃氣艙2部分。 每個艙室各設(shè) 22 個防火分區(qū)， 以每個防火分區(qū)為一個設(shè)計單位的原則, 在每個設(shè)計單元內(nèi)按要求設(shè)置消防、 通風、 排水、 照明、 監(jiān)控、 報警等附屬設(shè)施, 納入綜合管廊的管線有給水、 電力、 通信、 燃氣4類管線, 共同構(gòu)成綜合管廊的整體管線結(jié)構(gòu)[17]。

在該部分設(shè)計中,綜合管廊工藝專業(yè)組主要負責完成管廊的節(jié)點標準段以及平縱橫面的相關(guān)設(shè)計工作[18]。節(jié)點位于標準端,即上述提到的22個防火區(qū)的相關(guān)區(qū)域,一個設(shè)計單元為1個節(jié)點,2個節(jié)點之間的間距即為標準端,節(jié)點與標準端的位置選取并不是針對同一數(shù)據(jù)進行定位,而是根據(jù)實際情況與地形區(qū)域，將選取數(shù)據(jù)固定于某一范圍區(qū)域中。對綜合管廊工程中的平縱橫面進行設(shè)計主要應(yīng)用Openroads Desinger軟件，首先通過該軟件導(dǎo)入道路中心線,然后采用交點法和積木法進行平縱面相關(guān)設(shè)計。積木法是優(yōu)先確定關(guān)鍵位置關(guān)鍵線形,通過連接工具將不同的線元連接,得到貫通的一套路線。而交點法是通過設(shè)置曲線參數(shù)和線路轉(zhuǎn)點的方式快速定義路線的設(shè)計方法[19]。通過Openroads Desinger軟件進行模型線管結(jié)構(gòu)的設(shè)計節(jié)省了大量的時間并且提升了效率,但是根據(jù)實際情況的不同可能會出現(xiàn)誤差,因此針對軟件的二次開發(fā)最好裝備實地勘測系統(tǒng)來替代自身填補系統(tǒng),這樣能夠更加貼近實際情況并且減少誤差的產(chǎn)生[20]。

綜合管廊結(jié)構(gòu)專業(yè)組主要負責完成管廊結(jié)構(gòu)標準段與通風口節(jié)點的建模配筋設(shè)計工作,該專業(yè)組主要應(yīng)用了信息化綜合平臺中的ProStructures軟件,該軟件具有較強的三維設(shè)計功能,能夠精確繪制三維鋼筋,并且能開發(fā)出圖像設(shè)計與算法模塊。在Bentley平臺2大核心功能模板的輔助下,可使得三維鋼筋結(jié)構(gòu)的制圖過程更加智能、高效。該軟件可以智能、快速地繪制三維鋼筋結(jié)構(gòu),對于復(fù)雜的節(jié)點,鋼筋三維展示功能讓結(jié)構(gòu)中鋼筋布置清晰可見。相比較目前主流應(yīng)用的CAD軟件,該軟件應(yīng)用起來更加方便,為綜合管廊行業(yè)全面實現(xiàn)三維設(shè)計提供支持[21-22]。

電力專業(yè)組主要負責電力管線的安放與支架的銜接,在該過程中主要應(yīng)用信息化綜合平臺中的Microstation軟件,該軟件會對綜合管廊工程中的投料口、通風口、照明系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、通風系統(tǒng)的電力提供管線安裝設(shè)計,對該三維模型中的電力提供結(jié)構(gòu)設(shè)計與修改[23]。

給排水工作組主要負責入廊管線的設(shè)計,主要應(yīng)用了信息化綜合平臺中的Microstation軟件進行入廊管線的預(yù)安放設(shè)計,對該三維模性中的入廊管線進行精確的安放,以達到對綜合管廊工程中排水系統(tǒng)的合理安裝。

3 實驗研究

3.1 環(huán)境參數(shù)

為檢測基于Bentley的BIM技術(shù)在萬頃沙開發(fā)項目綜合管廊工程中發(fā)揮的作用,設(shè)計如下對比實驗,從定位精準性、細節(jié)信息處理量和運行時間3個角度,將本文所提方法與文獻[8]中的基于Revit綜合管廊三維建模二次開發(fā)應(yīng)用方法，文獻[9]中的 BIM 在綜合管廊全生命周期智慧管控中的應(yīng)用方法，文獻[10]中的BIM技術(shù)在綜合管廊設(shè)計施工全過程中的應(yīng)用方法進行對比,比較不同方法的應(yīng)用有效性。萬頃沙開發(fā)項目綜合管廊工程總長 5.2 km,施工時間3個月,統(tǒng)計數(shù)據(jù)30組,結(jié)果采用專家評估,仿真平臺為Matlab,數(shù)據(jù)處理使用SPSS軟件。

3.2 結(jié)論與分析

圖 2 不同方法定位精確性對比Fig.2 Comparison of positioning accuracy of different methods

從圖2可知,隨著實驗組數(shù)的增多,不同方法的定位精確性也在發(fā)生變化。文獻[9]和文獻[10]方法的定位精確性較為接近,且基本保持在82%～87%之間,文獻[8]方法的定位精確性較小,保持在80%上下。相比之下,本文方法的定位精確性較高,最高可達到92%。這是因為本文方法下的BIM技術(shù)通過人力設(shè)備與衛(wèi)星定位相結(jié)合的方式對綜合信息化處理平臺進行設(shè)計,2種定位過程相互彌補,提高了基于Bentley的BIM技術(shù)在該項目中的定位精確性。

3.2.2 細節(jié)信息處理量對比 利用BIM技術(shù)對綜合管廊工程進行設(shè)計時需對模型和工程的細節(jié)信息進行處理,細節(jié)信息處理量能夠反映不同方法的建模效果和精度。為驗證不同方法的有效性,從角度細節(jié)信息處理量對不同方法進行測試,結(jié)果由SPSS軟件自動統(tǒng)計,對比結(jié)果如圖3所示。

圖 3 不同方法細節(jié)信息處理量對比Fig.3 Comparison of processing amount of detail information by different methods

從圖3可知,隨著實驗組數(shù)的增多,不同方法的細節(jié)信息處理量也在發(fā)生變化。文獻[8]和文獻[10]方法的細節(jié)信息處理量較為接近,保持在600～750個之間,文獻[9]方法的細節(jié)信息處理量雖然程序上升趨勢,但數(shù)量較少,最多的細節(jié)信息處理量僅為600個。相比之下,本文方法的細節(jié)信息處理量較高,最多可達到880個。

3.2.3 運行時間對比 萬頃沙開發(fā)項目綜合管廊工程不僅對工程細節(jié)要求較高,工程效率也是衡量工程質(zhì)量的一項重要指標。因此,測試不同方法下的建筑信息模型對某一指令的運行時間隨工程進度的變化情況,通過運行時間反映不同方法的運行效率,時間數(shù)據(jù)由Matlab仿真平臺智能統(tǒng)計。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖 4 不同方法運行時間對比Fig.4 Comparison of running time of differentmethod

從圖4可知,隨著工程進度的推進,不同方法對某一指令的運行時間也在發(fā)生變化。文獻[8]方法在開始時耗時增加緩慢,當工程進度超過40%后耗時加快。文獻[9]和文獻[10]方法的運行時間在工程開始時耗時呈線性增加趨勢,當工程進度超過65%后,文獻[10]比文獻[9]的耗時少。相比之下,本文方法的運行時間為最少。

綜上所述,基于Bentley的BIM技術(shù)在萬頃沙開發(fā)項目綜合管廊工程中的應(yīng)用方法具有較高的定位精確性、細節(jié)信息處理量大且運行耗時較少,具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

將基于Bentley的BIM技術(shù)應(yīng)用于萬頃塊開發(fā)項目綜合管廊工程中,并設(shè)計一種新的應(yīng)用方法,相較于傳統(tǒng)的應(yīng)用方法來說,新方法在設(shè)計上更加立體方便,管道模型設(shè)計分工更加詳細具體,應(yīng)用該方法構(gòu)成的信息化綜合平臺綜合管廊工程的設(shè)計與施工提供了巨大的支持。

研究中還發(fā)現(xiàn),實地檢測過程中,將衛(wèi)星定位評估與移動裝置實地測量相結(jié)合,能夠更準確對萬頃沙地塊進行數(shù)據(jù)采集和建模;在信息化管理過程中,通過由專業(yè)組對綜合管廊模型進行設(shè)計、修改和更新,其余組別負責根據(jù)專業(yè)組給出的結(jié)果整合模型的方式,能夠有效減小信息建設(shè)管理過程的復(fù)雜性,避免資源浪費的同時,還能提高管理效率。