綜合管廊模型設(shè)計(jì)階段信息需求分析

鄭旭旻

（廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361004）

0 引言

城市地下綜合管廊也稱綜合管廊，是在城市地下建造公共隧道，將2類以上市政公用管線（電力、通信、給水、排水等）根據(jù)規(guī)劃要求集中敷設(shè)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施。綜合管廊是保障城市可持續(xù)發(fā)展的“生命線”，對城市未來的發(fā)展具有重要意義[1]。由于涉及專業(yè)繁多，建設(shè)過程中存在各類專業(yè)交叉施工、后期運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)繁雜等問題，為滿足管廊建設(shè)需求，業(yè)內(nèi)積極探索BIM技術(shù)，期望采用信息化手段進(jìn)行管廊建設(shè)管理。

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM逐漸發(fā)展為項(xiàng)目信息的共享平臺。BIM可在工程實(shí)施的任一階段向工程所有參與方提供工程全生命周期信息，各參與方根據(jù)自身工作范圍，進(jìn)行信息錄入、提取和更新，實(shí)現(xiàn)工程信息實(shí)時(shí)更新與共享及工程項(xiàng)目協(xié)同和信息集成管理。研究表明，應(yīng)用BIM技術(shù)有助于降低設(shè)計(jì)和施工成本，提高生產(chǎn)率、改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)管理流程并提高項(xiàng)目效率。

目前地下綜合管廊工程的BIM應(yīng)用起步較晚，存在模型信息定義不明確、輸入信息量冗余、信息管理混亂等問題。BIM信息缺失、模型定義混亂導(dǎo)致的模型無法重復(fù)利用等問題，使實(shí)際參與項(xiàng)目的工程人員難以發(fā)揮BIM的價(jià)值。

本文結(jié)合綜合管廊實(shí)際項(xiàng)目，以土木工程信息學(xué)、信息管理學(xué)、BIM技術(shù)等為理論基礎(chǔ)，對綜合管廊模型信息進(jìn)行分類與精細(xì)度定義，以設(shè)計(jì)階段為例分析綜合管廊模型信息需求，將其應(yīng)用于綜合管廊參數(shù)化建模中。

1 土木工程信息學(xué)與UIM

1.1 信息學(xué)及土木工程信息學(xué)

信息學(xué)是研究信息運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用方法的一門學(xué)科。信息學(xué)主要研究信息的基本特性、信息活動(dòng)規(guī)律和組織方法。按照抽象程度高低，可將信息學(xué)的知識體系分為3個(gè)不同的層次，自上而下分別是：信息哲學(xué)、理論信息學(xué)和應(yīng)用信息學(xué)。信息哲學(xué)是對信息的本質(zhì)及一些最基本層面的規(guī)定進(jìn)行綜合而統(tǒng)一的解釋；理論信息學(xué)是對一切信息現(xiàn)象及每門學(xué)課都適用的公共理論；應(yīng)用信息學(xué)是面向不同特定學(xué)科，解決該領(lǐng)域的信息問題。

按照信息進(jìn)化時(shí)間順序，應(yīng)用信息學(xué)將信息現(xiàn)象分為三大類別：自然信息、社會信息和工程信息。其中，工程信息是以工程方式進(jìn)行的信息過程；土木工程信息學(xué)將土木工程學(xué)科與信息學(xué)、計(jì)算機(jī)相結(jié)合，通過跨學(xué)科融合，提高技術(shù)水平，達(dá)到對該領(lǐng)域信息的管理。

1.2 土木工程信息化與綜合管廊信息模型（UIM）

信息化是在經(jīng)濟(jì)及社會領(lǐng)域中采用信息技術(shù)作為生產(chǎn)力，用以提高社會生產(chǎn)率、管理、教育和創(chuàng)新效率的過程[2]。土木工程信息化是指利用信息技術(shù)對傳統(tǒng)土木工程設(shè)計(jì)方法及施工方式進(jìn)行改造與提升，促進(jìn)土木工程行業(yè)不斷完善。通過實(shí)現(xiàn)土木工程信息的存儲與共享，采用先進(jìn)的信息技術(shù)解決傳統(tǒng)土木工程問題，從而提高土木工程效率和效益。

建筑行業(yè)的項(xiàng)目通常涉及從早期設(shè)計(jì)、施工到設(shè)施維護(hù)管理的復(fù)雜信息流。而構(gòu)建建筑信息模型（BIM）工作流過程被認(rèn)為是跨項(xiàng)目生命周期各階段協(xié)同管理此類信息的關(guān)鍵因素。BIM可應(yīng)用于全生命周期各個(gè)階段，滿足各專業(yè)各部門協(xié)同交流、輔助方案決策和優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施的需求，是土木過程信息化的重要內(nèi)容。

綜合管廊信息模型（UIM）是基于BIM技術(shù)的基本概念，利用BIM技術(shù)對綜合管廊建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的過程；是數(shù)字化表達(dá)綜合管廊建設(shè)項(xiàng)目所有幾何、屬性、功能等資源信息的完備模型；是一個(gè)集成化的信息共享體，為綜合管廊全生命周期中的所有活動(dòng)提供可靠源數(shù)據(jù)；通過在模型中輸入、提取、更新項(xiàng)目信息，支持工程不同參與方在不同階段的信息錄入、虛擬建造和協(xié)同管理等功能。

1.3 基于WBS的綜合管廊模型信息分類

為更好地分析綜合管廊設(shè)計(jì)階段信息需求，基于WBS對整個(gè)工程模型進(jìn)行分解，將整個(gè)模型分解為較小且便于管理的類型，對相同類型進(jìn)行統(tǒng)一定義管理，明確各類別信息需求。

按照WBS分解方式，先按實(shí)施過程分解，將全生命周期拆分為設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)維階段。根據(jù)各階段的實(shí)施過程，分為場地模型、土建模型、入廊管線模型、附屬設(shè)施模型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型、施工機(jī)械模型、工程材料模型、周轉(zhuǎn)材料模型、臨建設(shè)施模型、運(yùn)維設(shè)施模型等10類專業(yè)模型。

2 設(shè)計(jì)階段UIM信息需求分析

2.1 UIM技術(shù)在綜合管廊設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用分析

本文結(jié)合已有相關(guān)技術(shù)資料，基于廈門市翔安東路（海翔大道—翔安南路段）綜合管廊工程與祥平保障房地鐵社區(qū)配套綜合管廊及高壓電力架空線纜化一期工程設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用成果，總結(jié)綜合管廊設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)，按照綜合管廊的設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)過程分為3類，分別是方案決策（設(shè)計(jì)前期）、優(yōu)化方案（設(shè)計(jì)中期）和模型信息提?。ㄔO(shè)計(jì)后期）。方案決策階段應(yīng)用點(diǎn)包括現(xiàn)狀場地分析、設(shè)計(jì)方案比選；優(yōu)化方案階段應(yīng)用點(diǎn)包括各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢測及管線綜合、凈空優(yōu)化、性能分析、可視化展示；模型信息提取階段應(yīng)用點(diǎn)包括工程量統(tǒng)計(jì)、二維出圖。

1）從方案決策的角度分析信息需求 在方案設(shè)計(jì)階段需在備選設(shè)計(jì)方案之間進(jìn)行選擇，設(shè)計(jì)方案決策是后續(xù)設(shè)計(jì)階段的基礎(chǔ)，合理的設(shè)計(jì)方案能避免因決策失誤造成的大量返工，提高生產(chǎn)效率，決定著項(xiàng)目的成功和結(jié)果。在方案決策階段，采用“成本”進(jìn)行方案比選，不同的影響因素全部折算為成本進(jìn)行對比分析。通過對成本進(jìn)行分析，逐層分解影響因素信息，引入影響因素信息對應(yīng)的模型構(gòu)件。在逐層分解過程中，對需求模型進(jìn)行編號，以識別重復(fù)引用的部分。

2）從優(yōu)化方案的角度分析信息需求 在設(shè)計(jì)階段方案優(yōu)化過程中，各專業(yè)模型的空間位置關(guān)系是決定性因素。各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢測、管線綜合、凈空優(yōu)化、可視化展示等UIM應(yīng)用都是為使模型的空間關(guān)系更合理，避免后續(xù)施工及運(yùn)維階段產(chǎn)生空間沖突需要返工。方案優(yōu)化階段的信息需求主要是對設(shè)計(jì)階段模型的幾何信息需求。

綜合管廊的建設(shè)目的是將各類管線集成在一個(gè)地下結(jié)構(gòu)中，方便管線檢修與更換。通過模型檢查管線能否按照規(guī)劃要求布置；通過復(fù)雜節(jié)點(diǎn)模型校核管線是否與結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞；對檢修人員的工作環(huán)境（包括人行空間和檢修空間）進(jìn)行檢查，優(yōu)化附屬設(shè)施布置。

3）從信息提取的角度分析信息需求 模型信息提取主要為工程量統(tǒng)計(jì)，通過設(shè)計(jì)階段施工圖模型提取模型工程量，形成工程量清單。在綜合管廊實(shí)際案例中，未在建模初期考慮工程量統(tǒng)計(jì)應(yīng)用，將導(dǎo)致模型區(qū)分度不夠、建模粗糙，模型分類與準(zhǔn)確度均不能滿足施工圖預(yù)算要求，最終使設(shè)計(jì)階段模型返工重做，造成建模成本極大浪費(fèi)。通過對國內(nèi)眾多應(yīng)用案例的調(diào)研可發(fā)現(xiàn)，工程量統(tǒng)計(jì)是衡量設(shè)計(jì)階段UIM應(yīng)用程度的標(biāo)尺，也是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)階段模型成果的重要指標(biāo)。工程量類型繁多，難以逐項(xiàng)梳理，基于GB 50857—2013《市政工程工程量計(jì)算規(guī)范》中的分類體系，結(jié)合綜合管廊造價(jià)清單實(shí)例，對設(shè)計(jì)階段UIM進(jìn)行分類。

2.2 設(shè)計(jì)階段信息需求分析

通過上述分析可看出，相較方案決策、方案優(yōu)化等應(yīng)用，工程量統(tǒng)計(jì)對設(shè)計(jì)階段的模型信息需求最大，對模型劃分有明確需求，而且模型精細(xì)度要求高。以施工圖預(yù)算的分類體系為UIM設(shè)計(jì)階段模型分類體系，定義設(shè)計(jì)階段模型信息需求較為合理。

1）場地模型 場地模型主要應(yīng)用于方案決策階段，現(xiàn)狀場地道路及建構(gòu)筑物情況是影響管廊選線及施工工藝選擇的重要環(huán)境因素；部分應(yīng)用于優(yōu)化方案階段，主要考慮在主體結(jié)構(gòu)與地下管線的沖突中如何優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）土建模型 土建工程是綜合管廊設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)內(nèi)容，也是工程量計(jì)算最難的部分，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的材料與模板工程量計(jì)算是制約造價(jià)算量工作效率的一大原因。通過分析可知，以工程量統(tǒng)計(jì)的信息需求為設(shè)計(jì)階段土建模型的信息需求較為合適[3]。根據(jù)定額規(guī)則對土建結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行拆分，以適應(yīng)套價(jià)需求。

3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型 圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括基槽模型與基坑支護(hù)模型，前者需計(jì)算土方量，后者計(jì)算體積量。模型尺寸需滿足三維可視化要求。

4）入廊管線模型入廊管線專業(yè)部分由管線單位設(shè)計(jì)，不計(jì)入工程量統(tǒng)計(jì)范圍。設(shè)計(jì)階段的信息需求為其空間占位、與沿線出入口的接線方式和其他規(guī)劃信息，模型需滿足可供后續(xù)階段編輯、輸入的要求。

5）附屬設(shè)施模型 附屬設(shè)施由施工單位進(jìn)行招投標(biāo)確定，設(shè)計(jì)階段模型需求為滿足空間占位與顯示的幾何尺寸進(jìn)度，后續(xù)階段中可替換為精確模型，工程量統(tǒng)計(jì)的信息需求為設(shè)備數(shù)量。

3 基于設(shè)計(jì)階段UIM信息需求的參數(shù)化建模實(shí)踐

3.1 工程概況

本文通過某地下綜合管廊項(xiàng)目參數(shù)化建模案例驗(yàn)證分析結(jié)果。該項(xiàng)目位于廈門市同安工業(yè)集中區(qū)，全長5.16km，包含入廊管線有給水，再生水，10kV、110kV、220kV電力及通信等。項(xiàng)目以Revit建模軟件為主，利用可視化編程插件Dynamo對Revit進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速建模、模型定位及信息錄入。Dynamo通過預(yù)設(shè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和可視化編程的設(shè)計(jì)方法，在工作界面里連接預(yù)定義功能的節(jié)點(diǎn)，設(shè)置一套循序漸進(jìn)的可視化程序流，通過輸入、處理和輸出的基本邏輯解決問題[4]。工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)方案變動(dòng)時(shí)，只需通過修改變動(dòng)部分，就可通過程序驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模型信息的批量創(chuàng)建、修改和刪除工作。規(guī)定參數(shù)輸入的范圍和內(nèi)容，正是信息需求分析的結(jié)果應(yīng)用。

3.2 土建模型建立

土建模型參數(shù)化建模信息需求如圖1所示。在Civil 3D軟件中集成平面設(shè)計(jì)線及管廊設(shè)計(jì)縱斷數(shù)據(jù)，生成管廊三維中心線并分解成點(diǎn)坐標(biāo)。將點(diǎn)坐標(biāo)文件導(dǎo)入Revit軟件中形成三維定位線，根據(jù)模型生成難易程度分為標(biāo)準(zhǔn)段和特殊段。根據(jù)橫截面尺寸和線性模型劃分規(guī)則生成本體工程標(biāo)準(zhǔn)段；選用Revit自帶的參數(shù)化族類型，通過數(shù)據(jù)文件進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，生成各類附屬構(gòu)筑物和二次結(jié)構(gòu)，并通過設(shè)定好的幾何位置信息放置，最后對各類模型批量添加非幾何信息。

圖1 土建模型參數(shù)化建模信息需求

3.3 管線模型建立

通過Dynamo插件和預(yù)制的RevitAPI，編寫自動(dòng)創(chuàng)建管線的腳本。通過讀取Excel信息，即可自動(dòng)批量創(chuàng)建所需管線。在入廊管線模型建立的過程中，所需信息為管徑、起終點(diǎn)坐標(biāo)、管材類別等幾何信息，以及管線單位施工信息等非幾何信息。與信息需求分析結(jié)果一致。

3.4 附屬設(shè)施模型建立

通過設(shè)計(jì)階段信息需求分析可知，設(shè)計(jì)階段中附屬設(shè)施尚未完全確定，模型信息不準(zhǔn)確。通過參數(shù)化建模，可在前期放置精細(xì)度低的模型，后期利用Dynamo插件進(jìn)行附屬設(shè)施模型批量替換、快速修改幾何位置及模型信息可錄入和修改。信息需求分析結(jié)果滿足后續(xù)施工要求。

4 結(jié)論與展望

1）基于信息分類體系和WBS，結(jié)合已有文獻(xiàn)資料與工程實(shí)例，構(gòu)建針對綜合管廊全生命周期的UIM分類體系。根據(jù)綜合管廊設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段的分類方式，構(gòu)建10個(gè)專業(yè)模型。

2）根據(jù)綜合管廊設(shè)計(jì)階段的工作流程與信息需求，將UIM在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用分為方案決策、優(yōu)化方案與信息需求3個(gè)子階段，每個(gè)階段的需求側(cè)重點(diǎn)不同。通過分析每個(gè)階段中應(yīng)用內(nèi)容與信息需求深度可知，對設(shè)計(jì)階段模型深度要求最高的是信息提取中的工程量統(tǒng)計(jì)。本文根據(jù)GB 50500—2013《建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范》，結(jié)合綜合管廊應(yīng)用案例，對設(shè)計(jì)階段成果模型的進(jìn)行模型劃分規(guī)定與信息需求描述。

基于BIM技術(shù)的綜合管廊全設(shè)計(jì)階段信息需求分析是土木工程信息學(xué)在綜合管廊上的初步探討，為施工與運(yùn)維階段的綜合管廊模型信息需求分析提供參照。目前，綜合管廊設(shè)計(jì)階段的BIM技術(shù)已趨于成熟，但在施工、運(yùn)維階段尚缺乏可推廣的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。運(yùn)維階段是最大化應(yīng)用綜合管廊信息模型的階段，各地的業(yè)主及運(yùn)維單位應(yīng)對綜合管廊在運(yùn)維階段的應(yīng)用需求達(dá)成一個(gè)明晰的認(rèn)知，將綜合管廊全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用的“最后一環(huán)”拼上，并通過實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證“以終為始”的全生命周期信息需求分析。