基于BIM技術(shù)的管廊運(yùn)維平臺(tái)應(yīng)用研究

李應(yīng)來(lái)，許金鑫

（合肥市綜合管廊投資運(yùn)營(yíng)有限公司，安徽合肥 230091）

0 引言

城市綜合管廊亦稱(chēng)地下市政綜合管溝、共同溝、共同管道，是一種可以容納多種市政管線(xiàn)的公共隧道，這些市政管線(xiàn)包括電力、熱力、自來(lái)水、排水、天然氣等[1]。綜合管廊不僅解決了城市交通擁堵的問(wèn)題，而且極大地方便了城市管線(xiàn)結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)和檢修，是保障城市運(yùn)行的“生命線(xiàn)”，經(jīng)過(guò)效益分析和比較，綜合管廊較傳統(tǒng)直埋管線(xiàn)總成本降低23%[2]。本文針對(duì)綜合管廊運(yùn)維的特點(diǎn)，提出將BIM技術(shù)運(yùn)用到管廊的運(yùn)維管理中，通過(guò)分析管廊運(yùn)維平臺(tái)的需求和工作內(nèi)容，結(jié)合具體項(xiàng)目構(gòu)建以BIM技術(shù)為核心的運(yùn)維平臺(tái)，以此來(lái)提高管理效率，降低運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)和成本。

1 BIM技術(shù)在管廊運(yùn)維平臺(tái)中的需求分析

1.1 管理需求分析

綜合管廊一般是在城市地下建造，將電力、通信、供水、熱力、能源等市政公用管線(xiàn)，根據(jù)規(guī)劃要求集中敷設(shè)在同一個(gè)構(gòu)建物內(nèi)，實(shí)施統(tǒng)一設(shè)計(jì)、施工、管理的市政公用隧道空間[3]。傳統(tǒng)的施工管理存在著信息化程度不足的現(xiàn)象，同時(shí)在整個(gè)施工管理體系中各工序步驟、施工進(jìn)度不協(xié)調(diào)，信息孤島問(wèn)題嚴(yán)重?；贐IM技術(shù)的地下綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)以管廊三維模型為基礎(chǔ)，按照空間劃分為監(jiān)控中心和現(xiàn)場(chǎng)管理中心，建立工程數(shù)據(jù)庫(kù)，涵蓋參建各方的建設(shè)行為、施工材料、進(jìn)度錄入、工作文檔日志等，建立三維可視化平臺(tái)給管理者參閱。當(dāng)點(diǎn)擊任一部件或設(shè)備時(shí)，能夠看到管線(xiàn)基本信息，實(shí)現(xiàn)及時(shí)指導(dǎo)、提示和預(yù)警。結(jié)合管廊運(yùn)維內(nèi)容的特點(diǎn)，提出以下幾點(diǎn)功能需求：

（1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。通過(guò)管廊運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行管廊主體結(jié)構(gòu)、管線(xiàn)、設(shè)備狀態(tài)、周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)采集；各單位操作人員及時(shí)上傳、修改、更新相關(guān)信息。

（2）信息可視化管理。管廊系統(tǒng)能夠直觀(guān)展現(xiàn)三維模型、管線(xiàn)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及項(xiàng)目相關(guān)信息，并且能夠一一對(duì)應(yīng)，讓管理人員對(duì)目前運(yùn)行狀態(tài)有清楚的了解。

（3）自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。依靠管廊結(jié)構(gòu)體上的傳感器對(duì)管廊內(nèi)部及周邊環(huán)境、監(jiān)測(cè)管廊沉降情況、水平位移情況、管片收斂和滲漏情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。若有突發(fā)情況，能夠顯示發(fā)生部位詳細(xì)情況，及時(shí)反饋給總控中心和相關(guān)部門(mén)。

1.2 信息需求分析

在綜合管廊運(yùn)維平臺(tái)中最基本的元素就是信息，信息也是運(yùn)維系統(tǒng)里最重要的元素，每個(gè)部分管理模塊都需要對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。針對(duì)功能需求，可以把信息分為三類(lèi)：

（1）監(jiān)控信息。城市綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)分為五大子系統(tǒng)，分別是火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)[4]，為運(yùn)維平臺(tái)管理人員提供管線(xiàn)各個(gè)部位狀態(tài)、安全等方面的信息。

（2）施工信息。系統(tǒng)能夠清晰顯示施工人員上傳的工序所需材料用量、施工進(jìn)度、監(jiān)理工序?qū)徍藸顟B(tài)等信息。

（3）資料信息。包括設(shè)備和材料的標(biāo)簽信息、合同信息、資金流水信息、安全培訓(xùn)信息、監(jiān)理檢查記錄、操作手冊(cè)和工作管理規(guī)定等，能夠保證在平臺(tái)系統(tǒng)里查詢(xún)明細(xì)，有效減少工作失誤。

2 基于BIM技術(shù)的管廊運(yùn)維系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 “BIM+”技術(shù)

BIM是利用一個(gè)包含了建設(shè)項(xiàng)目物理特性與功能特性的數(shù)字模型，并考慮該模型的信息共享和互用性技術(shù)服務(wù)于建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期的決策與分析[5]。從工程實(shí)踐中得出，單獨(dú)使用BIM技術(shù)的案例逐漸減少，而將BIM技術(shù)與其他專(zhuān)業(yè)進(jìn)行集成后，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的深度應(yīng)用案例逐漸增多。也就是出現(xiàn)了“BIM+”的特點(diǎn)[6]，如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)深度應(yīng)用

（1）BIM+GIS。GIS是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)支持，收集、儲(chǔ)存、管理、計(jì)算、分析、顯示和描述空間中地理位置分布數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)[7]。將BIM技術(shù)與地理信息系統(tǒng)集成到地下綜合管廊中，模型中的空間信息與周邊地理環(huán)境結(jié)合，可以在平臺(tái)中清晰地看到管廊具體地理位置及周邊的地理面貌?？梢蕴崆耙?guī)劃建設(shè)路線(xiàn)，有效避免因設(shè)計(jì)不合理而造成的公共資源浪費(fèi)，對(duì)發(fā)生故障的位置能精確三維定位，及時(shí)搶修。

（2）BIM+物聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)在監(jiān)測(cè)目標(biāo)上預(yù)先嵌入紅外傳感器、氣體傳感器、遙控設(shè)施設(shè)備及射頻識(shí)別裝置接入到平臺(tái)，建立一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，獲得有關(guān)綜合管廊自身及運(yùn)行情況的關(guān)鍵參數(shù)。BIM與物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)隱患及突發(fā)意外，并警示應(yīng)對(duì)。

（3）BIM+云計(jì)算。云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的計(jì)算技術(shù)，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以快速處理十億甚至萬(wàn)億計(jì)的信息數(shù)據(jù)，并反饋給用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)各種終端設(shè)備之間的互相聯(lián)系[8]。在綜合管廊運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段，可以將BIM中復(fù)雜的工作轉(zhuǎn)移至云端，提高計(jì)算效率。也可將管廊實(shí)時(shí)狀況上傳至云端，用戶(hù)通過(guò)電腦或者移動(dòng)端連接云服務(wù)，方便查看管廊在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段管線(xiàn)的相關(guān)信息。

2.2 基于BIM的運(yùn)維平臺(tái)構(gòu)建

2.2.1 平臺(tái)構(gòu)建理念

通過(guò)BIM模型與GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，將管廊項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)、中期施工、后期運(yùn)維緊密結(jié)合起來(lái)[9]，賦予建筑信息模型化，并與平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合使用，對(duì)管廊內(nèi)的部件和設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，將地下管廊信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)傳到平臺(tái)，使系統(tǒng)各單位操作人員共享信息，達(dá)到及時(shí)指導(dǎo)、提示和預(yù)警的效果。

2.2.2 平臺(tái)構(gòu)建模塊

利用BIM+GIS技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息化手段，將管廊三維模型、周邊環(huán)境和施工條件等數(shù)據(jù)相融合，使模型的每個(gè)部位都有詳細(xì)的信息與之匹配，整合到運(yùn)維平臺(tái)，供管理人員查看。

（1）技術(shù)支撐層。包括對(duì)管廊內(nèi)外監(jiān)控、周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)以及管線(xiàn)安全進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享聯(lián)動(dòng)、統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

（2）數(shù)據(jù)層。通過(guò)BIM技術(shù)與GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算進(jìn)行二次深度開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)綜合管廊各類(lèi)數(shù)據(jù)、信息的集中存儲(chǔ)、管理、分析與共享，為各類(lèi)智慧應(yīng)用提供完整的、有效的數(shù)據(jù)支撐[10]。

（3）應(yīng)用層。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在各個(gè)子系統(tǒng)中能夠查詢(xún)信息、監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)管廊全生命周期管理。

（4）展現(xiàn)層。平臺(tái)按照用戶(hù)的權(quán)限展現(xiàn)不同的功能界面，界面能夠顯示管廊基本信息，承擔(dān)簡(jiǎn)單的邏輯處理功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理工作簡(jiǎn)單化、智能化、人性化。

3 BIM技術(shù)在管廊運(yùn)維平臺(tái)中的應(yīng)用分析

3.1 BIM技術(shù)在管廊平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例

合肥市某項(xiàng)目地下綜合管廊總長(zhǎng)度3.6km，三艙斷面分別為電力艙、綜合艙、燃?xì)馀?，結(jié)構(gòu)均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，分成141個(gè)節(jié)段。根據(jù)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在云服務(wù)上進(jìn)行功能模塊二次開(kāi)發(fā)，并通過(guò)調(diào)用相關(guān)API接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接[11]，最終使用瀏覽器實(shí)現(xiàn)以下平臺(tái)功能模塊。平臺(tái)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)

（1）人員登錄及管理界面。通過(guò)在谷歌瀏覽器中輸入平臺(tái)服務(wù)器網(wǎng)址，輸入平臺(tái)設(shè)計(jì)人員提供的賬號(hào)密碼，登入地下綜合管廊運(yùn)維平臺(tái)。賬號(hào)中包含所屬單位、人員類(lèi)型等信息，各單位賬號(hào)操作權(quán)限根據(jù)工作需要進(jìn)行自定義配置。點(diǎn)擊查看管廊模型，跳轉(zhuǎn)至平臺(tái)管理界面，左側(cè)為平臺(tái)子目錄系統(tǒng)，右側(cè)為數(shù)據(jù)顯示及模型操作界面。

（2）火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。終端傳感器使用煙感火災(zāi)探測(cè)器，而不使用熱感探測(cè)器，這是因?yàn)楣芾葍?nèi)電力電纜故障引起絕緣層受熱冒煙，進(jìn)而引起明火，是城市綜合管廊內(nèi)引起火災(zāi)的主要誘因[12]。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集傳感器數(shù)據(jù)，顯示在對(duì)應(yīng)的模型構(gòu)件上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在模型上的直觀(guān)顯示。若數(shù)據(jù)超出了設(shè)置的正常范圍，管廊內(nèi)部的報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)聲并上傳至監(jiān)控中心，點(diǎn)擊異常位置可以調(diào)取其他子系統(tǒng)信息，供工作人員綜合判斷。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)管廊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將畫(huà)面進(jìn)行儲(chǔ)存和傳遞。管廊內(nèi)的高清攝像頭負(fù)責(zé)圖像采集，經(jīng)光纖信號(hào)傳輸至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，最終傳到監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。監(jiān)控中心可以根據(jù)需要切換監(jiān)控區(qū)域和畫(huà)面，第一時(shí)間采集發(fā)生意外處的圖像和位置信息，為管理人員提供決策依據(jù)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可與各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，充分了解管廊運(yùn)行狀況。

（4）環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控管廊內(nèi)部的空氣質(zhì)量、溫濕度、有害氣體等指標(biāo)，保證管廊內(nèi)部工作檢修人員的安全。當(dāng)內(nèi)部的溫度和氣體超出正常范圍時(shí)，聯(lián)合設(shè)備系統(tǒng)開(kāi)啟通風(fēng)換氣裝置，以保證工作人員的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)還對(duì)管廊內(nèi)部水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若因墻體滲水或管線(xiàn)破壞導(dǎo)致水位上升，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟排水設(shè)備，降至安全水位后，檢修人員可根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)確定事故位置進(jìn)行處理。環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

（5）安全防范系統(tǒng)。當(dāng)有外部人員非法進(jìn)入管廊內(nèi)部時(shí)，安全防范系統(tǒng)會(huì)向監(jiān)控中心報(bào)警，顯示入侵位置等信息，并實(shí)時(shí)跟蹤定位入侵者，聯(lián)合其他監(jiān)控系統(tǒng)，給監(jiān)控中心工作人員提供全面的信息。

（6）設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)管廊內(nèi)部電力、熱力、自來(lái)水、排水、天然氣等設(shè)施的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)記錄設(shè)備信息和能耗，控制設(shè)備運(yùn)行，監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，異常時(shí)向監(jiān)控中心報(bào)警。保證管廊內(nèi)各種設(shè)備高效穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)能環(huán)保。

3.2 BIM技術(shù)在管廊平臺(tái)內(nèi)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）提高管理效率。BIM技術(shù)可以集成管廊從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維管理各階段的過(guò)程信息，構(gòu)建一個(gè)三維可視化管理平臺(tái)，使管理人員能夠清晰直觀(guān)地看見(jiàn)管廊內(nèi)部情況和各部件信息，監(jiān)控系統(tǒng)共享管廊內(nèi)外環(huán)境，讓管理者方便根據(jù)監(jiān)控和BIM模型找到對(duì)應(yīng)信息，快速了解管線(xiàn)狀態(tài)，大大提高管理效率。

（2）降低運(yùn)維管理的風(fēng)險(xiǎn)和成本。基于BIM技術(shù)的三維可視化操作管理平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控管廊結(jié)構(gòu)和部件情況進(jìn)行預(yù)警，降低事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)或避免危險(xiǎn)情況發(fā)生。信息化管理方式讓運(yùn)維過(guò)程更加智能化，節(jié)約管理成本。

（3）擁有良好的發(fā)展環(huán)境。目前BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都有很多成功案例，BIM技術(shù)應(yīng)用在管廊全生命周期管理中會(huì)越來(lái)越成熟，這些都為構(gòu)建更加智能化的運(yùn)維平臺(tái)打下了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于BIM的管廊運(yùn)維管理平臺(tái)以三維模型為數(shù)據(jù)載體，集成監(jiān)控、施工、資料、管線(xiàn)四類(lèi)信息，建立一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警管廊內(nèi)外狀態(tài)信息的智能化系統(tǒng)。本文以合肥市管廊項(xiàng)目作為應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了管廊全生命周期管理，提高了管理效率，降低了管理成本和事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)了城市綜合管廊智能化發(fā)展，對(duì)惠及民生福祉和保障城市運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。