BIM技術(shù)在城市綜合管廊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

(廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，廈門 361000)

引言

綜合管廊是保障城市發(fā)展的生命線工程，具有工程體量大、結(jié)構(gòu)斷面復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)多、涉及專業(yè)廣、施工周期長且施工質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[1,2]。隨著城市市政基礎(chǔ)設(shè)施信息化建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，綜合管廊建設(shè)對設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維均提出更高要求。傳統(tǒng)“流水式”二維設(shè)計(jì)方式已不能滿足信息化精細(xì)化建設(shè)管理的需求，三維協(xié)同設(shè)計(jì)已成為趨勢。

建筑信息模型(BIM)是工程建設(shè)領(lǐng)域的一次技術(shù)革新，以BIM技術(shù)為核心的三維設(shè)計(jì)正推動著傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方式的轉(zhuǎn)變，是BIM全生命周期應(yīng)用乃至工程建設(shè)信息化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵一環(huán)。目前，BIM技術(shù)在市政基礎(chǔ)設(shè)施方面的研究及應(yīng)用仍處于初級階段，國家及各地方政府陸續(xù)出臺了多項(xiàng)文件，大力支持BIM技術(shù)發(fā)展[3-6]。因此，本文以廈門祥平保障房地鐵社區(qū)配套綜合管廊項(xiàng)目為依托，研究BIM技術(shù)在綜合管廊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以期為同類項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

廈門祥平保障房地鐵社區(qū)配套綜合管廊工程位于廈門市同安工業(yè)集中區(qū)及祥平保障房地鐵社區(qū)，包含卿樸路、二環(huán)南路兩條綜合管廊，總長度約5.2km。綜合管廊斷面形式為單艙、雙艙及頂管斷面等共計(jì)6種標(biāo)準(zhǔn)斷面，全線包含管線分支口、逃生口等管廊土建結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)51種。

該項(xiàng)目管廊所在道路為現(xiàn)狀道路，途經(jīng)村莊，周邊環(huán)境復(fù)雜，征拆協(xié)調(diào)工作量大、難度高，地下管線眾多，管廊與排洪箱涵、軌道等構(gòu)筑物交叉，管廊施工質(zhì)量要求高，且工期緊張。針對以上特點(diǎn)，項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段引入BIM技術(shù)為綜合管廊設(shè)計(jì)提供三維解決方案。

2 BIM實(shí)施策劃

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前，綜合管廊工程相關(guān)國家、地方BIM標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，BIM實(shí)施缺乏規(guī)范指導(dǎo)。本項(xiàng)目借鑒現(xiàn)行相關(guān)市政工程國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)指南，從模型的命名、精度、拆分、入廊管線配色、模型交付等方面，制定適用于綜合管廊的項(xiàng)目級BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，保障BIM設(shè)計(jì)有序開展，為后續(xù)企業(yè)級BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的編制奠定基礎(chǔ)。

2.2 軟件平臺

Autodesk Revit是國內(nèi)主流BIM軟件之一，更符合設(shè)計(jì)人員的操作習(xí)慣[7]，結(jié)合項(xiàng)目所在城市BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)綜合考慮綜合管廊設(shè)計(jì)特點(diǎn)、各階段信息傳遞、數(shù)據(jù)與平臺兼容性等諸多因素，采用Autodesk Revit、Dynamo及鴻業(yè)系列軟件進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，由Fuzor、Twinmotion等軟件進(jìn)行模型的可視化模擬與分析。

2.3 協(xié)同設(shè)計(jì)

綜合管廊工程涉及專業(yè)眾多，各專業(yè)之間的協(xié)同是設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)?；赗evit建立各專業(yè)工作集，利用工作集與服務(wù)器上的項(xiàng)目中心文件可實(shí)時(shí)雙向傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計(jì)信息的實(shí)時(shí)協(xié)同，提高溝通配合效率和設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，各專業(yè)通過文件鏈接的協(xié)同設(shè)計(jì)模式整合形成全專業(yè)BIM模型，見圖1。

圖1 工作集的劃分與同步

2.4 技術(shù)路線

考慮綜合管廊總體、結(jié)構(gòu)、附屬及管線等專業(yè)設(shè)計(jì)流程與需求，同時(shí)，滿足綜合管廊性能模擬與分析要求，統(tǒng)籌管理BIM設(shè)計(jì)過程中的各類數(shù)據(jù)文件，基于Revit平臺，制定適用于綜合管廊工程的BIM實(shí)施技術(shù)路線，如圖2所示，指導(dǎo)綜合管廊BIM技術(shù)應(yīng)用高效開展。

圖2 BIM實(shí)施技術(shù)路線

2.5 參數(shù)化族庫搭建

綜合管廊工程的標(biāo)準(zhǔn)化程度相對較高，可搭建參數(shù)化族庫，通過控制可變參數(shù)，完成土建結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備構(gòu)件的快速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的重復(fù)高效利用，提高建模效率[8]。本項(xiàng)目綜合管廊設(shè)計(jì)包含標(biāo)準(zhǔn)段、管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)(如通風(fēng)吊裝口、管線分支口、三通、四通、頂管井)及附屬設(shè)備設(shè)施等。根據(jù)綜合管廊專業(yè)需求，搭建針對各類土建結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等七大附屬系統(tǒng)族庫，共建立325種族構(gòu)件，為后續(xù)綜合管廊項(xiàng)目BIM建模奠定基礎(chǔ)，見圖3。

3 設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM建模

(1)周邊場地模型創(chuàng)建

本項(xiàng)目周邊場地模型包括現(xiàn)狀地形，現(xiàn)狀卿樸路、二環(huán)南路道路及地下管線模型。地形模型根據(jù)測量CAD文件，利用Civil3D處理地形坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)狀地形曲面模型； 現(xiàn)狀道路模型采用鴻業(yè)路易軟件構(gòu)建，并在Revit中進(jìn)行整合，如圖4所示； 現(xiàn)狀管線模型根據(jù)項(xiàng)目周邊地下管線地勘情況，利用Dynamo提取各類地下管線、檢查井信息快速創(chuàng)建現(xiàn)狀管線模型，如圖5所示，現(xiàn)狀地下管線模型為管廊線位比選、施工期間管線遷改提供可視化模型。

圖3 綜合管廊參數(shù)化族庫

圖4 現(xiàn)狀場地及道路模型

(2)綜合管廊模型創(chuàng)建

本項(xiàng)目綜合管廊BIM 模型創(chuàng)建主要包含總體結(jié)構(gòu)、入廊管線和附屬設(shè)備設(shè)施等，各專業(yè)基于BIM平臺進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，生成各專業(yè)模型，圖6為由土建模型、管線模型和附屬設(shè)施模型鏈接形成的綜合管廊全專業(yè)整合模型。

3.2 線位比選

二環(huán)南路(同盛路至同集路段)綜合管廊受現(xiàn)狀建設(shè)條件影響，不具備明挖施工條件，利用BIM技術(shù)優(yōu)化管廊頂管斷面及線位，輔助方案設(shè)計(jì)及技術(shù)論證。根據(jù)三維模型，管廊規(guī)劃線位布置在道路南側(cè)的綠化退線內(nèi)，距離現(xiàn)狀10kV鐵塔、周邊房屋建筑較近，且涉及大量房屋征拆、現(xiàn)狀管線遷改，施工受制約因素多。設(shè)計(jì)采用曲線頂管方案，總長度約1 710m，避讓沿線房屋征拆，大大減少無管線遷改量，對現(xiàn)狀交通影響小，管廊線位比選如圖7所示。

圖5 現(xiàn)狀地下管線模型

圖6 綜合管廊全專業(yè)整合模型

圖7 基于BIM模型的綜合管廊規(guī)劃線位與設(shè)計(jì)線位對比

圖8 管廊三維可視化實(shí)景檢查與碰撞檢查

3.3 碰撞檢查

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)不能全面反映管廊內(nèi)各類管線間的空間關(guān)系，尤其是管線分支口、管廊相交叉節(jié)點(diǎn)處，由于設(shè)計(jì)人員的空間想象力不足，容易疏漏一些管線碰撞的問題，將會增加設(shè)計(jì)變更與建設(shè)成本。三維模型可直觀地查看構(gòu)造復(fù)雜的特殊節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部構(gòu)造，利用碰撞檢查可快速查找碰撞沖突并生成碰撞報(bào)告，輔助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)漏碰缺等問題。本次設(shè)計(jì)分析了綜合管廊管線、結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)備等專業(yè)之間的空間關(guān)系，完成16處設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效減少設(shè)計(jì)變更，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，見圖8。

3.4 空間分析

綜合管廊的凈空和凈寬需滿足管廊運(yùn)維管養(yǎng)單位進(jìn)行維護(hù)檢修的要求[9]。將管廊BIM模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，進(jìn)行空間分析與仿真模擬。本項(xiàng)目采用的是Fuzor平臺，在軟件中放置人物，并設(shè)置人物身高屬性等參數(shù)，通過實(shí)景漫游進(jìn)行實(shí)際工作場景的模擬，利用軟件智能測量、機(jī)電設(shè)備吊裝模擬功能檢測管廊內(nèi)部空間是否滿足后期運(yùn)維的需求，并自動生成空間分析報(bào)告輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，見圖9。

3.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

參數(shù)化構(gòu)件可在結(jié)構(gòu)分析軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算[10]。本項(xiàng)目綜合管廊土建結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的BIM模型通過Revit-Midas轉(zhuǎn)換成mct文件，并導(dǎo)入Midas軟件完成結(jié)構(gòu)計(jì)算。根據(jù)Madas受力分析計(jì)算結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化，再導(dǎo)入Revit進(jìn)行模型調(diào)整。Revit模型與Midas模型可實(shí)現(xiàn)無縫互導(dǎo)，避免二次建模，實(shí)現(xiàn)BIM模型“一模多用”，同時(shí)提高模型優(yōu)化效率， 圖10為結(jié)構(gòu)計(jì)算過程及結(jié)果。

圖9 空間分析

圖10 結(jié)構(gòu)計(jì)算

圖12 BIM出圖

3.6 BIM算量

在BIM模型創(chuàng)建之前，制定綜合管廊構(gòu)件的拆分原則，確定各專業(yè)分部分項(xiàng)，如現(xiàn)澆段綜合管廊土建結(jié)構(gòu)的每個(gè)節(jié)段可按照砂碎層、C15砼墊層、C40砼底板、C40頂板、C40側(cè)墻、C20鋪裝層等部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分。由BIM模型可直接提取工程量，生成統(tǒng)計(jì)表，并與傳統(tǒng)的工程量統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行對比校核。以現(xiàn)澆段綜合管廊土建結(jié)構(gòu)工程量為例， BIM算量結(jié)果與傳統(tǒng)算量結(jié)果基本一致，相對誤差不超過2.45%，如圖11所示。與傳統(tǒng)算量方式相比，BIM算量更加準(zhǔn)確高效，BIM工程量與模型實(shí)時(shí)更新，減少反復(fù)算量工作，避免資源浪費(fèi)。

圖11 BIM算量與傳統(tǒng)算量對比

3.7 BIM出圖

在Revit軟件中預(yù)先設(shè)置符合設(shè)計(jì)院制圖要求的圖框、標(biāo)識、注釋等樣式，并設(shè)定為出圖樣板，BIM模型可快速生成二維及三維圖紙，見圖12。BIM模型真實(shí)反應(yīng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)情況，對于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，通過二維與三維圖紙的對照，提高非設(shè)計(jì)人員對管廊設(shè)計(jì)意圖的理解，有利于圖紙審核與設(shè)計(jì)交底。同時(shí)，圖紙與模型實(shí)時(shí)同步修改，大大地提高了設(shè)計(jì)變更效率。

4 結(jié)語

本文以廈門祥平保障房地鐵社區(qū)配套綜合管廊工程為背景，應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜合管廊設(shè)計(jì)中的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)和快速建模，并進(jìn)行一系列性能模擬與分析?；贐IM技術(shù)三維可視化和多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，針對綜合管廊工程的設(shè)計(jì)要求，研究BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、軟件平臺搭建、BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線，搭建土建結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及附屬設(shè)施系統(tǒng)參數(shù)化族庫，建立一套適用于綜合管廊項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性方案，為綜合管廊精細(xì)化、協(xié)同化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

實(shí)踐表明，BIM技術(shù)對綜合管廊的設(shè)計(jì)工作起到顯著改善作用，實(shí)現(xiàn)綜合管廊設(shè)計(jì)信息的高效傳遞共享與協(xié)同利用，有利于各專業(yè)設(shè)計(jì)信息的準(zhǔn)確表達(dá)，通過直觀感受三維設(shè)計(jì)成果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的缺陷并改正，提高設(shè)計(jì)方案的合理性，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。同時(shí)，三維信息模型為后期管廊施工、運(yùn)維提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使得設(shè)計(jì)信息貫穿整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的全生命周期，充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。