基于BIM 技術(shù)的地下溝渠修復(fù)工程全生命周期應(yīng)用研究

朱 純 葉 欣 熊 力 楊建宇 楊偉軍

（1.長沙市公共工程建設(shè)中心，湖南 長沙 410001；2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410076)

0 引言

我國城市用水量與日俱增，地下排水渠道承受的荷重也越來越大，而我國排水渠道年久失修，造成我國排水渠道腐蝕、滲漏，渠道易產(chǎn)生破壞、變形和不均勻沉降等問題[1]。隨著BIM 技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的推廣，運用三維可視化信息模型，集合工程全生命周期不同階段各參與方的數(shù)據(jù)與信息資源，使數(shù)據(jù)信息得到共享和協(xié)同工作[2-3]。以長沙市紅旗渠加固修復(fù)工程試驗段為例，利用BIM 技術(shù)對地下管渠進(jìn)行全生命周期模擬，探討B(tài)IM 技術(shù)在地下管渠勘察、設(shè)計、施工與運維中的應(yīng)用情況。

1 項目背景

長沙市紅旗渠為地下排水溝渠，因年久失修需要修復(fù)，如圖1 所示。渠道為漿砌片石側(cè)墻+預(yù)制砼圓拱，斷面尺寸為5000×1400+G1600，埋深約5.21～6.66m，渠頂覆土約2.21～3.66m。根據(jù)前期渠道檢測結(jié)果，修復(fù)長度為120m，擬分為四種修復(fù)技術(shù)（“模筑法”、“噴射法”、“預(yù)制拼裝法”以及“螺旋纏繞法”）加固修復(fù)。該項目通過對幾種修復(fù)技術(shù)全方位地進(jìn)行評價對比，擇優(yōu)選擇合理工法，用以指導(dǎo)加固修復(fù)設(shè)計及施工。

圖1 紅旗渠損壞情況

2 基于BIM 的勘察應(yīng)用

三維地質(zhì)模型還可為規(guī)劃工程范圍及選取鉆孔點提供參考[4]。在勘察過程中除了需較準(zhǔn)確地體現(xiàn)空間的總體分布特征，需要確定剖面上各個地層的傾角及空間延展方向，收集物探、鉆探和已有勘察資料，確定需要增添的鉆孔點的范圍[5]；地質(zhì)勘察過程中需要收集、整理和統(tǒng)計大量數(shù)據(jù)，通過三維地質(zhì)建模軟件將所需要的物理力學(xué)參數(shù)直接在三維地質(zhì)模型中體現(xiàn)，避免繁瑣地翻閱紙質(zhì)的工程地勘資料[5]。

為實現(xiàn)基于BIM 應(yīng)用條件下勘察信息模型快速建模，對實驗段進(jìn)行鉆孔建模，如圖2 所示。分別對工程地勘報告已有的鉆孔進(jìn)行三維建模，再連接剖面線描繪大致土層分布曲線，再生成三維地質(zhì)體模型，如圖3 所示。

圖2 鉆孔模型

圖3 三維地質(zhì)體模型

三維地質(zhì)體模型除了在建立過程中可添加由于實際地形無法勘測到的鉆孔點，可根據(jù)勘察報告出圖標(biāo)準(zhǔn)，沿勘察信息模型預(yù)設(shè)鉆孔剖面線方向進(jìn)行剖切，如圖4 所示，然后導(dǎo)入CAD 中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)出圖。

圖4 自動剖面出圖

3 基于BIM 的設(shè)計應(yīng)用

采用Autodesk 公司出品的Revit 軟件將二維施工圖中溝渠相關(guān)信息逐一輸入，將傳統(tǒng)的平面施工圖紙，從二維平面視圖轉(zhuǎn)化成三維可視化模型。

溝渠工程在設(shè)計階段的應(yīng)用一方面是以三維地質(zhì)模型為中心，將三維地質(zhì)模型與渠道的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)對渠道的查詢、分析和管理，如圖5 所示；另一方面，建立四種不同修復(fù)技術(shù)的信息查詢。由于各非開挖修復(fù)方案選取的不同，其施工過程也有差異，僅僅將三維模型與溝渠的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)有機(jī)地鏈接起來還不夠，需要建立包含更多的設(shè)計參數(shù)，便于管理、利用和查詢。

圖5 紅旗渠三維BIM 模型

由Revit 軟件建立的BIM 模型與現(xiàn)實情況完全一致，所以在模型內(nèi)點擊任何構(gòu)件都可顯示出其名稱、尺寸、屬性等特點，為建設(shè)單位及非專業(yè)人士提供良好的視覺效果，以便后續(xù)工作中及時地溝通和調(diào)整。

在項目設(shè)計階段，利用Navisworks 軟件實現(xiàn)BIM 碰撞檢測功能，分析BIM 綜合模型中的“錯、漏、碰、撞”等問題，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，兼顧調(diào)整溝渠范圍內(nèi)管線的分布、立體走向等，如圖6 所示，確定最優(yōu)化設(shè)計方案。

圖6 碰撞檢測

4 基于BIM 的施工應(yīng)用

在施工過程中，經(jīng)常需要統(tǒng)計大量的施工參數(shù)，當(dāng)添加新的地質(zhì)數(shù)據(jù)時，各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)很難做到協(xié)調(diào)，不能保證工程設(shè)計水平和效率最大化。三維BIM 模型與施工參數(shù)相結(jié)合，不僅可以為決策者提供方便的整體觀測和評價方法，還可以提供各種地質(zhì)信息。

在工程施工階段，通過采用BIM 技術(shù)模擬四種修復(fù)方法，對各個施工工藝、操作要點和工序流程精細(xì)化處理，運用Revit 軟件對“模筑法”、“噴射工藝”、“預(yù)制拼裝”以及“螺旋纏繞”四種修復(fù)技術(shù)進(jìn)行工序工藝模擬，將施工模型導(dǎo)入Fuzor 軟件中，并通過模型、動畫的三維可視化交底來實現(xiàn)對工藝工序的展示及重難點的控制，使得交底難度大幅度減小，降低了由于現(xiàn)場施工失誤造成的返工及經(jīng)濟(jì)損失，對四種修復(fù)技術(shù)進(jìn)行擇優(yōu)選擇。

在施工動態(tài)模擬過程中，將Revit 模型轉(zhuǎn)化為NWC 模型格式；導(dǎo)入NWC 文件到Navisworks 軟件中，優(yōu)化設(shè)置并仿真模擬。完成準(zhǔn)備工作后，統(tǒng)一不同施工工序與各構(gòu)件施工時點，為各層管理人員提供糾正和管理上的便利，如圖7 所示。

圖7 施工模擬進(jìn)度計劃

5 基于BIM 的運維應(yīng)用

由于溝渠年久失修，周邊后續(xù)項目施工引起的應(yīng)力或者土體形變超過設(shè)計規(guī)定值，極易導(dǎo)致溝渠范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)受力發(fā)生改變，進(jìn)而引發(fā)相關(guān)結(jié)構(gòu)受力不均或是渠體變扭轉(zhuǎn)等問題，且渠內(nèi)垃圾堵塞、暴雨導(dǎo)致的水淹現(xiàn)象等問題層出不窮。

通過BIM 技術(shù)實現(xiàn)在溝渠排水工程中的應(yīng)用，能有效管控溝渠內(nèi)環(huán)境，提高工作效率。此外，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和布置傳感器等方式，監(jiān)管并管控溝渠內(nèi)的物理化學(xué)方面的變化。傳感器可檢測溝渠內(nèi)的污水化學(xué)成分，從而防止化學(xué)物質(zhì)對新加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層的浸蝕等危害；將溝渠分段管控，若溝渠內(nèi)水質(zhì)污染問題嚴(yán)重，可借助BIM 運維模型實現(xiàn)污水源的檢測。基于BIM 技術(shù)對紅旗渠進(jìn)行實時監(jiān)測與維護(hù)管理（圖8），不僅提高了監(jiān)測力度，還有效增加了維護(hù)管理的效率。

圖8 渠道運維管控

6 結(jié)束語

地下溝渠非開挖修復(fù)在發(fā)達(dá)國家比較普遍，我國剛剛處于起步階段。通過采用BIM 技術(shù)，立足于全生命周期的視角，分別從勘察、設(shè)計、施工、運維等方面進(jìn)行剖面出圖、施工模擬、碰撞檢查，給予地下溝渠非開挖修復(fù)項目全過程的信息化管理，發(fā)揮BIM 的技術(shù)性與創(chuàng)新性優(yōu)勢，為相關(guān)項目技術(shù)人員提供參考。