BIM技術(shù)在市政綜合管廊施工管理中的應(yīng)用

何 海，王 康，李丙林，魏華松，蘇 鵬

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100073）

隨著我國(guó)城市化程度的不斷提高，許多城市的人口數(shù)量和建筑密度不斷增加，但受城市用地空間日益緊張的限制，城市中許多市政管線設(shè)施早已不堪重負(fù)，部分城市的老城區(qū)出現(xiàn)了污水外溢、水氣熱供應(yīng)不足等問(wèn)題。同時(shí)，市政管網(wǎng)在建設(shè)完成后需定期進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，期間施工人員時(shí)常會(huì)對(duì)已鋪設(shè)的道路路面進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，既影響檢修工作進(jìn)度，又破壞了城市形象。

市政綜合管廊技術(shù)的出現(xiàn)徹底實(shí)現(xiàn)了電力、通信、供氣、供水等市政管網(wǎng)的統(tǒng)一納入。管廊技術(shù)早在19世紀(jì)前半葉便已出現(xiàn)在法國(guó)巴黎，從此開(kāi)啟了城市建設(shè)中開(kāi)發(fā)利用地下空間的序幕，截至2000年，巴黎市共建設(shè)完成市政綜合管廊100 km。20世紀(jì)30年代，我國(guó)的近鄰日本開(kāi)始實(shí)踐探索市政綜合管廊技術(shù)，尤其是在用地十分緊張的東京區(qū)域。截至2010年，全東京結(jié)合新干線共建設(shè)完成126 km的市政綜合管廊，在東京主城區(qū)內(nèi)還規(guī)劃有162 km市政綜合管廊等待開(kāi)工建設(shè)。在我國(guó)，北京市作為市政綜合管廊實(shí)踐的先驅(qū)者，早在1958年便在天安門(mén)廣場(chǎng)下方鋪設(shè)了1 km的綜合管廊；1994年上海市在浦東新區(qū)規(guī)劃建設(shè)了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度和體量最大的綜合管廊——浦東新區(qū)張楊路綜合管廊，該管廊全長(zhǎng)11.125 km[1]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)各大城市的市政綜合管廊建設(shè)迎來(lái)一個(gè)新的高峰期，國(guó)家和省市各級(jí)住建部門(mén)紛紛出臺(tái)相關(guān)鼓勵(lì)政策加快推動(dòng)市政綜合管廊建設(shè)，但受到施工難度大、投資額度高等問(wèn)題的影響，市政綜合管廊在我國(guó)的應(yīng)用范圍還僅限于部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市。

1 BIM技術(shù)概述

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）技術(shù)是以三維模型為載體，將建設(shè)項(xiàng)目各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行高度集成，并利用數(shù)字仿真模擬相關(guān)工程的真實(shí)信息，從而實(shí)現(xiàn)工程信息的數(shù)字化。在建設(shè)項(xiàng)目施工中應(yīng)用BIM技術(shù)，可以提高工程建設(shè)的可視化程度，提升相關(guān)管理水平，尤其是覆蓋建設(shè)項(xiàng)目全過(guò)程全壽命周期的相關(guān)模型數(shù)據(jù)[2]，能夠讓項(xiàng)目參建人員隨時(shí)隨地查看任意工序的信息數(shù)據(jù)，使施工過(guò)程更加科學(xué)合理，并可以為后續(xù)類(lèi)似項(xiàng)目積累寶貴的施工數(shù)據(jù)。

2 BIM技術(shù)在市政綜合管廊施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 通過(guò)查漏補(bǔ)缺降低施工管理風(fēng)險(xiǎn)

市政綜合管廊不僅自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且內(nèi)部需要容納大量的各類(lèi)市政管線。鑒于此，在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式中，設(shè)計(jì)圖紙經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一定偏差，勢(shì)必會(huì)給施工質(zhì)量和工程進(jìn)度帶來(lái)不利影響，如果因設(shè)計(jì)圖紙的紕漏導(dǎo)致項(xiàng)目返工還將浪費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)。

采用BIM技術(shù)可以創(chuàng)建三維模型，讓整個(gè)綜合管廊顯得更加 “直觀”。施工人員通過(guò)同比例放大的模型能夠更加輕松地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖中的錯(cuò)誤。同時(shí)，施工人員可以利用BIM技術(shù)對(duì)管線與管線、管線與主體之間的碰撞進(jìn)行更加細(xì)致、安全、科學(xué)的排查，讓精細(xì)化和協(xié)調(diào)化的管理真正落實(shí)到地下管廊的施工建設(shè)中。

2.2 動(dòng)態(tài)管控施工

市政綜合管廊具有單位造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)等特征，施工進(jìn)度和施工質(zhì)量是項(xiàng)目施工期間最受關(guān)注的內(nèi)容。項(xiàng)目管理人員通過(guò)BIM技術(shù)能夠?qū)⑹┕?nèi)容進(jìn)行合理的管控，例如，在成本控制管理過(guò)程中，利用BIM模型可以高效地提取施工建設(shè)過(guò)程中每一項(xiàng)構(gòu)件的工程量清單，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)對(duì)比。同時(shí)，如果在施工過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更，設(shè)計(jì)師只需用新的模型數(shù)據(jù)對(duì)原有模型數(shù)據(jù)進(jìn)行局部替換，系統(tǒng)本身便可直接對(duì)變更內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，甚至自動(dòng)帶動(dòng)工程建設(shè)量的整體自動(dòng)更新。分析設(shè)計(jì)變更對(duì)工程建設(shè)進(jìn)度及成本的影響可以有效地輔助相關(guān)人員進(jìn)行合理的決策變更[3]。

2.3 指導(dǎo)預(yù)制件加工

在市政綜合管廊施工過(guò)程中會(huì)應(yīng)用到大量的成品預(yù)制件。通過(guò)BIM模型數(shù)據(jù)的演示，相關(guān)預(yù)制件加工單位能夠清楚地了解到需生產(chǎn)的預(yù)制件的規(guī)格、數(shù)量，甚至還能夠得知不同型號(hào)預(yù)制件交付的時(shí)間。一旦遇到施工階段要求對(duì)部分預(yù)制件進(jìn)行局部調(diào)整，預(yù)制單位就可以根據(jù)數(shù)據(jù)模型立即對(duì)預(yù)制件進(jìn)行修改調(diào)整。此外，BIM系統(tǒng)還可以統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，便于設(shè)計(jì)單位、施工單位和預(yù)制件供應(yīng)商進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)對(duì)接，進(jìn)而減少了因設(shè)計(jì)變更而造成的時(shí)間浪費(fèi)。

3 BIM技術(shù)在綜合管廊項(xiàng)目施工圖深化階段的應(yīng)用

3.1 優(yōu)化管廊內(nèi)部空間布局

由于市政綜合管廊內(nèi)部需要納入的管線數(shù)量眾多，同時(shí)需要保留日常巡查維修的空間，加之管廊本身高昂的造價(jià)，管廊內(nèi)部可謂是 “寸土寸金”。BIM系統(tǒng)能將各類(lèi)管線真實(shí)地 “安裝”在管廊內(nèi)，并按照相關(guān)安全規(guī)范要求進(jìn)一步優(yōu)化管線的間距和布局方式，從而最大限度地提高管廊內(nèi)部空間的使用效率。此外，BIM系統(tǒng)可以檢測(cè)設(shè)備用房區(qū)域、管廊主要通道、機(jī)電管道、結(jié)構(gòu)預(yù)留孔洞位置、人行通道是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。BIM模型能夠符合施工圖階段模型精度要求。

3.2 虛擬仿真漫游

通過(guò)BIM軟件搭建的三維模型能夠直觀地再現(xiàn)綜合管廊的內(nèi)部空間和需鋪設(shè)的各類(lèi)管線，并且在系統(tǒng)中這些組件的所有細(xì)節(jié)都能夠被全方位地呈現(xiàn)，哪怕是管道上一個(gè)小小的螺栓，其定位數(shù)據(jù)和尺寸比例都絲毫不差。因此，將整個(gè)綜合管廊的BIM數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入Fuzor軟件后便可模擬出管廊內(nèi)的一切物體，甚至可虛擬一個(gè)AI角色扮演養(yǎng)護(hù)人員對(duì)管廊及其內(nèi)部管線進(jìn)行日常巡查，并實(shí)時(shí)顯示巡查路徑。一旦在演示過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題即可輸出節(jié)點(diǎn)信息，并提交相關(guān)單位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4 BIM技術(shù)在綜合管廊項(xiàng)目施工準(zhǔn)備階段的應(yīng)用

4.1 優(yōu)化施工場(chǎng)地布置

市政綜合管廊工程除了部分施工地點(diǎn)位于新建區(qū)域外，絕大部分施工地點(diǎn)位于人口與建筑物密度較高的城區(qū)，施工用地極為緊張，而綜合管廊施工目前多采用預(yù)制件現(xiàn)場(chǎng)拼接工藝，大體量的預(yù)制件和超大型的起重設(shè)備加劇了臨時(shí)施工場(chǎng)地的擁堵。

設(shè)計(jì)單位通過(guò)BIM模型能夠?qū)鹘y(tǒng)的施工場(chǎng)地平面布置圖轉(zhuǎn)化為三維模型，從而在三維空間內(nèi)將各類(lèi)施工材料和施工設(shè)備按照真實(shí)尺寸進(jìn)行布置，甚至可以規(guī)劃各類(lèi)施工材料和施工機(jī)械進(jìn)出臨時(shí)場(chǎng)地的路線，并提供給施工方來(lái)進(jìn)行各類(lèi)臨時(shí)設(shè)施和臨時(shí)堆場(chǎng)的布局優(yōu)化，從而可以大幅降低材料的二次運(yùn)輸和施工機(jī)械轉(zhuǎn)場(chǎng)的幾率，為施工單位節(jié)約大量的時(shí)間和金錢(qián)[4]。

4.2 編制施工組織方案

通常情況下市政綜合管廊系統(tǒng)的施工線路和工期較長(zhǎng)，在施工期間使用的各類(lèi)材料、機(jī)械和施工技術(shù)人員數(shù)量眾多，而且不同施工階段所涉及的施工人員、施工材料、施工機(jī)械也各不相同。因此合理地安排施工中所涉及的人員、材料、機(jī)械不僅關(guān)系到整個(gè)市政綜合管廊的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量，而且將對(duì)施工成本產(chǎn)生直接的影響。

在采用BIM模型后，施工人員能夠結(jié)合以往類(lèi)似工程的施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)情況模擬出本項(xiàng)目的施工進(jìn)度計(jì)劃，并根據(jù)該計(jì)劃羅列出不同階段所需安排的施工人員、施工材料、施工機(jī)械的種類(lèi)和數(shù)量，從而形成最為優(yōu)化的施工組織方案。

4.3 強(qiáng)化施工技術(shù)交底

施工圖交底是施工準(zhǔn)備階段最為重要的環(huán)節(jié)。交底工作的詳細(xì)程度不僅影響各工種之間的配合默契度和施工進(jìn)度，而且通過(guò)施工圖交底環(huán)節(jié)，施工人員能結(jié)合自身施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙中部分 “合規(guī)但不合理”的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。

通過(guò)將BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)融合，設(shè)計(jì)單位可以將設(shè)計(jì)圖紙直接制作成3D模型，使綜合管廊中的每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件直接展現(xiàn)在施工人員面前，讓施工人員直觀地了解每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的對(duì)應(yīng)型號(hào)和實(shí)際尺寸，甚至每一處焊接點(diǎn)和螺栓孔的位置，真正做到心中有數(shù)。

5 BIM技術(shù)在綜合管廊項(xiàng)目施工階段的應(yīng)用

5.1 施工質(zhì)量管理

首先，市政綜合管廊施工初期必須在施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖大體量的基坑，由于大體量的基坑對(duì)周邊建筑物的穩(wěn)定性影響較大，BIM模型系統(tǒng)可以將基坑支護(hù)設(shè)施如拉森鋼板樁、地下連續(xù)墻等直接進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，并將整個(gè)基坑周邊的地質(zhì)數(shù)據(jù)加載到抗滑驗(yàn)算模型中一并加以驗(yàn)算，確?；又ёo(hù)的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，利用自動(dòng)位移和沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備可將各個(gè)支護(hù)面上的位移和沉降數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入BIM模型，從而對(duì)基坑及周邊土體的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)基坑某支護(hù)面短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大的位移沉降變化、累計(jì)位移沉降變化超過(guò)合理值，系統(tǒng)將直接顯示出現(xiàn)問(wèn)題的具體位置，以便施工人員及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急搶修。

其次，市政綜合管廊施工過(guò)程中將大量使用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制件，為了保證預(yù)制件質(zhì)量，可采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)預(yù)制件進(jìn)行全覆蓋式掃描測(cè)量，以確保其實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)模型保持合理的誤差，從而提高現(xiàn)場(chǎng)拼接和固定工作的效率。此外，項(xiàng)目管理人員利用超聲波掃描技術(shù)可以對(duì)預(yù)制件內(nèi)部的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)制件內(nèi)部的裂紋和細(xì)微空鼓。

最后，在進(jìn)行市政綜合管廊施工時(shí)除部分節(jié)點(diǎn)采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑外，大部分管廊及內(nèi)部設(shè)施主要采用預(yù)制件拼接形式進(jìn)行施工，在保證預(yù)制件質(zhì)量后施工現(xiàn)場(chǎng)的拼接質(zhì)量就成為了影響管廊體系質(zhì)量的重要因素。鑒于部分綜合管廊采用螺栓進(jìn)行錨固，為了保證每一處固定點(diǎn)所使用的緊固件滿足規(guī)范要求，施工時(shí)可將預(yù)制件的二維碼信息與緊固件的二維碼信息綁定。如果兩者之間的型號(hào)不相匹配，BIM系統(tǒng)將直接進(jìn)行提示，而當(dāng)少數(shù)錨固點(diǎn)出現(xiàn)遺漏時(shí)，系統(tǒng)也將通過(guò)核對(duì)緊固件庫(kù)存數(shù)量來(lái)進(jìn)行校核。管廊內(nèi)部的各類(lèi)管線也可采用相同的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)管[5]。

5.2 施工進(jìn)度管理

對(duì)于市政綜合管廊而言，施工進(jìn)度既是保障項(xiàng)目按時(shí)交付實(shí)施的關(guān)鍵，又與降低項(xiàng)目安全生產(chǎn)隱患息息相關(guān)。通過(guò)應(yīng)用BIM系統(tǒng)模型，項(xiàng)目管理人員可以對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行標(biāo)記，甚至可以細(xì)化到每一處預(yù)制件或每一段內(nèi)部管線的施工時(shí)間，從而使得整個(gè)管廊系統(tǒng)施工所需時(shí)間一目了然，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工環(huán)節(jié)中進(jìn)度落后的工序，以便及時(shí)予以調(diào)整優(yōu)化。同時(shí)，項(xiàng)目管理人員可以利用模型數(shù)據(jù)及結(jié)合施工進(jìn)度情況，合理安排后續(xù)施工所需的人員、材料、機(jī)械等，尤其是市政綜合管廊施工所需的預(yù)制件需要提前定制，進(jìn)而避免了施工期間因等工、等料等引發(fā)的怠工問(wèn)題，確保了施工進(jìn)度符合計(jì)劃要求。

5.3 施工安全管理

由于市政綜合管廊大量工程設(shè)施位于地下，施工時(shí)需要進(jìn)行土方開(kāi)挖作業(yè)，尤其是在我國(guó)南方地區(qū)，施工易受到降雨的影響，致使基坑圍護(hù)出現(xiàn)透水、坍塌等安全生產(chǎn)事故。此外，地下施工現(xiàn)場(chǎng)條件較為復(fù)雜，各類(lèi)現(xiàn)有地下管線如同蜘蛛網(wǎng)般橫亙?cè)诠芾仁┕っ嫔?，而地下空間較為封閉的施工環(huán)境也容易引發(fā)管涌、氣體中毒等事故。為確保施工安全，可以采取以下措施。

一是在項(xiàng)目施工期間除了調(diào)閱現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)各類(lèi)管線的竣工圖紙外，還可以利用超聲波探測(cè)裝置或金屬探測(cè)儀對(duì)基坑四周的現(xiàn)有管線進(jìn)行細(xì)致的勘察，并通過(guò)實(shí)時(shí)差分 （Real-time Kinematic，RTK）定位網(wǎng)絡(luò)對(duì)所探得的管線進(jìn)行定位信息的融合，隨后將管道直徑、走向、深度等相關(guān)信息統(tǒng)一錄入BIM系統(tǒng)中，便可得到十分完整的施工區(qū)域管線分布模型。項(xiàng)目管理人員在得到管線分布模型后逐一與管道的管理單位進(jìn)行對(duì)接，并提前按要求做好管線改遷或現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)工作。

二是針對(duì)綜合管廊施工期間容易出現(xiàn)高強(qiáng)度降雨的情況，項(xiàng)目管理人員可以提前在基坑或集水井內(nèi)布設(shè)水位探測(cè)儀，從而獲取基坑內(nèi)積水量信息。隨后將上述設(shè)備所收集的水位數(shù)據(jù)統(tǒng)一顯示在BIM模型中，同時(shí)將集水井內(nèi)排水泵的運(yùn)行信息一并進(jìn)行顯示，從而方便管理人員決策是采取排水理念來(lái)控制水位上升，還是及時(shí)撤出人員和機(jī)械以免出現(xiàn)人員傷亡。

6 結(jié)束語(yǔ)

市政綜合管廊作為提高城市地下空間利用率、改善城市建成區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)水平的重要舉措，在我國(guó)應(yīng)用的范圍將越來(lái)越廣。通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)來(lái)完善市政綜合管廊的建設(shè)和管理工作，不僅能夠發(fā)揮BIM技術(shù)虛擬模型演示的長(zhǎng)處，而且利用GIS定位技術(shù)、探測(cè)感應(yīng)等其他先進(jìn)技術(shù)可進(jìn)一步提高項(xiàng)目管理人員對(duì)工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全等的管控力度。