綜合管廊的智慧化建造及運維體系綜述

馮天垚 姚海波 耿英宸 尹力文 莊 璐

(1.北方工業(yè)大學，北京100144； 2.中化學路橋建設有限公司，北京 101100； 3.中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176)

0 引言

綜合管廊將電力、通信、給水、排水、燃氣等管線統(tǒng)一規(guī)劃，集中鋪設，避免了因鋪設不同類型的管線而造成的“馬路拉鏈”現(xiàn)象，減小了路面開挖對交通的影響，方便了管線的檢修與維護，提高了城市地下空間利用率[1]。在2015年前后我國掀起了興建城市地下綜合管廊的浪潮，逐漸形成了科學、合理的綜合管廊的規(guī)劃、設計、建設理念，同時國家也對綜合管廊建設的法律法規(guī)、政策、管理辦法不斷補充與完善，并且相關裝備及技術也在不斷進步發(fā)展，綜合管廊市場呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象[2]。但是綜合管廊后期的運營情況卻不容忽視，因為一旦發(fā)生故障或災害事故，就會產(chǎn)生連鎖效應和衍生災害，直接威脅整個城市的公共安全，給人民的生活造成重大影響。因此，建立智慧化綜合管廊是管廊建設發(fā)展的趨勢，是保障城市正常運行的重要一環(huán)。國內(nèi)管廊起步較晚，截至目前還沒有進入全面運營階段，有關綜合管廊后期運維的管理標準、法律法規(guī)還尚未出臺，同時也沒有專業(yè)的城市綜合管廊運營公司，管廊智慧運維市場處于一片空白[3-4]。因此，對城市地下綜合管廊進行智慧化管理的研究非常必要。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關于綜合管廊的相關研究，大多集中于綜合管廊的可行性分析、規(guī)劃、設計與施工方面，運維管理方面相對比較少，且只有少數(shù)學者開始將BIM、GIS、云計算等相關技術融入綜合管廊運維平臺。近幾年我國建設的管廊項目還未進入全面運營階段，運營管理方面的總體狀況為：經(jīng)驗不足、法規(guī)不全、平臺不專、標準不一，主要表現(xiàn)在管理方式落后，應急響應慢，權責無法可依、智慧運營管理的標準嚴重缺乏[5]。劉彬等[6]依托艮山路地下綜合管廊工程，將BIM技術應用到施工場地策劃、管線綜合布線、施工模擬、工程量結算和質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，大幅度提升了綜合管廊的施工水平和施工效率；王軍等[7]總結了3種不同的綜合管廊的投資建設模式，闡述了綜合管廊運營期間的使用費構成、收費定價影響因素、收費機制，歸納了目前我國在綜合管廊建設及運營方面存在的問題，并提供了解決問題的措施與建議；宋文波[8]歸納了2015年前后我國政府發(fā)布的綜合管廊建設的政策和國內(nèi)外管廊的研究探索歷程，探討了北京市管廊發(fā)展的規(guī)劃構想和建設情況，并結合北京市政工程設計研究總院承擔的綜合管廊工程實例，進一步闡述了管廊未來的發(fā)展方向。楊黨鋒等[9]以某項目為依托，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術，建立了綜合管廊運維管理系統(tǒng)?？傊C合管廊智慧化建造與運維的相關研究比較少，且主要針對BIM技術、GIS技術的研究以及綜合管廊智慧化運維平臺的構成部分，并沒有詳細闡述如何在綜合管廊全生命周期內(nèi)實現(xiàn)智慧化管控，所研究的內(nèi)容只是針對某一個特定的管廊，并未在大范圍內(nèi)實現(xiàn)管廊的智慧化管理。

2 綜合管廊管理體系的發(fā)展

從1958年北京市天安門廣場下的第1條管廊開始，截至2021年，我國綜合管廊發(fā)展已有60多年的歷史，經(jīng)歷了從無到有、從弱到強的巨大飛躍。在此期間，可將管廊的發(fā)展歷程劃分為圖紙時代→數(shù)字時代→智能時代→智慧時代4個時代。在初期的圖紙時代，綜合管廊的信息資料通過圖紙卡片等紙質(zhì)文件進行記錄，導致記錄不全、信息缺失嚴重，綜合管廊的管理處于混亂之中。進入數(shù)字時代以后，綜合管廊的信息開始向數(shù)字化發(fā)展，綜合管廊內(nèi)部開始配備視頻安防監(jiān)控設施、通信設施、環(huán)境與設備監(jiān)控設施、火災報警等基礎監(jiān)控設施，采用人工巡檢的方式進行巡檢，初步形成綜合管廊的管理體系。隨著技術的飛速發(fā)展，通過增加對廊內(nèi)管線以及廊體構筑物的監(jiān)測，采用AR眼鏡、智能移動端設備、巡檢機器人等智能裝備對人工巡檢進行輔助，并且搭建綜合監(jiān)控運維管理的系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了對管廊的實時監(jiān)控和應急事件的快速響應處理，以及一體化分析決策與綜合管控等一系列功能，使綜合管廊的運維成本和運行安全得到了有效的保障，綜合管廊的管理體系走向成熟。伴隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等相關技術的發(fā)展，綜合管廊步入智慧時代，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析、智能巡檢、預前控制、危機處理等功能，防患于未然，確保綜合管廊的維檢自動化、管理可視化、數(shù)據(jù)標準化、應急智能化、管控精準化、分析全局化。

3 BIM在智慧管廊中的應用

綜合管廊是在狹小空間內(nèi)容納多類型管道系統(tǒng)的空間，尤其是在管廊交叉節(jié)點、投料口、出線井等位置的管道、支墩、支吊架、樓梯、人員通行及材料運輸通道，照明及供電，排水等情況相對龐雜。因空間狹小，當采用常規(guī)的二維設計模式開展設計時，不能及時發(fā)現(xiàn)設計方面存在的問題，從而導致了工期延長、費用增加、時間浪費。若基于BIM協(xié)同平臺進行綜合管廊設計，可以通過三維碰撞檢查功能，使管道支墩、閥門、支吊架等的安裝，管道交叉管線的分支、管道出線的連接更加合理；通過各專業(yè)對BIM模型進行共享，可以實現(xiàn)專業(yè)矛盾的及時發(fā)現(xiàn)并進行有效的化解，使綜合效率和整體質(zhì)量有很大程度的提升；通過BIM模型自動生成材料表、平面、剖面等圖紙的功能，可以實現(xiàn)圖紙和BIM模型二者之間的緊密聯(lián)系，減少設計圖紙中存在的錯誤，使工作效率得到進一步的提升[10]。

3.1 管廊工藝設計

管廊工藝設計包含標準橫斷面的設計、安裝孔、交叉節(jié)點、出線井、通風口、變配電室、人員出入口等的設計。在對綜合管廊進行橫斷面設計時，可直接對軟件數(shù)據(jù)庫中的標準橫斷面進行修改，快速簡便的生成所需橫斷面，如圖1所示。

圖1 標準橫斷面設計

在綜合管廊內(nèi)進行管道布置時，按照相關規(guī)范，依次對管道與管廊土建部分之間的凈距、管道支墩及支吊架與管道之間的凈距、管道與管道之間的凈距等參數(shù)進行設置與檢查，從而使管廊標準橫斷面中管道敷設的布局更加合理。根據(jù)BIM模型自動剖切生成的關鍵位置平、剖面詳圖，并利用其具有的智能化標注功能，對出線井、交叉節(jié)點等位置的施工進行說明和指導，從而實現(xiàn)BIM模型與詳圖的自動持續(xù)更新。

3.2 管廊結構設計

基于BIM技術的綜合管廊結構設計流程大致可分為3個方面，即BIM結構模型的創(chuàng)建、結構計算的分析、結構后處理。在綜合管廊BIM模型創(chuàng)建完成后，將BIM數(shù)據(jù)模型導入至結構計算軟件時，結構計算軟件可以自動識別結構計算分析所需構件的屬性，其中主要包括結構梁、軸網(wǎng)、樓板、墻、柱等，并且通過設定邊界條件、劃分單元、定義參數(shù)等方式實現(xiàn)其求解計算。利用得出的構件計算分析結果，對結構設計中不滿足構造要求的部位進行調(diào)整。在得出配筋結果之后，根據(jù)配筋的結果，自動生成相應的BIM鋼筋模型，從而實現(xiàn)從BIM模型到管廊結構設計計算的完美銜接[11]。管廊BIM模型如圖2所示，管廊結構計算分析模型如圖3所示。

圖2 管廊BIM模型

圖3 管廊結構計算分析模型

4 智慧化建造

4.1 深化設計

綜合管廊的主體結構和管線模型建立完成后，可以利用BIM技術對管廊的機電部分，如通風、供電、消防、排水、疏散、標志標牌、照明等進行精準化設計。例如，在進行照明設備安裝設計時，可對其光源功率、光源的光通量、鎮(zhèn)流器功率、轉(zhuǎn)換效率等規(guī)格參數(shù)進行設置，且利用BIM技術設計，還有助于日后用電量的統(tǒng)計。借助BIM技術自由快速參數(shù)化的特點，可對各種類型的攝像頭、氣體檢測設備、溫度濕度檢測設備進行布置設計，實現(xiàn)模型搭建的快速布置。其他機電設備的設計，包括標志、消防滅火、揚聲器或懸掛喇叭等相關裝置，同樣可以應用BIM技術做出近乎真實的模型。

4.2 虛擬設計與施工

虛擬施工技術可以采用5D技術對造價過程和施工進度進行可視化模擬，建造出一個可視化的施工環(huán)境。5D即將3D模型、工程進度和工程造價共同合為一體。利用5D技術的施工模擬可以在施工之前預測所需的材料、勞動力、資金等相關情況，從而對施工過程進行有效的成本控制。針對重點復雜區(qū)域的施工工藝進行模擬，檢查施工方案中的不合理之處，最終確定最優(yōu)施工方案。5D技術的施工模擬可應用于項目建造的整個過程，可以依次對項目進行前期指導、過程把控和結果校核，最終達到精細化管理項目的目標[12]。

4.3 工程概預算

將綜合管廊的BIM模型導入軟件三維模型算量模塊，通過三維模型與工程量清單子目進行相互關聯(lián)，軟件可以靈活編輯每一個工程量清單子目計算公式，還可以根據(jù)要求，對算量基準進行對應的選擇。在算量結果偏差的追蹤檢查方面，軟件檢查流程不但可以滿足三維模型可視化的要求，同時還能滿足精度檢測的多角度要求，做到既能以模型構件為檢查基準，又能以算量子目為檢查基準。與此同時，用戶可以選擇自行創(chuàng)建新的工程量清單，或者將工程量的計算結果更新至已有工程量清單中。

軟件中的投標計價模塊與工程量清單模塊都能滿足基于模型的數(shù)據(jù)可視化的要求，用戶也可對這2個模塊的工程量偏差進行可視化查看。除了上述提到的模塊以外，其他與工程量清單子目有關聯(lián)的任一模塊都可實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的要求，如部位模塊、施工組織模塊和賬單模塊等。

4.4 施工過程管理

采用5D模擬和施工計劃的方式，可以協(xié)助項目設計最優(yōu)化的施工方案，滿足清單層級細化的項目要求，并且能夠與多種項目管理軟件相互集成，比如，可以和Primavera，Power Project，MS-Project可靠集成，最終完成進度計劃的導入和導出等一系列工作。采用5D技術，可以制定不同的項目模擬方案，從而對不同的項目方案進行比較，同時自動進行財務分析與對比，最終達到優(yōu)化方案的目的。

在1個項目中可同時建立多個日歷，施工組織即可根據(jù)工程的安排做出對應日期的調(diào)整，從而使不同地區(qū)的進度管理得到更大程度的簡化。在將不同方案進行模擬和對比時，可以將估算內(nèi)容與施工組織的計劃二者之間相互聯(lián)系起來，其中的收益/成本可以和調(diào)整工程量或者清單工程量相互關聯(lián)起來，同時也可以將其和BIM模型關聯(lián)起來。除此之外，還可以將其進行動態(tài)的展示。

當施工組織的計劃建立之后，5D模擬流水段的劃分可以體現(xiàn)完成的工程量。在將清單與模型進行相互關聯(lián)之前，需對模型進行分段切割，清單與切割后的模型分段關聯(lián)，同時根據(jù)流水段編制施工進度計劃，從而實現(xiàn)清單和進度的相互掛接、預算、清單、綜合模型與項目實際情況的三維可視化比較。通過連接項目進度和成本的方式，確保對項目進度的實時追蹤，并且可以掌握完成數(shù)量以及實際成本[13]。

5 智慧化運維

5.1 基于BIM的一體化綜合管廊運營平臺

建立基于BIM的一體化綜合管廊運營平臺，可以通過集成各組成系統(tǒng)，實現(xiàn)可視化管理，滿足應急處理、日常維護管理和監(jiān)控與報警的相關需要，并且可以與管廊內(nèi)管線的運營單位以及上級管理單位二者之間進行數(shù)據(jù)的交換[14]。綜合管廊運營平臺示意圖如圖4所示。

圖4 綜合管廊運營平臺

一體化綜合管廊運營平臺需要實現(xiàn)三維可視化、模型輕量化、管理智慧化和信息集成化4個方面的功能。三維可視化通過BIM技術所建立的綜合管廊模型，在運營平臺中實現(xiàn)漫游展示與仿真模擬的功能，對設備與模型進行查看，動態(tài)信息以數(shù)字、圖表等方式顯示在模型之上，如圖5所示。

圖5 綜合管廊可視化模型

模型輕量化就是將各專業(yè)的子模型進行輕量化的處理，再在云端進行合模的操作，采用HTML-5技術實現(xiàn)模型的展示，最終可以在瀏覽器上查看全專業(yè)全要素的BIM模型。信息集成化是基于現(xiàn)代空間數(shù)據(jù)管理技術、云計算與云服務技術以及BIM信息模型技術，建立基于GIS與BIM二者融為一體的三維城市數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。其可以實現(xiàn)GIS與傾斜攝影地形、模型、綜合管廊等多源空間數(shù)據(jù)之間的相互融合，具有微觀與宏觀相輔相成、室外與室內(nèi)一體化的管理功能。管理智慧化通過結合海綿城市、智慧市政綜合管廊、三維道路等一系列智慧工程，實現(xiàn)“智慧城市”，為城市交通分析、城市規(guī)劃、資產(chǎn)管理、管廊運營、數(shù)字防災、市政管網(wǎng)管理、建筑改造、應急救援等諸多領域提供有效的技術手段。

5.2 運營平臺架構與管理內(nèi)容

運營平臺采用CS/BS的系統(tǒng)架構，將視頻監(jiān)控、SCADA自控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理與BIM模型巧妙地結合起來，綜合管廊運營管理系統(tǒng)在綜合管廊內(nèi)部現(xiàn)場的自動化監(jiān)測與控制層以及管廊管理單位監(jiān)控中心二者之間承擔了必不可缺的工作。在數(shù)據(jù)庫層面，將生產(chǎn)管理和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、BIM三維模型、視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一，工作人員可以掌握某段管廊和任何一個運行設備的實時數(shù)據(jù)，同時又可以調(diào)閱各類附屬設施、設備的管理數(shù)據(jù)。通過管理數(shù)據(jù)庫的運行工作，可使控制層采集的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)焦芾韺?，避免了可能發(fā)生的人為錯誤以及信息在傳輸過程中發(fā)生不必要的滯后現(xiàn)象，從而使控制和管理、運營與計劃相互緊密的結合，最終達到管控一體化的目標[15]。

在綜合管廊運維統(tǒng)一管理平臺中，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、驗收以及移交、共享等相關操作，可以保證綜合管廊工程能夠?qū)κ┕みM行更好的監(jiān)控，并且能夠采取相應的成本管理、資產(chǎn)管理、預警報警、風險跟蹤等一系列措施。

6 結論

本文闡述了綜合管廊在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了綜合管廊管理體系的發(fā)展進程。針對傳統(tǒng)二維設計模式的不足之處，提出了BIM技術在智慧管廊中的應用，并基于BIM技術展開了對管廊的智慧化建造和運維的討論。

(1)在綜合管廊的建造過程中，采用BIM技術可以快速生成模型，并對通風、供電、消防、排水等相關設施進行精準化設計，結合虛擬設計施工技術和施工過程管理軟件，可以提供一個可視化的施工環(huán)境，實現(xiàn)對整個項目的清晰把控。

(2)運用BIM、GIS、大數(shù)據(jù)、云計算等技術建立綜合管廊智慧化運維平臺，彌補了傳統(tǒng)運維管理方式的不足，實現(xiàn)了對綜合管廊的信息掌控，滿足了應急處理、日常維護管理和監(jiān)控與報警的相關需要，保障了城市管線的安全運行，提升了城市基礎設施智慧化水平。