BIM技術(shù)在地下市政管網(wǎng)工程全生命周期中的應(yīng)用研究

陳 邦

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

城市建筑的規(guī)模化推進(jìn)了城市中地下市政管網(wǎng)的建設(shè)工作。在相關(guān)工作的持續(xù)實(shí)施下，管網(wǎng)的種類越來越多，管網(wǎng)數(shù)量與規(guī)模逐年增加，傳統(tǒng)的管網(wǎng)建設(shè)工作存在的問題開始凸顯。在此種背景下，BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并成為了指示行業(yè)發(fā)展、引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。為此，本文將BIM技術(shù)作為引導(dǎo)，通過對(duì)技術(shù)的深度解讀，實(shí)現(xiàn)將此項(xiàng)技術(shù)與地下市政管網(wǎng)工程的全生命周期工作進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)市政建設(shè)領(lǐng)域中相關(guān)工作的持續(xù)化推進(jìn)。

1 BIM技術(shù)特點(diǎn)

在對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行深度解讀前，應(yīng)先做好對(duì)BIM技術(shù)的定義分析，此項(xiàng)技術(shù)又名建筑信息模型技術(shù)，是一種基于三維技術(shù)支撐下建立的信息結(jié)構(gòu)模型。建模時(shí)，將數(shù)字化技術(shù)與三維技術(shù)作為支撐，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)字化描述與表達(dá)，提高建筑整體結(jié)構(gòu)信息的可視化程序與詳盡程度。目前，建筑相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)，使用較為普遍的工程建模工具包括Achi-CAD技術(shù)、Revit技術(shù)、BIM技術(shù)，本次研究的重點(diǎn)為BIM技術(shù)，因此，提出BIM技術(shù)在應(yīng)用中的主要特點(diǎn)。

對(duì)圖1中闡述的BIM技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，具體內(nèi)容見下文：

圖1 BIM技術(shù)的主要特點(diǎn)

在進(jìn)行市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，早期工程方會(huì)將二維CAD技術(shù)作為主要設(shè)計(jì)技術(shù)，通過繪制二維平面圖的方式，進(jìn)行管網(wǎng)的綜合布置設(shè)計(jì)。而在此過程中，引進(jìn)BIM技術(shù)，不僅可以在設(shè)計(jì)中確保管網(wǎng)不同構(gòu)件屬性信息與實(shí)際情況的高度一致性，同時(shí)也可以將設(shè)計(jì)成果以三維的方式進(jìn)行整體集中展示。在此基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)中的各個(gè)生命周期與工程實(shí)施過程進(jìn)行匹配，可以得到一個(gè)具有可視化優(yōu)勢(shì)的建設(shè)效果圖，將可視化成果展現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員與工程人員，可實(shí)現(xiàn)為工程的后續(xù)制定與施工決策提供幫助。

BIM技術(shù)的模擬性體現(xiàn)在較多方面。例如，利用BIM技術(shù)進(jìn)行工程建模，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑施工過程進(jìn)行模擬，也可以在工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的虛擬化驗(yàn)證。例如，模擬設(shè)計(jì)成果的實(shí)際運(yùn)營掌握設(shè)計(jì)方案是否合理等。總之，利用BIM技術(shù)的模擬性優(yōu)勢(shì)，可以確保項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)與后續(xù)運(yùn)營更加合理、更加科學(xué)。

大部分城市地下市政管網(wǎng)工程具有規(guī)模大、投資高的特點(diǎn)，針對(duì)此類工程，需要及時(shí)采取可靠的措施，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并建立一個(gè)綜合的管網(wǎng)方案。方案中不僅要包括整體結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)，還要涉及對(duì)整體結(jié)構(gòu)的細(xì)部設(shè)計(jì)方案。只有滿足此方面設(shè)計(jì)內(nèi)容，才能確保在實(shí)際建設(shè)中，將方案轉(zhuǎn)化為更具科學(xué)性的成果。

除上述提出的特點(diǎn)，BIM技術(shù)還可以在應(yīng)用中發(fā)揮出較大的協(xié)調(diào)性優(yōu)勢(shì)，一個(gè)完整的管網(wǎng)工程建設(shè)需要多方協(xié)同參與完成，一旦在這一過程中出現(xiàn)某個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)人員行為或思想的偏差，便極易出現(xiàn)設(shè)計(jì)方案不協(xié)調(diào)的問題。而BIM技術(shù)在此過程中的作用便是協(xié)調(diào)各個(gè)部門的參與人員，保證多方之間信息的協(xié)同、交互與共享，保證對(duì)潛在問題的及時(shí)溝通、實(shí)現(xiàn)參與方之間的雙向交互。

2 BIM技術(shù)在地下市政管網(wǎng)工程全生命周期中的應(yīng)用

2.1 基于全生命周期的市政管網(wǎng)工程各階段BIM模擬

針對(duì)市政管網(wǎng)工程項(xiàng)目，在建設(shè)初期要求各個(gè)參與項(xiàng)目的單位及各專業(yè)需要在依托BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)相互協(xié)同，并達(dá)到對(duì)設(shè)計(jì)信息、建設(shè)信息、施工信息等共享，從而建立更具數(shù)字化要求標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同交流體系。在這一過程中，還應(yīng)當(dāng)充分運(yùn)用數(shù)字信息仿真模擬技術(shù)，針對(duì)市政管網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)階段、施工階段以及運(yùn)營階段進(jìn)行指導(dǎo)和決策，從而促進(jìn)項(xiàng)目整體水平的提升。在這一過程中，從上述提到的三個(gè)階段，引入BIM技術(shù)，完成市政管網(wǎng)工程BIM模擬，其具體流程如圖2所示。

圖2 基于全生命周期的市政管網(wǎng)工程各階段BIM模擬流程示意圖

從圖2可以看出，在進(jìn)行BIM模擬時(shí)，針對(duì)三個(gè)階段，分別從模型構(gòu)建、參數(shù)校正、方案優(yōu)化，共三個(gè)角度進(jìn)行模擬。在模擬的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)存在問題的環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，如當(dāng)進(jìn)度模擬出現(xiàn)問題時(shí)，則應(yīng)當(dāng)對(duì)進(jìn)度方案進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)有限元校核出現(xiàn)問題時(shí)，則應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)階段對(duì)市政管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整等。通過對(duì)市政管網(wǎng)工程全生命周期的BIM模擬，確保在具體施工時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)的合理性，避免出現(xiàn)返工情況，提升工程整體建設(shè)水平。

2.2 基于Revit的排水管道建模與水位、水質(zhì)監(jiān)測(cè)

在應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)市政管網(wǎng)排水管道建模和對(duì)其水位及水質(zhì)的監(jiān)測(cè)是工程設(shè)計(jì)階段和施工階段重點(diǎn)關(guān)注的問題。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)市政管網(wǎng)中各個(gè)預(yù)制混凝土檢查井的構(gòu)建，首先在Revit軟件當(dāng)中的BIM模型對(duì)應(yīng)位置上建立相應(yīng)的Revit參數(shù)化族，族當(dāng)中包含了預(yù)制混凝土檢查井的尺寸信息、類型信息、形狀信息等。將Revit參數(shù)化族看作是CAD軟件當(dāng)中的參數(shù)塊，對(duì)于一個(gè)完整的市政管網(wǎng)工程項(xiàng)目而言，其中應(yīng)當(dāng)包含了多種參數(shù)塊。在建立Revit參數(shù)化族時(shí)，其具體步驟為：第一步，選取某一標(biāo)準(zhǔn)面作為參照平面，利用Revit當(dāng)中的拉伸功能，對(duì)檢查井的外壁結(jié)構(gòu)、下底板結(jié)構(gòu)以及下底面結(jié)構(gòu)進(jìn)行制作。第二步，在上述基本結(jié)構(gòu)建立完畢基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)空心拉伸體結(jié)構(gòu)，并確保該結(jié)構(gòu)上包含兩個(gè)上下游連通口。第三步，選擇在市政管網(wǎng)工程中地下排水管網(wǎng)體系中完成對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、管道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等部件的制作，并將其安裝在模型的相應(yīng)位置上。第四步，完成對(duì)所有部件的組裝后，對(duì)模型中重要的參數(shù)化族進(jìn)行標(biāo)記，并在其周圍添加相應(yīng)的說明性文字，如檢查井的尺寸、坡度等。完成上述操作后，新建項(xiàng)目，并將所有參數(shù)導(dǎo)入到項(xiàng)目文件當(dāng)中，按照要求完成對(duì)整個(gè)管段模型的繪制，如圖3所示。

圖3 基于Revit的排水管道建模示意圖

在設(shè)計(jì)階段的后期，還可通過對(duì)模型進(jìn)行剖切的方式導(dǎo)出檢查井的二維剖面圖，并且當(dāng)對(duì)三維模型的參數(shù)調(diào)整時(shí)，二維剖面圖的對(duì)應(yīng)參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，并自動(dòng)更新標(biāo)注，以此能夠有效避免傳統(tǒng)繪圖方式的反復(fù)操作增加市政管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)的難度。

在完成對(duì)排水管道的建模后，還需要在施工階段對(duì)水位、水質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)各類水位和水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置，可通過為電氣族元件賦予不同屬性值的方式將其安裝在市政管網(wǎng)工程項(xiàng)目中。每一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置都為其配備唯一的圖元ID，以此能夠?yàn)楹笃陧?xiàng)目在運(yùn)營階段的監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)查詢條件，同時(shí)，也能夠?yàn)閿?shù)據(jù)庫的建立和運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)條件。

2.3 市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營階段協(xié)同與深化設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)階段和施工階段的監(jiān)測(cè)后，針對(duì)項(xiàng)目各階段進(jìn)行協(xié)同和深化設(shè)計(jì)。在協(xié)同建模的過程中，市政管網(wǎng)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員可以通過無線傳輸?shù)姆绞綄IM系統(tǒng)模型當(dāng)中的參數(shù)、信息等資源進(jìn)行共享，以此能夠避免多項(xiàng)專業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)由于信息滯后而造成信息傳輸錯(cuò)誤的問題。在施工階段，參與到項(xiàng)目的所有人員都可以通過輕量化協(xié)同平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞和共享，并且不需要額外安裝其他大規(guī)模的三維建模軟件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型信息的查詢，以此能夠大大節(jié)約交流的時(shí)間。同時(shí)，在施工階段，針對(duì)工程中各個(gè)關(guān)鍵施工階段，BIM可以提供模擬對(duì)應(yīng)步驟的動(dòng)畫，從而為技術(shù)交底提供可視化條件，讓施工人員更直觀了解工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而達(dá)到指導(dǎo)施工的目的。最后在運(yùn)營階段，利用BIM技術(shù)對(duì)施工階段的模型進(jìn)行完善和深化，進(jìn)一步提高模型的精度，并實(shí)現(xiàn)對(duì)模型展示、監(jiān)測(cè)的集成，為后期項(xiàng)目運(yùn)營提供更高質(zhì)量服務(wù)。

3 對(duì)比分析

為證明BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)如下文所示的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中，選擇某市政工程建設(shè)方作為試驗(yàn)的參與方，按照本文設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行市政管網(wǎng)工程的建設(shè)，將工程各個(gè)實(shí)施階段的成本作為評(píng)價(jià)BIM技術(shù)應(yīng)用效能的指標(biāo)。例如，當(dāng)應(yīng)用BIM技術(shù)后，工程項(xiàng)目各個(gè)階段的支出成本呈現(xiàn)降低趨勢(shì)時(shí)，說明BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值較高，反之，當(dāng)應(yīng)用BIM技術(shù)后，工程項(xiàng)目各個(gè)階段的支出成本不降反升時(shí)，說明此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值較低。

將地下市政管網(wǎng)工程全生命周期劃分為若干個(gè)階段，包括：工程設(shè)計(jì)階段、排水管道建模階段、可視化碰撞測(cè)試階段、水位與水質(zhì)監(jiān)測(cè)階段、管網(wǎng)設(shè)計(jì)階段、管網(wǎng)施工階段、管網(wǎng)運(yùn)營階段、管網(wǎng)建設(shè)深化與協(xié)同階段。計(jì)算每個(gè)階段中分項(xiàng)工程的支出。以排水管道建模階段為例，對(duì)此階段的成本支出計(jì)算公式進(jìn)行闡述，見下公式：

式中：G代表排水管道建模階段成本支出總額（萬元）；g代表此階段中的分項(xiàng)工程成本支出總額（萬元）；n代表分項(xiàng)工程數(shù)量，n的取值為大于1的正整數(shù)。按照上述計(jì)算公式，對(duì)管網(wǎng)工程其他階段的建設(shè)支出成本進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)BIM技術(shù)應(yīng)用前與BIM技術(shù)應(yīng)用后的成本值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4。

圖4 BIM技術(shù)應(yīng)用前與BIM技術(shù)應(yīng)用后市政管網(wǎng)工程建設(shè)各個(gè)周期的支出成本

通過上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在BIM技術(shù)應(yīng)用后，市政管網(wǎng)工程建設(shè)各個(gè)周期的支出成本明顯降低，說明了將BIM技術(shù)應(yīng)用到建設(shè)項(xiàng)目，可以較好地控制項(xiàng)目全生命周期成本。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的項(xiàng)目，將其應(yīng)用到管網(wǎng)工程全生命周期過程中，不僅可以起到協(xié)調(diào)項(xiàng)目建設(shè)、優(yōu)化項(xiàng)目組織運(yùn)營的作用，同時(shí)還可以控制項(xiàng)目建設(shè)支出總成本，保證項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性與高效性。