基于BIM 技術(shù)的綜合管廊信息化運(yùn)維管理

魏亞興

（合肥市綜合管廊投資運(yùn)營有限公司，安徽合肥 230091）

0 引言

近年來，我國居民對(duì)供電、供水、供暖以及通信等公共設(shè)施的需求日益增長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)面臨挑戰(zhàn)。 地上空間、資源的不足與居民日益增長(zhǎng)的需求產(chǎn)生矛盾，因而基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸向地下空間發(fā)展，充分調(diào)用地下資源，將基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)移到地下集中設(shè)置，釋放地表空間，以緩解矛盾，為未來城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了新的發(fā)展方向。

建筑信息模型（BIM）的興起為建筑業(yè)發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇。 2022 年，住建部在《“十四五”住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科技發(fā)展規(guī)劃》中提出，研究基于BIM 的跨建設(shè)階段管理流程和數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)貫通工程建設(shè)全過程的數(shù)字化管理平臺(tái)，推進(jìn)BIM 技術(shù)在勘察、設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)維全生命周期的集成與深入應(yīng)用。 利用BIM 技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)，對(duì)綜合管廊工程在運(yùn)維過程中協(xié)同監(jiān)管和可視化管理， 能夠?yàn)榫C合管廊的智慧運(yùn)維管理提供較為完善的一體化解決方案，從而達(dá)到可靠監(jiān)管、智慧運(yùn)維、降本增效的管理目標(biāo)。

1 地下綜合管廊現(xiàn)狀分析

早期城市管網(wǎng)的建設(shè)分散于不同的企業(yè)， 由各企業(yè)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施管網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)。 因而早期對(duì)市政基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行建設(shè)時(shí)，各方僅從各自的角度對(duì)其進(jìn)行鋪設(shè)，未能從多方面對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和綜合利用。 此外，大部分鋪設(shè)通過直埋的形式鋪設(shè)于市政道路下方， 這就導(dǎo)致后期隨著城市規(guī)模發(fā)展以及城市居民對(duì)市政管線需求的增加，對(duì)市政管線進(jìn)行擴(kuò)容、維修、更新時(shí)，需要對(duì)城市道路進(jìn)行反復(fù)開挖修復(fù)，使得道路上的補(bǔ)丁隨處可見，成為了“拉鏈”馬路。

地下管線多頭管理、重復(fù)建設(shè)、技術(shù)低下、應(yīng)急管理能力差、輔助決策水平低[1]等一系列問題，使得工程安全隱患不斷暴露出來，不僅對(duì)居民的生活產(chǎn)生不利影響，也給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，每年全國由于施工而導(dǎo)致的城市管網(wǎng)事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失50 億，間接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)400 億。此外，基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)建、改建也造成大量問題，從而導(dǎo)致社會(huì)資源浪費(fèi)，社會(huì)矛盾突出。為此，有必要進(jìn)一步解決城市基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展現(xiàn)存問題，探索基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)新模式。

2 BIM 技術(shù)在綜合管廊信息化管理中的應(yīng)用

2.1 總體架構(gòu)

基于BIM 技術(shù)的綜合管廊信息化運(yùn)維管理系統(tǒng)架構(gòu)主要包括支撐層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、表現(xiàn)層，并與外部多系統(tǒng)互聯(lián)互通，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 BIM 可視化技術(shù)應(yīng)用

將管廊在規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工階段的數(shù)據(jù)和資料與管廊的BIM模型相鏈接，并在運(yùn)維管理中根據(jù)實(shí)際情況更新管廊模型有關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊全生命周期的有效管理[2]。BIM 的可視化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以數(shù)字信息模型為載體[3]，將機(jī)電各專業(yè)的數(shù)據(jù)信息，以及管廊實(shí)際運(yùn)維需要的各類信息進(jìn)行一體化整合， 基于此信息模型，可以為管廊運(yùn)維管理提供新的載體。 準(zhǔn)確完整的模型數(shù)據(jù)是有效利用BIM 技術(shù)進(jìn)行運(yùn)維管理的基礎(chǔ)[4]，將BIM 信息模型與實(shí)際建筑（含機(jī)電設(shè)備等）、人三者進(jìn)行連接，使綜合管廊運(yùn)維更加直觀化、模塊化、集成化，可進(jìn)一步提高運(yùn)維效率，合理安排班組巡檢頻次，有效降低運(yùn)維成本。

2.3 基于BIM 的綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)

綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)、BIM/GIS 及大數(shù)據(jù)技術(shù)[5]，針對(duì)管廊智慧化運(yùn)維建設(shè)的系統(tǒng)平臺(tái)，應(yīng)用層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)維管理系統(tǒng)、運(yùn)營管理系統(tǒng)、安全與應(yīng)急管理系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、地理信息監(jiān)控管理系統(tǒng)、移動(dòng)端系統(tǒng)等8 個(gè)子系統(tǒng)，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，滿足數(shù)據(jù)共享和再利用的要求[6]，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)部分與管廊內(nèi)相應(yīng)的機(jī)電設(shè)備具備遠(yuǎn)程和聯(lián)動(dòng)控制功能。

2.4 信息化管理設(shè)計(jì)

采用監(jiān)控大屏、WEB 端、移動(dòng)端對(duì)管廊運(yùn)維和巡檢進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。 監(jiān)控大屏作為統(tǒng)一監(jiān)控、調(diào)度、指揮的神經(jīng)中樞，與綜合監(jiān)控、預(yù)警報(bào)警等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，供運(yùn)維班組對(duì)管廊實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況進(jìn)行有效監(jiān)管；Web 客戶端通過瀏覽器訪問和系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)行運(yùn)營管理、安全應(yīng)急管理、巡檢排班等日常工作；移動(dòng)端以工作機(jī)為載體，可實(shí)現(xiàn)廊內(nèi)智能化巡檢工作，及時(shí)上報(bào)運(yùn)行隱患事件，提升運(yùn)維響應(yīng)度和處理及時(shí)率。

3 綜合管廊信息化管理實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概述

合肥山海關(guān)路 （重慶路至黑龍江路）綜合管廊，總投資3309.7 萬元，單艙，管廊全長(zhǎng)0.78km。

3.2 數(shù)據(jù)對(duì)接

山海關(guān)路管廊各機(jī)電專業(yè)包含消防、環(huán)控、門禁、視頻、通信、無線覆蓋、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警等，通過MODBUS 協(xié)議，接收和反饋PLC 設(shè)備的狀態(tài)、反饋信號(hào)等，存入InfluxDB 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫， 并通過設(shè)備編碼作為唯一關(guān)鍵字段與BIM 模型中的設(shè)備進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)BIM 模型中的狀態(tài)查看及遠(yuǎn)程控制。

山海關(guān)路管廊共有各類設(shè)施設(shè)備近500 個(gè)，通過二維平面布置圖表示其位置及設(shè)備狀態(tài)，運(yùn)維人員可借由二三維聯(lián)動(dòng)，多視角多維度，實(shí)時(shí)查看廊內(nèi)運(yùn)行情況

3.3 可視化展示

平臺(tái)結(jié)合GIS 地理信息系統(tǒng)和三維BIM 技術(shù)， 進(jìn)行BIM 模型輕量化處理， 實(shí)現(xiàn)管廊從宏觀地理位置定位和工程結(jié)構(gòu)展示，到微觀風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)電設(shè)備設(shè)施、入廊管線的擬真展示；并通過數(shù)據(jù)與模型綁定，提供綜合管廊三維模擬現(xiàn)實(shí)、資產(chǎn)查詢、設(shè)備遠(yuǎn)控及狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋、三維漫游、（半）透明模式展示等功能。 BIM 模型遠(yuǎn)程控制如圖2 所示。

圖2 BIM模型遠(yuǎn)程控制

3.4 虛擬巡檢管理

基于BIM 技術(shù)，可根據(jù)廊內(nèi)巡檢線路信息（如綜合艙一分區(qū)至三分區(qū)），自動(dòng)開展虛擬巡檢任務(wù)，確定巡檢設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，生成巡檢報(bào)告。

利用巡檢報(bào)告，將需要維護(hù)的巡檢設(shè)備的工單發(fā)送給相應(yīng)的運(yùn)維人員。 通過虛擬巡檢，可以讓運(yùn)維人員更加清晰地了解綜合管廊當(dāng)前運(yùn)行安全和健康狀況，同時(shí)配合廊內(nèi)攝像機(jī)輔助，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)維過程中的問題，并及時(shí)采取措施解決。 這樣一方面有助于降低運(yùn)維人員勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以保證綜合管廊監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性， 并且工單自動(dòng)生成與派發(fā)可使得工作更加便捷。此外，工單附帶相關(guān)精確問題或故障，運(yùn)維人員根據(jù)工單內(nèi)容能夠精準(zhǔn)定位問題所在，并及時(shí)對(duì)所涉及的問題進(jìn)行解決，使得綜合管廊能夠安全健康運(yùn)行。 虛擬巡檢還可用于管廊新進(jìn)運(yùn)維人員的培訓(xùn)作業(yè)，加速提高運(yùn)維人員的廊內(nèi)認(rèn)知度，提升巡檢體驗(yàn)。

3.5 應(yīng)急演練管理

在管廊運(yùn)維過程中，如遇到火災(zāi)事故等緊急情況，運(yùn)維人員可通過BIM 模型找尋最近出入口進(jìn)行虛擬逃生演練。傳統(tǒng)的應(yīng)急演練均是事先編制預(yù)案，按照方案進(jìn)行場(chǎng)地準(zhǔn)備、人員培訓(xùn)，開展演練活動(dòng)，這種模式可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)因素，不利于演練活動(dòng)的開展。 利用BIM 技術(shù)可模擬性的特點(diǎn)，搭建管廊運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急演練場(chǎng)景，設(shè)定疏散人員的初始位置和逃生路徑，形成三維動(dòng)態(tài)的模擬方案，便于查找演練方案的不足，及時(shí)調(diào)整應(yīng)急預(yù)案，使得應(yīng)急演練預(yù)案更具有實(shí)操性，應(yīng)急演練管理模擬如圖3所示。

圖3 應(yīng)急演練管理

3.6 入廊管線管理

基于BIM 空間管理，可較為精確計(jì)算已入廊管線數(shù)量及可入廊管線空間信息，并形成入廊管線管理。 通過設(shè)定出入廊位置，在BIM 模型中全景展示入廊管線敷設(shè)路徑，以此提前規(guī)劃入廊管線報(bào)審及指導(dǎo)施工作業(yè)。 待管線入廊后，即可在BIM 模型中查看相關(guān)入廊信息，更新巡檢作業(yè)內(nèi)容，形成閉環(huán)管理。

4 結(jié)語

應(yīng)用BIM 與大數(shù)據(jù)技術(shù)的集成管廊運(yùn)維模式， 將BIM 技術(shù)的應(yīng)用從綜合管廊的設(shè)計(jì)、建設(shè)延伸到運(yùn)維階段，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)基于BIM 技術(shù)的全生命周期管理。

綜合管廊BIM 模型整體為線型結(jié)構(gòu)， 且內(nèi)部專業(yè)分工復(fù)雜，系統(tǒng)集成度高，展示效果還有待優(yōu)化。 通過完善三維引擎，從BIM信息提取、BIM 模型輕量化、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)索引和三維可視化等關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化。 可通過模型簡(jiǎn)化、場(chǎng)景空間劃分、增加繪制對(duì)象的內(nèi)存池和進(jìn)行圖元合并等方式對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理，從而實(shí)現(xiàn)流暢展示的目的；可從性能、表現(xiàn)方式、二次開發(fā)接口等多個(gè)方向上進(jìn)行優(yōu)化。

基于BIM 的綜合管廊信息化運(yùn)維管理以BIM 模型為數(shù)據(jù)載體，集成監(jiān)控、資產(chǎn)、巡檢、入廊管線四類信息，可建立一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警管廊內(nèi)外狀態(tài)信息的智能化系統(tǒng)。 本文以合肥市管廊項(xiàng)目作為應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了管廊全生命周期管理，提高了管理效率、降低了管理成本和事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)了城市綜合管廊智能化發(fā)展，為保障城市正常運(yùn)行提供了重要參考。