BIM技術在城市供排水管網中的應用研究

丁曉欣，蘇旭苒，高靜思，朱 佳

（1.吉林建筑大學經濟與管理學院，吉林 長春 130118；2.深圳職業(yè)技術學院材料與環(huán)境工程學院，廣東 深圳 518055）

1 引言

隨著城市的快速發(fā)展，城市建設規(guī)模逐漸擴大，人們對水資源的要求越來越高，其產生的生活污水也越來越多。城市供排水管網作為城市的重要基礎設施，其是否正常運行關系著人們的日常生活是否能夠穩(wěn)定進行。管網的任何節(jié)點出現(xiàn)問題，都將影響人們的正常生活，所以供排水管網是城市的“血管”，其建設和維護占城市市政工程總投入的7%～10%[1]，可見供排水管網對于一個城市的重要性。

BIM具有協(xié)同性、可視化、模擬化等特點[2]，通過對BIM技術的合理運用可以將項目數(shù)據(jù)進行集中整合[3]，用于工程設計、施工及后期的運維管理。我國自2003年開始引進BIM技術[4]，主要應用于建筑工程領域，在供排水管網中的應用較少。

目前國內有不少學者致力于BIM技術在市政管網、建筑給排水等方面的應用研究，并取得了一定成效，包括市政管網、建筑物給排水等工程的設計、施工和兩者銜接階段，還有部分學者針對其運維管理階段的應用進行了研究?；诖?，本文對BIM技術在城市供排水管網的應用進行研究，并提出了存在的問題，為類似工程提供參考。

2 BIM技術在城市供排水管網的應用

BIM技術在城市供排水管網的應用是基于項目信息數(shù)據(jù)性、參數(shù)化的特點[5]，信息模型是對項目信息數(shù)據(jù)的集中整合，有助于數(shù)據(jù)的整理和各部門的信息傳遞。BIM技術可以將構件的屬性信息、空間位置信息和結構信息通過模型進行展示，作為模型的數(shù)據(jù)化表達，為后期的運營維護提供數(shù)據(jù)支撐[6]。將模型屬性信息、動態(tài)數(shù)據(jù)信息等集成于一體[7]，并將模型信息有效連接數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工程信息數(shù)據(jù)管理和高質量信息交互，為項目設計、施工和運維的數(shù)據(jù)管理做保障，BIM技術在供排水管網工程的設計、施工和運維階段分別有其各自的應用情況。

2.1 設計階段

BIM技術在供排水管網設計階段的應用主要體現(xiàn)在通過BIM的可視性、協(xié)同性來實現(xiàn)以下幾個功能，即優(yōu)化圖紙、碰撞檢查、協(xié)同設計。

2.1.1 優(yōu)化圖紙

在現(xiàn)階段的建筑工程設計中，供排水的設計大多是通過CAD來完成的[8]，此種方式適用于比較簡單的設計，對于一些復雜的工程來說它的可行性比較低，并且各種參數(shù)信息會使設計工作變得更加復雜。城市供排水管網工程體量大、空間復雜，運用BIM技術可以對設計圖紙進行優(yōu)化[9]，提高設計效率，降低失誤。

2.1.2 碰撞檢查

創(chuàng)建模型后，可以在三維視圖中清晰直觀地發(fā)現(xiàn)設計中的不合理，避免發(fā)生管道碰撞問題，節(jié)約后續(xù)施工時間和成本。李慧莉等人[10]對深圳某管網改造工程采用BIM技術對管網建模后進行碰撞檢查并分析產生碰撞的原因，歸結為原則性問題、技術性問題和細節(jié)性問題3類，同時發(fā)現(xiàn)BIM技術雖然能發(fā)現(xiàn)設計圖紙中存在的問題，但是缺乏對問題的分析能力，仍需人力來研究分析，對于大面積的管網設計工程量很大。

2.1.3 協(xié)同設計

在工程設計工作中，各專業(yè)需要共同完成。以往的設計工作各專業(yè)之間缺乏有效的溝通，容易造成工期延誤。BIM中包含了整個工程信息，管網設計時只需要提取需要的數(shù)據(jù)[11]，各個專業(yè)設計人員便可在同一個模型中協(xié)同工作完成設計，使溝通更加高效便捷。

另外，BIM技術現(xiàn)階段在供排水管網設計中的應用，大多數(shù)項目還是采用翻模手段，即先設計二維圖紙，再通過二維圖紙建立模型，此過程存在一些重復工作，BIM的價值沒有完全展現(xiàn)。采用BIM技術來進行正向設計，不同專業(yè)利用同一個平臺，避免各專業(yè)交接時的繁瑣過程，提高了設計效率[12]。李兵等人[13]對管網工程進行BIM正向設計，驗證了BIM技術在管網工程中正向設計的可行性，探索了一套正向設計流程，提高了設計質量和效率，并且通過可視化設計，避免管線碰撞，可對現(xiàn)場施工進行指導。通過分解管網，BIM技術將復雜的管道分解成簡單的單元，可以快速構建匹配的管道模型，節(jié)省大量人力操作[14]。

為了提高建模速率，一些學者還研究了軟件協(xié)同問題：鴻業(yè)軟件可以快速建模，但精度達不到要求；Revit軟件建模精細，但工作量較大。李亭等人[15]分析了現(xiàn)階段管網建模軟件的特點，綜合鴻業(yè)和Revit 2款軟件的優(yōu)點，為管網工程的建模工作提供了新的方案，實踐后證實通過此方案創(chuàng)建模型減輕了設計人員的負擔并且模型滿足工程要求。

2.2 施工階段

在施工階段主要通過BIM的可視化、模擬性來實現(xiàn)施工模擬、成本控制和技術交底等功能。施工人員可以參考BIM模型的設計標高等開展施工，避免因為施工人員判斷失誤而造成施工效率下降[16]。

2.2.1 施工模擬

地下工程的建設是不可逆的，當建設完成后再進行改造會非常復雜，因此施工單位采用BIM技術來進行施工方案模擬，對多種方案進行比對分析，選出最優(yōu)方案。研究表明在供排水管網施工階段合理利用BIM技術可以實現(xiàn)管網工程的施工進度模擬，統(tǒng)計工程量，優(yōu)化方案，減少或避免返工。黃文歡[17]研究了將BIM技術運用在管廊的施工過程中，利用BIM的可視化來完成對管廊施工過程的模擬，將BIM同施工進度結合，實現(xiàn)進度計劃的動態(tài)仿真。

2.2.2 成本控制

在完成管網的碰撞檢查之后，應利用BIM技術對整個工程所需要的各種材料及其使用量進行統(tǒng)計[18]，這是BIM技術的重要用途之一。施工過程中要及時結合施工進度對上述材料及其使用量進行科學分析，確保成本的動態(tài)化管理，獲取更加準確的施工信息，為之后的材料采購和領取做好準備。

2.2.3 技術交底

傳統(tǒng)的施工技術交底方法是讓技術人員現(xiàn)場講解或施工人員自行查閱資料來掌握技術要點。由于個人的理解和識圖能力不同，很難保證每位施工人員能正確理解并掌握項目的施工技術，這種方式存在局限性，并且供排水管網在地下不方便去現(xiàn)場查看，所以在施工技術交底過程中運用BIM技術[19]，可以將技術交底的內容通過工程模型或是視頻的方式進行展示，使施工人員能夠更直觀地了解整體施工流程和其中的重點難點，更為全面準確地理解施工交底的內容，達到施工指導的目的，從而使施工步驟更為規(guī)范。葉青等人[20]通過綜合管網施工的實際應用表明BIM技術的應用使工程交底更為直觀，便于施工模擬、優(yōu)化施工工序、快速統(tǒng)計工程量。

為了避免在管網施工過程中發(fā)生潛在事故，需要對施工現(xiàn)場進行持續(xù)監(jiān)測，以防止施工人員受到人身傷害和致命危險。將BIM監(jiān)測數(shù)據(jù)在施工過程中動態(tài)使用，實現(xiàn)實時可視化，并與施工前的評估數(shù)據(jù)做對比，可以發(fā)現(xiàn)項目數(shù)據(jù)是否有偏差，以便及時采取相應措施[21]。

2.3 運行維護階段

據(jù)統(tǒng)計，在整個建筑工程的生命周期內，運行維護階段占比80%。運行維護管理效率低下是運行維護階段造成損失的主要原因[22]，城市供排水管網工程也是如此。

《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014—2020）》要求推進智慧城市的發(fā)展，智慧管網是智慧城市的重要內容。近些年，管網的改建、擴建工程不斷增多，同時出現(xiàn)了一些急需解決的問題，如管線數(shù)據(jù)不全、數(shù)據(jù)未及時更新等；因管道設備未能得到有效監(jiān)測致使故障應急處理不及時等。BIM技術為解決以上問題提供了新方向。儲惠等人[23]提出將BIM技術運用到管網的智慧運行維護中，通過對系統(tǒng)硬件和軟件進行升級，提升了運行維護效果。

BIM技術在供排水管網運行維護階段的應用主要是通過BIM與GIS、物聯(lián)網、云計算、AR等技術融合來構建新的運行維護管理平臺，BIM+各技術實現(xiàn)的功能詳見表1。

表1 BIM+各技術實現(xiàn)的功能

BIM模型的精細程度較高，但缺少大范圍的空間數(shù)據(jù)，而GIS支持大范圍的空間數(shù)據(jù)集，卻缺少精細化管理，由此可見BIM與GIS是互補關系，所以一些學者通過研究BIM+GIS來探索管網新的信息管理模式。徐衛(wèi)星等人[24]研究了高校的地下管網管理新模式，BIM技術與GIS的深度融合可以實現(xiàn)微觀與宏觀的信息整合和共享，提高對管網的運維管理能力，并證明BIM+GIS同樣適用于高校多維度管網管理。段小妮[25]研究了GIS和BIM 2種技術的數(shù)據(jù)交互和信息共享，驗證了該方法對地下管網的科學、高效、安全運行具有有效性，有助于水務行業(yè)的精細化管理。

物聯(lián)網通過傳感器來采集物體信息，將獲取的信息上傳至互聯(lián)網，對物體進行監(jiān)控和管理。運用BIM技術建立管網的三維模型，基于BIM的管道運維管理系統(tǒng)融合物聯(lián)網可以實現(xiàn)對管道流量、壓力的實時監(jiān)測和閾值警示，快速定位故障。在污水治理方面，利用BIM技術建立城市管網模型，通過物聯(lián)網技術監(jiān)測水質情況，即將BIM技術同物聯(lián)網融合，可以在模型中快速找到具體污染點，及時處理污染源，使污水治理得到顯著成效[26]。

將云計算和多種算法同BIM技術融合起來對管網進行實時監(jiān)測，可以降低運維成本并且實現(xiàn)自動化。BIM模型存放在云端，支持訪問和操作項目的所有信息。BIM模型是數(shù)據(jù)管理的基礎，但巨大的數(shù)據(jù)體量在平臺交互時并不占優(yōu)勢。管網模型通過輕量化處理后，便于在平臺間傳輸使用，且可以在Web端進行展示。采用BIM技術對地下管網進行建模，將管網模型輕量化后應用在B/S模式，在云端進行管網的三維可視化研究，通過HTML等編程技術，實現(xiàn)信息集成和模型的Web端瀏覽，并融合到管網實時監(jiān)測系統(tǒng)[27]。

AR技術可以通過程序的計算將虛擬物體在真實空間顯示。供排水管網一旦建成，工作人員就很難進入，可將AR技術和BIM技術互相融合并運用到管網運維過程。對BIM模型進行投影并進行動畫演示，確定管道相對位置，既可減輕工作人員負擔，又可提高操作效率。通過BIM+AR技術在真實空間中的展示，還可控制工程質量，降低溝通指導成本，推動智慧管網的建設進程。

3 供排水管網中BIM技術應用存在的問題

BIM技術在城市供排水管網設計、施工和運維管理階段雖然具有一定優(yōu)勢，但由于多方原因，在應用過程中還存在如下問題。

3.1 BIM正向設計應用不廣泛

目前BIM技術在供排水管網設計中的應用，多數(shù)項目還是采用翻模手段，即先設計二維圖紙，再通過二維圖紙建立模型，此過程存在一些重復工作，BIM的價值沒有完全展現(xiàn)，主要原因是BIM正向設計標準不完善、族庫不完整、國內環(huán)境制約等[28]。

3.2 BIM協(xié)同設計標準不統(tǒng)一

進行協(xié)同設計時，信息模型是各專業(yè)交流的基礎，所有角色都將基于此模型開展工作，所以BIM協(xié)同設計時需要按照統(tǒng)一的標準、規(guī)范來進行。雖然國家和各級政府根據(jù)行業(yè)自身特點制定了模型的交付標準，規(guī)定了模型的廣度和深度，但這些標準不統(tǒng)一，各有特點，不能通用，根據(jù)不同標準設計出的模型難以在項目全過程中應用，信息化實施困難。建模過程中應滿足同一個標準，如統(tǒng)一文件及構件的命名規(guī)范、構件模型的精細程度等。

3.3 BIM在供排水專業(yè)中的族庫不完善

族庫的完善程度決定了BIM技術能否高效運用?，F(xiàn)在很多專業(yè)均缺乏完整的BIM族庫，尤其供排水專業(yè)的族庫更少。由于缺乏完整、高質量的族庫，一些復雜的構件建立起來比較困難，使得建模效率降低。

3.4 基于BIM技術的海量數(shù)據(jù)信息管理問題

在供排水工程中，參數(shù)信息數(shù)據(jù)龐雜[29]。隨著不同角色對BIM模型的不斷完善和日常操作，會產生大量過程信息，這些信息會逐年增加，使管理變得復雜。因過程信息容易丟失，難以追溯，給供排水工程的管理增大了難度。

4 總結與展望

本文研究了BIM技術在供排水管網設計、施工和運行維護階段的應用狀況。其在設計階段主要實現(xiàn)了管網碰撞檢查、各專業(yè)協(xié)同設計，提高了工作效率；在施工階段實現(xiàn)了施工模擬、成本管理、技術管理和安全管理的應用效果；在運行維護階段，通過與GIS、物聯(lián)網、云計算、AR等技術融合來構建智慧管理平臺，實現(xiàn)對管網的實時監(jiān)測、閾值警示，及時進行應急處理。

根據(jù)現(xiàn)有發(fā)展和所需解決的問題，BIM技術在城市供排水管網的應用研究展望如下。

（1）目前的BIM模型在設計、施工、運行維護3個階段大多相對獨立，在項目全周期中不能形成一致性表達，給協(xié)同工作和數(shù)據(jù)管理帶來一定困難。因此，未來應重點研究提升BIM模型的信息化管理水平即提升設計、施工、運行維護3個階段數(shù)據(jù)信息的一致性。

（2）不斷豐富和完善供排水專業(yè)的BIM族庫，探究族庫的更新管理工作，完善正向設計規(guī)范，以推動供排水領域的BIM正向設計。

（3）目前BIM融合物聯(lián)網技術雖然可以檢測管網系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，但因缺乏分析能力，得出的結果仍需人工進行研究比對，因此加強BIM軟件和分析軟件的系統(tǒng)兼容性，也是未來需要研究的重點。