BIM技術(shù)在市政管網(wǎng)工程中的問(wèn)題解決方案研究

雷俊巖

蘭州新區(qū)水務(wù)管理投資集團(tuán)有限公司 甘肅 蘭州 730300

近年來(lái)，隨著社會(huì)的迅速發(fā)展和進(jìn)步，城市規(guī)模與體量、人口的不斷擴(kuò)大與增加，城市的地下管線系統(tǒng)已成為其重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一[1]。與此同時(shí)，地下市政管網(wǎng)的種類(lèi)越來(lái)越繁多，數(shù)量也在增加，分布也越來(lái)越復(fù)雜，因此，這對(duì)市政管網(wǎng)的工程建設(shè)提出了更高的要求。

1 地下市政管網(wǎng)的背景、現(xiàn)實(shí)情況及存在問(wèn)題

1.1 地下市政管網(wǎng)的背景

城市管網(wǎng)是一個(gè)城市的基本結(jié)構(gòu)，是一個(gè)城市的生存與發(fā)展所必需的。但是，地下市政管網(wǎng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，管網(wǎng)的類(lèi)型超過(guò)20余種[2]。市政管網(wǎng)工程施工中的安全事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了城市的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和人們的生活。

1.2 市政管網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)情況

地下市政管網(wǎng)系統(tǒng)中存在繁多的管線類(lèi)型、各種類(lèi)型的設(shè)備與附屬設(shè)施，其處在不同的位置，對(duì)于施工要求也不盡相同，導(dǎo)致存在很大的管理難度。市政管網(wǎng)工程的施工安全事故頻繁發(fā)生，比如2022年，廣州市廣園路供水管網(wǎng)改造工程中爆發(fā)的工程坍塌事故。除此之外，在施工過(guò)程中挖斷管線，使管網(wǎng)發(fā)生爆裂，非正常的泄漏事故時(shí)有發(fā)生[3]。

1.3 目前存在的問(wèn)題

縱觀以往的城市市政管網(wǎng)工程，大都采用二維設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行，但因各相關(guān)部門(mén)的關(guān)系，往往難以進(jìn)行有效的施工。市政管網(wǎng)的安全事故時(shí)有發(fā)生，給人民帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營(yíng)方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)人們對(duì)于提高城市生活質(zhì)量體驗(yàn)感的需要，對(duì)于更為精細(xì)化的運(yùn)營(yíng)方式的需求呼聲越來(lái)越高。

本文擬采用BIM技術(shù)，提出解決上述問(wèn)題的一種新思路。BIM，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的模型，中文翻譯為“建筑信息建模（或建筑信息模型）”。這結(jié)合工程相關(guān)信息建立出的模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)[4]。BIM技術(shù)的特征是模型的可視化、信息的集成化和智能化。

2 BIM技術(shù)概述

2.1 BIM技術(shù)的概念

從2002年開(kāi)始，Autodesk公司就開(kāi)始了BIM的概念，并且在業(yè)內(nèi)引起了很大的重視。國(guó)內(nèi)外關(guān)于BIM的各種不同解釋?zhuān)两裆形葱纬梢粋€(gè)統(tǒng)一、完整的定語(yǔ)。正義。美國(guó) BIM標(biāo)準(zhǔn)在BIM中的定義相對(duì)比較完整：BIM是一種建筑工程數(shù)據(jù)表示的物理特征和功能特征；BIM可以是一個(gè)以合作共享為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型，它在工程建設(shè)的各個(gè)階段之中，為各個(gè)利益群體中發(fā)揮著重要作用[5]。

目前，我國(guó)在BIM的認(rèn)識(shí)和技術(shù)上還處在起步階段。關(guān)于BIM的概念與認(rèn)識(shí)，也存在著不同的看法。我國(guó)《建筑工程施工信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)BIM作了較為詳盡的闡述：BIM是基于3-D的信息模型，在整個(gè)生命過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行建模；為工程項(xiàng)目的不同階段增加各種工程信息，使其能夠直觀地表示出設(shè)備的實(shí)體和功能特性；BIM的工程信息可以在工程項(xiàng)目的各個(gè)階段之中，與每個(gè)關(guān)聯(lián)方責(zé)任主體之間進(jìn)行無(wú)損地傳遞、分析和共享，便于BIM技術(shù)的應(yīng)用在工程項(xiàng)目的壽命周期內(nèi)進(jìn)行協(xié)調(diào)操作和管理。

2.2 BIM技術(shù)的內(nèi)涵[6]

近年來(lái)，由于BIM技術(shù)具有三維數(shù)據(jù)和屬性信息集成的特點(diǎn)，使得BIM技術(shù)在工程建設(shè)的各個(gè)階段都有很好的應(yīng)用前景。它的應(yīng)用價(jià)值得到了充分地體現(xiàn)，并得到了業(yè)內(nèi)和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。本文在對(duì)BIM理論進(jìn)行了梳理和分析的基礎(chǔ)上，從三個(gè)方面進(jìn)行了論述。

2.2.1 基于三維數(shù)字技術(shù)的BIM建模

相當(dāng)于建立了一個(gè)工程的實(shí)際參數(shù)模型，該模式包含了工程項(xiàng)目的所有數(shù)據(jù)與信息。

2.2.2 BIM技術(shù)的流程視角

是以統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在工程項(xiàng)目中的各個(gè)階段和各參與方都可以實(shí)時(shí)提取、修改和更新BIM模型的工程信息。在不同類(lèi)型的項(xiàng)目中，數(shù)據(jù)的一致性，保證了項(xiàng)目的順利進(jìn)行。簡(jiǎn)而言之，BIM就是一個(gè)模型，通過(guò)對(duì)模型的信息的分享和管理，可以幫助決策更為科學(xué)和有效。

2.2.3 BIM技術(shù)的功能視角

BIM模型是一種與構(gòu)件和管理均存在相關(guān)性的模型。管理常常包括成本估算、合同管理、文件歸檔等。

2.3 功能特點(diǎn)

2.3.1 可視化

可視化就是“看到的就是得到的”。BIM技術(shù)的可視化是指以三維實(shí)體的方式形成的信息模型，突破傳統(tǒng)的二維方式設(shè)計(jì)平面圖對(duì)設(shè)計(jì)、施工過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)的生產(chǎn)方式，轉(zhuǎn)而用數(shù)字技術(shù)顯示工程部件或工程的整體內(nèi)容。利用BIM技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)三維數(shù)字模型，使所有參與方都能直觀地了解項(xiàng)目的整個(gè)生命周期。這是一個(gè)具有共享性質(zhì)的平臺(tái)，以便為各個(gè)單位與各部門(mén)或所屬專(zhuān)業(yè)的人員提供有效溝通和科學(xué)決策的前提條件。

關(guān)于BIM構(gòu)件的概念，目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的說(shuō)法。但有人試圖對(duì)BIM組件進(jìn)行一個(gè)初步的界定，認(rèn)為BIM構(gòu)件是BIM模型中的一種可替換的實(shí)體，具有不可取代的特殊作用，正是它滿(mǎn)足了BIM的整體界面規(guī)范，并且可以將 BIM構(gòu)件與其它構(gòu)件進(jìn)行裝配，最后形成 BIM模型。BIM構(gòu)件的特性是復(fù)用性、擴(kuò)展性、獨(dú)立性和互聯(lián)性。

2.3.2 協(xié)調(diào)性

BIM技術(shù)與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的溝通方式相比，具有較高的效率。通過(guò)BIM協(xié)同平臺(tái)，針對(duì)項(xiàng)目施工中存在的問(wèn)題，各參與方在模型中直接進(jìn)行了溝通與協(xié)調(diào)，對(duì)不同專(zhuān)業(yè)體系之間的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)地修改。而且，在三維信息化模型中，BIM的所有組件實(shí)體及功能特性都會(huì)以參數(shù)化的方式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)之中，數(shù)據(jù)庫(kù)與視圖、視圖與視圖之間都是雙向的，如果模型中的任何一個(gè)點(diǎn)發(fā)生了變化，那么就會(huì)反饋到模型中的其他部位，其平面、立面、剖面、明細(xì)表視圖等都會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。

2.3.3 模擬性

在工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用BIM相關(guān)軟件，既能對(duì)工程實(shí)體進(jìn)行建模，又能對(duì)實(shí)際情況下的物體進(jìn)行建模。比如交通信號(hào)燈模擬，交通流量模擬。

2.3.4 優(yōu)化性

BIM模型不僅能反映出建筑的真實(shí)情況，還能反映出建筑物的幾何信息、物理信息、規(guī)則信息，同時(shí)也能反映出建筑物的真實(shí)變化。當(dāng)模型復(fù)雜到一定程度時(shí)，參與者自身的力量是不可能完全了解這些信息的，需要借助一些科技手段和儀器?，F(xiàn)代建筑的復(fù)雜性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工程設(shè)計(jì)人員自身的能力范圍，因此，BIM及其相關(guān)的多種優(yōu)化工具為復(fù)雜工程的優(yōu)化提供了可能性。

2.3.5 可出圖性

在對(duì)該模型進(jìn)行可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬和優(yōu)化之后，就能得到該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，即二維圖紙。

2.4 用于市政管網(wǎng)系統(tǒng)的建模軟件

當(dāng)前BIM建模軟件主要分為以下三種。

2.4.1 Autodesk公司的Revit系列

Autodesk公司開(kāi)發(fā)的AutoCAD之前在中國(guó)民用建筑與各行業(yè)的工業(yè)建筑市場(chǎng)上均得到廣泛應(yīng)用，所以與之互為補(bǔ)充的Revit軟件系列目前占有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額。

2.4.2 Bentley公司的建筑系列

Bentley產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)于產(chǎn)品線整合后的統(tǒng)一平臺(tái)，便于將各專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容集中體現(xiàn)。但其建筑系列與Revit系列相比，尚無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

2.4.3 Nemetschek公司的ArchiCAD系列

ArchiCAD是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一款 BIM模型軟件。由于其與國(guó)內(nèi)眾多設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的多學(xué)科整合經(jīng)營(yíng)模式相抵觸，在市場(chǎng)份額上難以取得重大突破。

綜合考慮，本文擬采用Autodesk公司的Revit系列軟件，作為解決目前城市地下市政管網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)難題的研究對(duì)象。

3 BIM技術(shù)下市政管網(wǎng)模型的建設(shè)

3.1 Revit平臺(tái)建模

目前，基于 Revit技術(shù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)模塊有：Revit Architecture （Revit建筑模塊）、Revit Structure （Revit結(jié)構(gòu)模塊）、Revit MEP (Revit設(shè)備模塊）三大專(zhuān)業(yè)模塊，以適應(yīng)不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需要。

在Revit模式下，所有的圖紙、二維和立體的視圖和明細(xì)表都是在相同的基礎(chǔ)模型上進(jìn)行的信息表達(dá)。在繪圖視圖和列表視圖中，Revit將會(huì)搜集與施工相關(guān)的信息，并將這些信息與工程的其它表達(dá)方式相結(jié)合。Revit參數(shù)修正功能可以在任意位置（比如模型視圖，圖紙，明細(xì)表，平面和剖面）自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整[7]。

3.2 Revit族庫(kù)

3.2.1 Revit族庫(kù)介紹

族庫(kù)即構(gòu)件庫(kù)，是建立模型的基礎(chǔ)單位。Autodesk Revit的族庫(kù)分為兩類(lèi)：一是普通的家族庫(kù)，它會(huì)隨著軟件進(jìn)行升級(jí)；二是在軟件中的安裝選項(xiàng)中選定一個(gè)國(guó)家和地區(qū)即可安裝基礎(chǔ)級(jí)別的Revit族庫(kù)。

創(chuàng)建一個(gè)族的基本流程為：新建一個(gè)族，確定族的類(lèi)別，繪制參照面，確定所在視圖，確定工作平面，建立形體，進(jìn)行修改，建立參數(shù)，載入測(cè)試。

Revit族可以分類(lèi)為三個(gè)層次：族的樣板，族的類(lèi)別，族的類(lèi)型。族的樣板包括，公制常規(guī)模型、標(biāo)題欄、標(biāo)注等。族的類(lèi)別包括門(mén)窗、噴頭、燈具等。族的類(lèi)型可以按需求逐項(xiàng)添加，比如類(lèi)型1、類(lèi)型2、類(lèi)型3等。其中，Revit族驅(qū)動(dòng)形體的順序?yàn)椋簠?shù)-標(biāo)注-參照面-形體。

3.2.2 Revit族參數(shù)舉例

1）規(guī)程為“公共”的族參數(shù)

包括文字、面積、整數(shù)、體積、數(shù)字、角度、長(zhǎng)度、坡度、貨幣、質(zhì)量密度、圖像、URL、材質(zhì)等。

2）規(guī)程為“結(jié)構(gòu)”的族參數(shù)

包括線性力、面積力、力矩、應(yīng)力、單位重量、質(zhì)量、熱膨脹系數(shù)、點(diǎn)彈性系數(shù)、面彈性系數(shù)、位移等。

3）規(guī)程為“電氣”的族參數(shù)

包括電流、電位、發(fā)光強(qiáng)度、頻率、照度、光通量、效力、亮度、瓦特、色溫、視在功率、功率、功率密度、電阻率、電纜橋架尺寸等。

4）規(guī)程為“管道”的族參數(shù)

包括密度、流量、摩擦、壓力、溫度、速度、動(dòng)態(tài)黏度、管道尺寸、粗糙度、體積、坡度、管道隔熱層厚度、管道尺寸、厚度。

5）規(guī)程為“HVAC”的族參數(shù)

包括密度、摩擦、功率密度、壓力、溫度、速度、風(fēng)量、熱增益、粗糙度、動(dòng)態(tài)粘度、冷負(fù)荷、熱負(fù)荷等。

6）規(guī)程為“能量”的族參數(shù)

能量、傳熱系數(shù)、熱阻、熱質(zhì)量、熱傳導(dǎo)率、比熱、汽化比熱、滲透性等。

3.3 BIM技術(shù)在市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的解決方案

3.3.1 建立信息交換與協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

BIM信息交流平臺(tái)，是將BIM軟件中的BIM模型和屬性信息，通過(guò) BIM的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中，而不需要使用原有的 BIM軟件，就可以自由的打開(kāi)、調(diào)用、管理 BIM的各種數(shù)據(jù)。

通過(guò)構(gòu)建一個(gè)協(xié)作平臺(tái)，為BIM項(xiàng)目的有關(guān)各方提供一個(gè)協(xié)作的環(huán)境，從而對(duì)各個(gè)項(xiàng)目的信息進(jìn)行有效的管理與控制，保證相關(guān)各方的信息準(zhǔn)確、統(tǒng)一、安全，以及數(shù)據(jù)的保存和傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

在 Revit平臺(tái)上，利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)作為參考，實(shí)現(xiàn)一體化模型的協(xié)同設(shè)計(jì)，并根據(jù)各專(zhuān)業(yè)的管網(wǎng)信息（材料、高度、尺寸等）進(jìn)行更加精確的設(shè)置，從而為建立BIM信息庫(kù)提供信息支持。

3.3.2 BIM模型的檢查

在針對(duì)模型的檢查過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮檢查以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

1）檢查建立三維模型的完整性

主要指檢查BIM模型包含的模型、構(gòu)件等內(nèi)容的完整性。BIM模型包含的內(nèi)容和深度能否具備提交業(yè)主的條件。

2）檢查建立三維模型的規(guī)范性

主要指檢查BIM模型的建立是否滿(mǎn)足了BIM模型的要求，包括 BIM模型的建立方法、模型各要素之間的相關(guān)性、模型各要素之間的空間關(guān)系、語(yǔ)義屬性信息的完整性、交付方式和版本的正確性。

3）檢查設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、相關(guān)規(guī)范

主要指檢查 BIM 模型中的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)師選定的參數(shù)是否符合項(xiàng)目的質(zhì)量目標(biāo)與要求，是否符合國(guó)家、地方以及所屬行業(yè)主管部門(mén)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等。比如BIM 模型及構(gòu)件的尺寸、空間坐標(biāo)定位、設(shè)備的規(guī)格型號(hào)等是否符合相關(guān)要求。

4）檢查模型的協(xié)調(diào)性

檢查模型的協(xié)調(diào)性，主要是指BIM模型中各模型與各組件之間是否有很好的配合，例如：各專(zhuān)業(yè)之間的模型是否有直接的矛盾，是否有足夠的安全空間、操作與檢修空間是否合理等。

5）保證BIM模型的準(zhǔn)確性

BIM建模的精確度是指模型和模型部件的外形、大小、各部件的定位關(guān)系，并確保相應(yīng)的屬性信息的準(zhǔn)確性。在模型交付之前，設(shè)計(jì)者必須對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證模型能正確地反應(yīng)出實(shí)際的工程狀況。

6）BIM模型的優(yōu)化與改進(jìn)

在工程設(shè)計(jì)階段，必須將BIM核心模型與其它碰撞分析軟件相結(jié)合，調(diào)整和優(yōu)化模型中的不合理因素，從而達(dá)到提高設(shè)計(jì)精度和工作效率的目的。

Autodesk公司開(kāi)發(fā)的Autodesk Navisworks是一套專(zhuān)業(yè)的建筑工程管理系統(tǒng)。Navisworks Manage的特點(diǎn)主要在于其具有實(shí)時(shí)可視化、整合完整的項(xiàng)目模型、碰撞檢測(cè)更精確等優(yōu)勢(shì)。結(jié)合Navisworks提供的碰撞檢測(cè)沖突報(bào)告，可以針對(duì)BIM信息化模型中的“錯(cuò)、漏、碰、撞”等傳統(tǒng)問(wèn)題進(jìn)行逐項(xiàng)的詳細(xì)分析。模型的信息化過(guò)程能夠幫助團(tuán)隊(duì)成員在進(jìn)行工程建設(shè)之前，通過(guò)數(shù)字化的方法來(lái)研究其主要的物理和功能的特征，從而達(dá)到縮短工程的交工時(shí)間、增加經(jīng)濟(jì)效益以及進(jìn)一步降低對(duì)環(huán)境的影響等目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)我國(guó)國(guó)內(nèi)城市目前地下市政管網(wǎng)粗放式的現(xiàn)實(shí)難題，提出以BIM三維數(shù)字化技術(shù)，以集約化的方式建設(shè)市政管網(wǎng)工程的建議與解決方案。以Revit軟件為研究對(duì)象，本文介紹了利用BIM技術(shù)構(gòu)建城市管網(wǎng)三維數(shù)字化信息模型的構(gòu)想。最后，以Navisworks Manage為研究對(duì)象，提出BIM模型的調(diào)整與優(yōu)化方案。