探究BIM在優(yōu)化現(xiàn)代管網(wǎng)工程項(xiàng)目管理中的價(jià)值核心

中圖分類號(hào)：TQ053.6;TP391.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）07-0172-03

Abstract：Through case studies，the practical application and value of BIM in the engineering design，construction and operation optimization of pipe networks were revealed.The key role of non-sequential dynamic programming algorithm intheoptimization oflarge-scalepipenetwork system wasdescribed.The algorithm could eficientlydivide thecomplex large pipe network into specific smallstructures，ptimize independently，and integrate these results to obtain the optimal solution of the entire pipe network.BIM played a crucial role in this process，with its real-time dataintegration anddynamic simulation capabilities ensuringaccuracyand eficiency in theoptimizationof steadystate operations of the pipe network.Practical case studies further confirmed the practical value of BIM in modern pipe network project management.The succesful application of the combination of BIM and dynamic programming and dichotomy inthe steady-state operation optimization of pipe network marks that pipe network engineering project management has entered a new stage ofdevelopment.

Key Words：BIM；pipeline network；dynamic programming；bisection method；optimization現(xiàn)代城市的發(fā)展對(duì)管網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn) 維提出了更高要求，傳統(tǒng)管理方式依賴二維圖紙和

手動(dòng)數(shù)據(jù)處理，信息不對(duì)稱常導(dǎo)致沖突、返工和成本增加[1-3]。建筑信息模型（BIM）的引人，為管網(wǎng)工程提供了多維數(shù)據(jù)集成與協(xié)同管理的新路徑。在設(shè)計(jì)階段，BIM能夠直觀展示管線布局，避免交叉沖突，提升設(shè)計(jì)效率。王亞太等研究表明，BIM技術(shù)在地下管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中提前識(shí)別空間沖突并動(dòng)態(tài)調(diào)整，減少返工和修改成本[4]。BIM的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能還支持管網(wǎng)組件的自動(dòng)更新，顯著提升了設(shè)計(jì)的可靠性[5]

在施工階段，BIM的三維建模與仿真技術(shù)優(yōu)化了施工路徑，減少資源浪費(fèi)，并支持4D進(jìn)度模擬與5D 成本管理[6。馮時(shí)等的研究指出，在大型污水處理管網(wǎng)施工中，BIM減少了施工沖突，并提升了各專業(yè)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同效率[7]。此外，BIM提供的全生命周期數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維階段的實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警，大幅提升了安全性與穩(wěn)定性[8-10] 。

盡管BIM在管網(wǎng)管理中展現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)，但在大規(guī)模優(yōu)化中仍面臨數(shù)據(jù)交互不暢和非線性優(yōu)化難題。傳統(tǒng)優(yōu)化算法難以解決復(fù)雜環(huán)狀管網(wǎng)的多變量問題，基于此，本文提出結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）與二分法（BisectionMethod），通過分塊優(yōu)化與逐級(jí)求解，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜管網(wǎng)的全局最優(yōu)求解，并驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用效果。

1單線程管道運(yùn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

在單管道系統(tǒng)的運(yùn)作優(yōu)化中，主要追求的是降低整條管道的綜合能量消耗 （F） 的目標(biāo)。為了精確闡釋并處理這一調(diào)優(yōu)難題，相關(guān)的數(shù)理模型應(yīng)用如下：

式中： c 為機(jī)站總數(shù)； N_i 表示第 i 站機(jī)組總功率。

1.2 優(yōu)化變量

在單線管道的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中，僅有出站壓力作為優(yōu)化變量 （p_d，i） 。

X=[p_d，i]（i=1，2，…，c;c∈m）

1.3 環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

含環(huán)狀結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)是復(fù)雜的，常見的有多個(gè)環(huán)和分枝管道。在這類結(jié)構(gòu)中，優(yōu)化目標(biāo)集中在最小化機(jī)組的總功率。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，必須滿足諸如管道承壓能力、水力熱力平衡、機(jī)組性能和節(jié)點(diǎn)流量平衡等約束條件。

2BIM與動(dòng)態(tài)規(guī)劃、二分法的管網(wǎng)聯(lián)動(dòng)應(yīng)用

2.1 BIM在管網(wǎng)工程的應(yīng)用

2.1.1管道碰撞效果

BIM技術(shù)因其三維可視化功能在環(huán)保建設(shè)項(xiàng)目中起著至關(guān)重要的作用。它有效避免了管道沖突并減少了重做的必要。三維功能不僅提高了管道和空間布局的設(shè)計(jì)效率，還可以自動(dòng)檢測(cè)并處理管道間的沖突，保障了管道布置的合理性。BIM的直觀和可視特點(diǎn)允許在調(diào)整管道布局過程中充分考慮業(yè)主的空間利用要求和期望，進(jìn)而提高了建筑施工的總體質(zhì)量與作業(yè)效率。

2.1.2管線綜合設(shè)計(jì)及管網(wǎng)綜合排查

在超高層建筑和其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中，管網(wǎng)的復(fù)雜性常常是一個(gè)重要問題。由于管網(wǎng)的錯(cuò)綜復(fù)雜，人工檢查圖紙的效率和準(zhǔn)確性常常受到限制，尤其是在處理三維空間和大量細(xì)節(jié)時(shí)。在傳統(tǒng)方法中，由于無法同時(shí)檢查剖面和平面的位置，人工檢查往往無法全面理解和處理空間立體關(guān)系，導(dǎo)致施工不合理、碰撞和其他問題的出現(xiàn)。BIM可以自動(dòng)生成管網(wǎng)的三維模型，并自動(dòng)檢查潛在的碰撞和不合理的設(shè)計(jì)。

2.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃

在應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法解決該模型時(shí)，主要步驟涵蓋了定義狀態(tài)空間、實(shí)施站與站之間的遞歸、在站內(nèi)進(jìn)行遞歸以及執(zhí)行算法的逆向追蹤。狀態(tài)空間由所有可能的出站壓力組成，其上界是管道的設(shè)計(jì)壓力。實(shí)施站與站之間的遞歸關(guān)注從一個(gè)壓力階段到下一個(gè)的轉(zhuǎn)變，依賴水力和熱力計(jì)算。站內(nèi)進(jìn)行遞歸從進(jìn)站工況推算出站工況，計(jì)算壓縮機(jī)參數(shù)和能耗。執(zhí)行算法的逆向追蹤在最后階段確定整體最優(yōu)運(yùn)行方案。這一算法在單線管道中表現(xiàn)出色，但在環(huán)狀管網(wǎng)中由于優(yōu)化變量復(fù)雜性增加，其效果有限。

2.3 二分法

二分法是一種非常基礎(chǔ)和有效的數(shù)值方法，主要用于查找定義在閉區(qū)間 [a，b] 上的連續(xù)實(shí)值函數(shù)f（x） 的根。該方法的原理是基于中值定理，即如果函數(shù) f（x） 在區(qū)間[a，b］上連續(xù)，并且在區(qū)間兩端有不同的符號(hào)，那么 f（x） 在區(qū)間 [a，b] 上至少有一個(gè)根。二分法的步驟如下：

（1）確定閉區(qū)間 [a，b] ，并計(jì)算中點(diǎn)的位置： c=? （a+b）/2 ：

（2）計(jì)算中點(diǎn) c 處的函數(shù)值 f（c） ：

（3）根據(jù) f（c） 的值，決定新的搜索區(qū)間。如果f（c） 為0，那么 ∣c∣ 就是方程的根。如果 f（c） 和 f（a） 具有相同的符號(hào)，則根位于 [c，b] 區(qū)間，令；如果 f（c） 和 f（b） 具有相同的符號(hào)，則根位于 [a，c] 區(qū)間，令 b=c ：

（4）重復(fù)以上步驟，直到滿足預(yù)定的精度要求或者達(dá)到最大迭代次數(shù)。

2.4動(dòng)態(tài)規(guī)劃和二分法融合策略助力BIM管網(wǎng)

在劃分管道網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，每個(gè)環(huán)形或支形單元都被當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的小規(guī)模單元來處理。例如，參照常見的管網(wǎng)，若它能被劃分為5個(gè)獨(dú)立單元，涵蓋4個(gè)環(huán)形單元以及1個(gè)支形單元。對(duì)這些單獨(dú)單元的分析是在已知一個(gè)單元的輸出壓力、流量、溫度和下一單元的輸人壓力的前提下進(jìn)行的。如果能夠確定上游或下游環(huán)的起點(diǎn)流量 q₁ 或 q₂ ，那么就可以采用“站對(duì)站遞推”的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法來計(jì)算其他必要的參數(shù)。

3 案例分析

3.1 工程概況

本項(xiàng)目為國(guó)網(wǎng)電科院科研及生產(chǎn)支撐用房，計(jì)劃入駐生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)人員110人，總建筑面積15452.40m² ，其中地上9層，建筑面積為12472.92m² ，供科研實(shí)驗(yàn)使用;地下一層，建筑面積為 2 979.48m² ，作為汽車庫(kù)和水泵房、配電室、制冷機(jī)房、弱電機(jī)房等設(shè)備用房。建筑總高度 38.3m （結(jié)構(gòu)面層），室內(nèi)外高差 0.60m 。主體結(jié)構(gòu)形式采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板。

3.2基于BIM的管網(wǎng)碰撞監(jiān)測(cè)

在利用Navisworks軟件進(jìn)行碰撞檢查時(shí)，將結(jié)構(gòu)模型和管網(wǎng)綜合模型導(dǎo)入至該軟件中。以項(xiàng)目的一層為例，總共檢測(cè)出115個(gè)碰撞點(diǎn)。這些碰撞點(diǎn)被分為3類：同一專業(yè)類別管線間的碰撞、不同專業(yè)類別管線間的碰撞以及管線與結(jié)構(gòu)模型間的碰撞。

3.3基于BIM的項(xiàng)目管網(wǎng)系統(tǒng)

管道布置遵循以下原則[8-10]：

（1）給水、消防、熱力等小管徑管道需避開大管徑的通風(fēng)管道；（2）優(yōu)先將電氣橋架布置在頂部，水管則置于底部；（3）避免在用水房間下方布置母線；（4）必須確保像通風(fēng)、供水、消防以及供熱這些有壓力的管道系統(tǒng)規(guī)避了如排水和冷凝水這類無壓力管道系統(tǒng)；（5）應(yīng)在寬敞的區(qū)域避免將風(fēng)管與其它管道垂

直并行設(shè)置；（6應(yīng)盡可能避開供熱管道的轉(zhuǎn)彎處，尤其是向上的轉(zhuǎn)彎，而且應(yīng)該在這些位置安裝排氣裝置。

這些原則目的在于確保管道布置的合理性，增加施工效率和安全性。

3.4融合策略助力BIM管網(wǎng)優(yōu)化

該項(xiàng)目的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是其存在的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其上下環(huán)管道都裝有壓縮機(jī)站，使流量成為一個(gè)復(fù)雜的決策變量，超出了常規(guī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的解決能力。為實(shí)現(xiàn)能耗最低的運(yùn)行目標(biāo)，采用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃和黃金分割混合算法，并用Python開發(fā)了一個(gè)應(yīng)用程序來找到管網(wǎng)最優(yōu)運(yùn)行方案。優(yōu)化后的總功率相較于優(yōu)化前降低了 6% ，主要功率減少發(fā)生在壓縮機(jī)站。

4結(jié)語(yǔ)

探討了BIM在現(xiàn)代管網(wǎng)工程項(xiàng)目管理中的顯著價(jià)值。BIM通過其多維、動(dòng)態(tài)的建筑模型和實(shí)時(shí)信息更新與共享功能，在提升項(xiàng)目管理的準(zhǔn)確性、效率以及降低錯(cuò)誤和延誤方面展現(xiàn)出巨大潛力。特別是在管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行優(yōu)化方面，動(dòng)態(tài)規(guī)劃及二分法的引入，讓項(xiàng)目管理者能夠?qū)?fù)雜的大管網(wǎng)分割成特定的小結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，再整合這些優(yōu)化結(jié)果以獲取整個(gè)管網(wǎng)的最優(yōu)解，進(jìn)一步凸顯了BIM的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)際案例研究表明，BIM不僅在設(shè)計(jì)和建造階段實(shí)現(xiàn)了顯著優(yōu)化，也推動(dòng)了跨學(xué)科協(xié)作和溝通，降低了項(xiàng)目延誤和成本。預(yù)見到BIM技術(shù)將繼續(xù)成為推動(dòng)管網(wǎng)工程項(xiàng)目管理創(chuàng)新和效率的關(guān)鍵因素，引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)向更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展。

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